基于GSM的紅外報警系統設計

創新者：許志龍

基于GSM的紅外報警系統設計

創新者：許志龍

本文給出了一種基于GSNM的紅外報警系統的設計方案，該系統將手機模塊與普通紅外報警系統相結合。系統設計時傳感器采用主動式和被動式紅外傳感器相結合，兩種傳感器優勢互補，大大減小了系統誤報警的可能性。主控芯片采用51單片機。通信模塊GSM使用的是西門子公司生產的TC35i模塊，單片機通過串口發送AT指令，對手機模塊進行控制。系統設計整體上可以分成軟件和硬件兩個部分。其中，硬件部分的設計包括傳感器的選擇，單片機的確定，以及報警方式的選擇。系統實現了用戶對報警模式的選擇，以及可以及時發現緊急情況并報警。

目前有些報警系統只能實現聲光報警，無法進行遠距離報警。這就使得報警系統雖然發出了報警，但是戶主沒有及時發現而延誤了險情的及時處理。遠程報警系統，提高了報警系統的及時性，使戶主即使在其他地方也可以及時了解家中的情況。

專家和學者對遠程紅外報警裝置也進行了一系列的研究，指出遠程報警裝置的必要性和理論上的可行性。本文對遠程紅外報警裝置進行了深入的研究，分析不同的紅外傳感器的工作原理和性能指標。在此基礎上，詳細論證了以51單片機為主控芯片的，TC35i模塊為核心的智能紅外報警系統。以手機通信模塊作為本次設計的重點。重點介紹以手機模塊作為遠程控制的核心器件，通過手機模塊來實現遠程報警功能。紅外報警模塊同時采用主被動兩種方式的傳感器來進行報警信號的采集，充分的考慮了不同傳感器的優缺點，實現傳感單片機器之間的優勢互補，增加了報警系統的可靠性能。作為系統的控制中樞，不僅接受來自紅外系統的報警信號，同時通過串口來實現對手機模塊的控制以及其他報警方式的控制。手機模塊通過接收單片機發來的不同AT指令來執行相應的命令，發送正確的短信。同時利用手機發送相應的短信來回控單片機程序的執行。

紅外報警系統的方案設計

系統的總體設計及系統總體框圖

主控芯片使用AT 89C52單片機，紅外報警模塊同時采用紅外對管和紅外熱釋電主被動結合，通信模塊選用TC35i手機模塊。電路的突出優點是同時采用兩種紅外模塊不僅解決了熱釋電模塊易受溫度影響的問題，同時也解決了紅外對管易受小動物樹葉風吹動窗簾遮蓋而引發錯誤報警等的影響。根據上述的方案設計，繪制出系統的總體框架圖1，系統由電源、紅外熱釋電、紅外對管、單片機、手機模塊以及聲光報警等模塊組成。其中單片機是系統的主要控制模塊，控制著整個系統的運行，讀取傳感器模塊和手機模塊發來的信號。紅外傳感器部分負責人體信號的感應，檢測是否有人進入房間。手機模塊負責整個電路的遠程報警，和用戶手機指令的接收。聲光報警電路起指示和警報作用。

紅外報警系統的基本原理是通過紅外熱釋電傳感器來檢測人體發出的獨特的紅外波段，經過處理電路處理后，通過電壓的高低來表示信號的有無。紅外對管通過發射管發出紅外信號，紅外接收管接收紅外信號。當紅外接收管接收不到信號時，紅外接收管的電阻相對較大，因此紅外對管分得的電壓較大，輸出的電壓也相對較大。當接收到紅外照射時，紅外對管的相對電阻較小，分得的電壓較小。但是兩次電壓變化相對較小，單片機無法直接辨別兩種信號的區別，需要再通過三極管電路將較小的信號變化轉變為高低電平的變化。單片機通過判斷信號接口的電平的高低，執行相應的程序，進而判斷是否有人進入。單片機通過手機模塊實現遠程報警，同時系統實現電路的遠程可控。

系統模塊硬件電路的設計

紅外熱釋電模塊設計

紅外熱釋電模塊非接觸式的監測方式，人體不需要與電路接觸，探頭只需檢測到人體輻射的紅外線，便可以產生報警信號，使電路產生報警。當紅外探頭檢測到特定波長的紅外線能量時，將檢測到的紅外能量的變化轉換成電壓信號輸出，紅外熱釋電輸出的電壓一般較小，需要經過放大電路進行放大。

紅外對管電路設計

在本次設計中，我們主要利用了紅外接收管電路在有無紅外線照射時，電路的電阻變化比較大的這一特點進行電路的設計。將紅外接收管與一個電阻進行串聯分壓。電路通過紅外發射光發射出紅外光線照射在紅外接收管上，當有光照在紅外接收管上時，紅外接收管的電阻較小，一般在幾十到幾百歐姆，比起與之串聯的電阻要小的多，電路上分得的電壓較較小，電路對外輸出的電壓較小，實際測得電壓小于0.1V。當紅外發射管發射的紅外線被遮擋時，即有人通過時，紅外接收管的電阻就會升高，與串聯的電阻在一個數量級，這就導致紅外接收管分得的電壓較大，電路對外的輸出電壓較大，在實際測得電路輸出電壓可以達到0.7V。

圖1　系統整體組成框圖

單片機無法直接區別紅外接收管不同情況下分壓輸出的兩個電壓，我們需要對輸出電壓進行放大轉化。同時，電路是用于對有無外人的闖入進行監測，我們并不需要得到較為精準的數字量，只需要區分是否有人闖入即可，所以電路通過加一個NPN三極管將電路輸出的較小的電壓量的變化轉化成較大的電壓量的變化，三極管起一個開關和電平轉化的功能，將紅外管分壓電路中較小的電壓變化轉化成較大電壓變化，電路利用了三極管飽和和截止兩個區不同的電路特性，當紅外對管分壓電路輸出的電壓較小時，三極管截止，P0.6口得到高電平，當輸出電壓較大時，三極管飽和，三極管電路對外輸出的電壓較小，為低電平。單片機可以識別進過三極管放大后的電壓，當有人闖入，即紅外接收管接收不到信號時，P0.6接收到低電平信號。

圖2　單片機最小系統和聲光報警電路

圖3　手機模塊與單片機連接示意圖

單片機最小系統和聲光報警電路

如圖2所示，單片機采用5V電源供電，單片機晶振采用11.0592MHz，晶振的頻率決定了單片機的時鐘周期，這也最終決定單片機的執行程序的速度。圖中的接在電源上的電容起到濾波穩壓的作用。其中復位電路采用手動和自動兩種方式，通過電容串聯電阻接地，在上電時由于電容上的電壓不會突變，可以給單片機足夠長時間的高電平使單片機復位，手動按鍵在單片機進入是循環，或單片機發生故障時進行手動復位。單片機通過不斷掃描P0.0口的電平，已決定電路工作在何種方式。單片的P3.0和P3.1口和TC35i的串口引腳相連實現兩個模塊之間通信。電路中有紅黃綠三個LED，用來提示電路的各種狀態，通過三個不同顏色的LED來提示電路處于不同的狀態，比如：在正常沒有人的情況下，一直只有綠色LED點亮，表示系統工作正常，沒有檢測到有人闖入。在只有紅燈亮時，表示系統處于警報狀態。只有黃燈亮時，說明系統工作異常或系統處于預報警狀態，需要進行檢修。系統的報警電路還運用了蜂鳴器，蜂鳴器通過P2.0口進行控制，當單片機輸出為高電平時，單片機發出響聲。在單片機上電后，需要將單片機的P2.0端口置低。

TC35i模塊的與單片機的連接

TC35i通過串行口與單片機相連接，單片機再與TC35i進行通信時需要先將單片機的串口進行初始化設置，將單片機的工作模式設至為工作方式一，波特率設置為9600Hz，單片機與TC35i之間的連接除了串口之外，還需要將兩個模塊共地，即將兩個模塊的地相連。確保信號通過串口傳輸時，兩個模塊可以相互讀取，從而使單片機可以正常控制手機模塊的工作。

系統實際調試和運行結果的分析

系統的軟件開發選用的是keil軟件。在本次系統設計時我們采用C語言作為開發語言， 在本次系統剛開始制作時，電路中許多模塊運行的結果與預期的并不相同。電路的紅外熱釋電模塊是參考網上的典型電路進行焊制的。紅外對管剛開始進行試驗時發現電路紅外接收管在有無紅外線照射時電路的輸出電壓變化較小。經過幾次改變紅外對管的串聯電阻的阻值，將紅外對管的電壓變化變大，在無光照時電壓的輸出小于0.2V，在有光照時大于1.2V，這時的輸出電壓已經可以控制三極管基極和發射極之間的導通和截止。在將變化的電壓通過三極管進行放大，最終實現單片機可以區分兩種不同狀態下輸入信號。單片機的蜂鳴器在剛開始焊接時，蜂鳴器無法發出聲音，經過查閱資料，加了一個上拉電阻后，單片機可以使蜂鳴器發出聲音。

剛開始編寫單片機控制TC35i模塊的程序時，由于忽略了單片機的晶振，單片機無法控制TC35i模塊執行相應的程序。在查閱了大量資料后，發現必須將單片機串口的工作頻率設置為9600HZ，手機模塊才可以正確識別單片機發過來的指令，進行相應操作。

系統最終調試良好，各個模塊運行良好，LED可以較好的指示系統運行的狀態，并可以作為報警信號中的光學報警使用，同時手機模塊與單片機模塊之間可以正常通信，單片機可以控制手機模塊的收發，單片機可以讀取手機短信指令并進行相應的操作。可以通過手機發送不同的短信來控制系統的開啟和報警模式的選擇。

結束語

本文設計了基于TC35i的紅外報警系統的設計和制作，同時使用兩種不同的紅外模塊作為電路的報警探測方式，就是考慮到單一的報警模塊可能會產生較大的誤報警率。系統采用非接觸的方式大大提高了系統的可靠性。手機模塊的安全穩定性都相對較好，電路通過手機模塊來實現遠程報警，安全又經濟。當然，系統也還存在著一些可以改進和提高的地方。在原有的系統中可以加入攝像頭模塊，這樣可以在收到報警信號后，通過視屏或圖片及時了解家中的具體情況，且記錄下小偷的樣貌特征，便于警察進行破案。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.029