基于STC89C58和GSM網(wǎng)絡(luò)的家庭防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周卓然，徐道連，斯蕓蕓

(重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

目前市場上家用報(bào)警系統(tǒng)多數(shù)是通過電話線實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的，當(dāng)電話線被惡意剪斷時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)失去報(bào)警功能。針對(duì)此問題，將移動(dòng)通信技術(shù)引入本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，避免了此類問題的發(fā)生，依據(jù)性價(jià)比及實(shí)際功能要求，本系統(tǒng)采用單片機(jī)及移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)。把GSM/GPRS模塊和單片機(jī)、攝像頭模塊及語音模塊有機(jī)地結(jié)合起來，完成單片機(jī)與GSM/GPRS模塊的通信及與攝像頭模塊的通信，設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的家庭網(wǎng)絡(luò)防盜系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的移動(dòng)通信模塊采用廣州譜泰科技有限公司的PT39I模塊。外圍電路自行設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)的RS232串口與移動(dòng)通信模塊進(jìn)行連接。根據(jù)性價(jià)比以及系統(tǒng)的實(shí)際功能要求等，系統(tǒng)采用STC89C58單片機(jī)作為控制器，通過STC89C58標(biāo)準(zhǔn)的全雙工串口與移動(dòng)通信模塊進(jìn)行通信。首先將傳感器采集到的報(bào)警信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)通過判斷，發(fā)送控制指令到通信模塊，通信模塊接到指令后調(diào)用設(shè)計(jì)好的報(bào)警短信息，利用GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機(jī)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能[1]。用戶接到報(bào)警的短信息后，可以回復(fù)短信息到報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)用戶回復(fù)的短信息內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的判斷，從而發(fā)出相應(yīng)的防盜指令給控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。使用STC89C58單片機(jī)作為控制中心，配有警情采集模塊、移動(dòng)通信模塊、報(bào)警模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、攝像頭、語音等模塊。系統(tǒng)總體硬件框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件組成模塊

2.1 PT39I模塊

PT39I是一款非常典型的無線通信GSM模塊，可以快速、安全、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)功能、語音功能、短消息服務(wù)功能和傳真功能[2]。工作電壓為3.4 V～4.3 V,實(shí)際使用中建議的電壓值為3.8 V～4.0 V。工作在900 MHz和1 800 MHz以及1 900 MHz三個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為 2 W（900 MHz）和 1W(1 800 MHz和 1 900 MHz)。

圖2中恒壓芯片為LM2941S，根據(jù)PT39I的電氣規(guī)范可知其允許的電壓范圍為3.4 V～4.3 V，因此可以將單片機(jī)的IO引腳直接接在PT39I模塊上ZIF連接器的15腳上，啟動(dòng)模塊需要加載一個(gè)至少100 ms的低電平信號(hào)。通過延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)PT39I模塊的啟動(dòng)。

2.2 單片機(jī)選型

在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過綜合分析，需要一款內(nèi)存較大的單片機(jī)，因此選中 STC89C58，內(nèi)存為 1 KB RAM空間，32 KB ROM空間。設(shè)計(jì)時(shí)劃分了201個(gè)短信數(shù)據(jù)交換空間，206個(gè)彩信數(shù)據(jù)交換空間。采用22.118 4 MHz的晶振頻率有兩個(gè)原因，一是匹配波特率，二是提高單片機(jī)數(shù)據(jù)的處理速度。

2.3 SIM卡電路設(shè)計(jì)

SIM卡是帶有微處理器的芯片，內(nèi)含5個(gè)模塊，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)功能：CPU,程序存儲(chǔ)器ROM、工作存儲(chǔ)器RAM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM和串行通信單元，這5個(gè)模塊被集成在一塊集成電路中。因此SIM卡在與手機(jī)連接時(shí)，最少需要 5個(gè)連接線：電源(VCC)、時(shí)鐘(CLK)、數(shù)據(jù)I/O口(Data)、復(fù)位(RST)、接地端(GND)。 如圖 3所示。

2.4 攝像頭模塊

選擇GXT-M201攝像頭，它可以直接輸出JPEG格式，便于GMS/GPRS模塊發(fā)送彩信。

2.5 語音電路設(shè)計(jì)

語音合成芯片采用科大訊飛公司生產(chǎn)的XF-S3111，該芯片內(nèi)嵌多種合成方式。且體積較小，使用方便，主要是面向中低端應(yīng)用，符合本系統(tǒng)的成本要求。本系統(tǒng)中需要使用其提示音合成的功能。

將單片機(jī)的P32連接到語音的TXD引腳上，單片機(jī)用模擬串口的方式將數(shù)據(jù)傳給語音芯片。RST與單片機(jī)的P15相連，在本系統(tǒng)中對(duì)GB2312和Unicode格式編碼的信息進(jìn)行報(bào)讀。在完成一種語音的播報(bào)后就進(jìn)行模塊重啟，此時(shí)就用到芯片的復(fù)位信號(hào)。這樣方便另一種語音的播報(bào)。該芯片采用3.3 V電源供電，原理圖中J2為3.3 V穩(wěn)壓芯片。8腳為模擬音頻信號(hào)輸出點(diǎn)，接音頻放大電路[3]。

2.6 單片機(jī)與GSM模塊通信電路設(shè)計(jì)

74LS04內(nèi)部有6個(gè)反相器，圖4只用到其中的4個(gè)。在該電路的設(shè)計(jì)中利用其驅(qū)動(dòng)作用[4]，保證單片機(jī)與GSM模塊間的通信數(shù)據(jù)不丟失。在實(shí)際應(yīng)用過程中做過相關(guān)的調(diào)試，沒有該驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)通信數(shù)據(jù)是亂碼，加入該器件通信數(shù)據(jù)正常，通信過程準(zhǔn)確無誤。原理圖如圖4所示：1TXD、1RXD分別連接單片機(jī)的TXD和RXD，74LS04的 13和 4腳分別連接 ZIF40的 RXD0(18)和TXD0(19)。這樣的連接使信號(hào)得到了放大，增強(qiáng)了傳輸過程中的驅(qū)動(dòng)能力。

2.7 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

在由單片機(jī)控制的儀器儀表、家用電器、工業(yè)監(jiān)控等系統(tǒng)中，對(duì)某些狀態(tài)參數(shù)，不僅要求能夠在線修改，而且斷電后能保持，以備上電后恢復(fù)系統(tǒng)的初始狀態(tài)。為此選用24系列串行EEPROM的產(chǎn)品。同時(shí)由于系統(tǒng)要對(duì)特定用戶報(bào)警，要求能對(duì)其身份進(jìn)行有效的識(shí)別，而這種信息在一個(gè)相對(duì)的時(shí)間里是固定不變的，所以要對(duì)其進(jìn)行保存而且要保證隨時(shí)能夠改寫[5]。對(duì)本系統(tǒng)即手機(jī)報(bào)警系統(tǒng)來說需要保存的信息有：用戶自己的手機(jī)號(hào)碼、報(bào)警時(shí)約定的報(bào)警密碼、家庭的地址、家庭其他用戶的號(hào)碼等相關(guān)信息。這幾個(gè)信息的內(nèi)容相對(duì)簡單，因此使用EXEL產(chǎn)品中的24C02完全能夠達(dá)到要求。但是24C02和其他24CXX系列比較有一點(diǎn)特殊，其按頁寫方式寫入數(shù)據(jù)時(shí)最大只能是8 B，這次設(shè)計(jì)中選用的是EXEL公司的24C02,其最大頁寫一次只能是4 B。所以在編程中采用字節(jié)寫入方式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作過程簡介：當(dāng)系統(tǒng)獲得傳感器信號(hào)時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)首先檢查當(dāng)前狀態(tài)是否為設(shè)防狀態(tài)。如果是,則單片機(jī)系統(tǒng)通過GSM發(fā)送一條短信給用戶，用戶獲得信息后可以發(fā)送控制命令。在異常狀態(tài)下有 “0拍照”、“1監(jiān)聽”、“2撥打小區(qū)電話”幾條指令可用。當(dāng)用戶發(fā)送“0拍照”時(shí)，首先從存儲(chǔ)器中提取用戶號(hào)碼與收到短信中的電話號(hào)碼進(jìn)行比對(duì)，校驗(yàn)成功后單片機(jī)就會(huì)發(fā)起對(duì)攝像頭的通信并完成拍照與上傳數(shù)據(jù)。之后通過GPRS模塊將照片發(fā)送至用戶的手機(jī)上。當(dāng)用戶發(fā)送“1監(jiān)聽”時(shí)，單片機(jī)首先從存儲(chǔ)器區(qū)中提取電話號(hào)碼并撥打該號(hào)碼。用戶接聽電話后，就可以監(jiān)聽家中的安全狀況。當(dāng)用戶發(fā)送“2撥打小區(qū)電話”時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)從存儲(chǔ)器中提取小區(qū)保安的電話號(hào)碼并撥打保安電話。每完成一次操作,語音電路都會(huì)根據(jù)操作的內(nèi)容提示用戶操作的結(jié)果。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖

利用串口助手可以對(duì)PT39I進(jìn)行測試和操作，也可以用來分析理解AT指令協(xié)議，為軟件編程做準(zhǔn)備。在此基礎(chǔ)上可以在單片機(jī)上開發(fā)程序,通過串口對(duì)無線通信模塊進(jìn)行控制，達(dá)到實(shí)現(xiàn)用單片機(jī)控制收發(fā)短消息的功能[6]。使用PT39I收發(fā)短消息，用戶必須準(zhǔn)備一張已開通的SIM卡，并將其插入PT39I的SIM卡座中。使用PC配合PT39I收發(fā)短消息，使用時(shí)需開啟PT39I電源，通過串行數(shù)據(jù)線連接到PC機(jī),并在PC端安裝串口讀寫軟件，例如超級(jí)終端、Telix等，通過終端軟件發(fā)送AT命令，察看返回的數(shù)據(jù)是否正確。

系統(tǒng)的測試、啟動(dòng)、初始化完成后，用戶可以發(fā)送“拍照”到系統(tǒng)的號(hào)碼。發(fā)送短信后等待約1 min。用戶會(huì)收到一條彩信，打開瀏覽，是系統(tǒng)抓拍的照片。有一點(diǎn)需要說明，系統(tǒng)攝像頭抓拍的照片為收到用戶短信后2 s左右，但是數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間較長。具體傳輸時(shí)間由照片的大小和串口的通信速率決定。在系統(tǒng)收到用戶發(fā)送的拍照命令后，系統(tǒng)要完成主控制器對(duì)攝像頭模塊的同步與設(shè)置。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過軟、硬件結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C58和GSM網(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)絡(luò)防盜系統(tǒng)，該防盜報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際運(yùn)用，運(yùn)行良好，有一定的實(shí)用價(jià)值。傳統(tǒng)的報(bào)警產(chǎn)品雖然種類眾多，但它們大都是當(dāng)有非法入侵或盜竊行為時(shí)，只會(huì)立即發(fā)出聲、光、電等報(bào)警信號(hào)報(bào)警，本文報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警防盜功能。另外，此類報(bào)警系統(tǒng)只要稍加改動(dòng)，就可應(yīng)用到汽車防盜、倉庫防盜等多個(gè)方面。所以把GSM應(yīng)用在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的前景非常廣泛。

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