基于GSM和單片機的家庭防盜防火系統

張超敏, 王雪嬌

江蘇職業技術學院 無錫機電分院 江蘇無錫 214028

1 設計背景

隨著網絡通信技術、電子技術和計算機技術的迅猛發展,人們對住宅安全性和智能化的要求也越來越高。目前,多數住宅仍以防盜門、防盜鎖為主要防盜方式,在長時間家中無人的情況下,防盜效果不盡如人意,且在火災發生時增加居民的逃生難度。

全球移動通信系統(GSM)無線網絡覆蓋范圍廣,基于GSM和STC89C52單片機設計家庭防盜防火系統,更適用于家庭、辦公室等場所的防盜防火。這一系統利用前端傳感器和GSM無線網絡,以短信的形式實現防盜、防火、遠程控制等功能[1-2]。

2 系統硬件框圖

STC89C52單片機是一種能耗低、速度快、數據處理能力強的微處理器,是家庭防盜防火系統的核心。系統硬件設計分為液晶顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、前端傳感器檢測模塊、GSM無線網絡通信模塊、語音錄放模塊。MQ-2煙霧傳感器和DS18B20溫度傳感器用于檢測室內是否有火災發生。被動熱釋電紅外探測器檢測是否有人員非法入侵。當警情發生時,GSM無線網絡通信模塊實現遠程通信。語音錄放模塊模擬家中有人。液晶顯示模塊實時顯示系統數據,可用作人機交互界面。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

3 系統硬件電路

3.1 單片機最小系統

STC89C52單片機采用室內5 V穩定電源模塊供電,正常工作需要外接上電復位電路、時鐘電路,構成單片機最小系統,如圖2所示。復位電路的作用主要是對單片機相關寄存器和輸入輸出端口進行初始化,復位的方式包括外圍按鍵復位和系統上電復位兩種。家庭防盜防火系統采用上電復位,原理是在單片機RESET引腳上接復位電容和上拉電阻,進行上電復位。電源接通后,復位模塊會自動產生復位信號,系統恢復到初始狀態。系統采用內部時鐘方式,需要在XTAL1和XTAL2兩引腳間跨接晶體振蕩器和微調電容構成時鐘電路,微調電容的容量取30 pF,晶振的頻率取1.2 MHz～12 MHz。

圖2 單片機最小系統

3.2 GSM無線網絡通信模塊電路

家庭防盜防火系統使用可用于GSM無線網絡通信的西門子TC35工業模塊,可以通過上位機控制收發短信[3-6]。GSM無線網絡通信模塊電路的主要功能是實現短信收發,與上位機通信,包括串口下載電路和用戶識別模塊(SIM)卡電路。串口下載電路如圖3所示,采用 MAX232電平轉換芯片實現串口下載程序,將單片機輸出的晶體管-晶體管邏輯電平轉換為上位機可接收的符合RS232標準的電平。此外,串口下載電路也可實現上位機與GSM無線網絡通信模塊的通信。MAX232芯片使用5 V單電源供電,具有自驅動功能,與連接器對應引腳連接時,不需要添加外圍驅動電路,同時需要注意對應引腳連接無誤。

TC35工業模塊的24～29引腳為對接SIM卡的功能引腳,24～29引腳與SIM卡卡座的對應端直接相連,SIM卡卡座的地端與單片機系統的地端接電容耦合。SIM卡電路如圖4所示。

圖3 串口下載電路

圖4 SIM卡電路

3.3 語音錄放模塊電路

語音錄放模塊采用獨立按鍵工作模式,通過按鍵控制錄音、放音,采用ISD1760語音芯片[7]。當用戶長時間不在家時,可模擬家中有人,防止人員非法入侵。為保證效果,播放的語音必須清晰優質,并且保證播放時長。ISD1760語音芯片采樣頻率越高,錄音效果越好,錄音時長則越短。ISD1760語音芯片采用7 kHz和10 kHz兩種采樣頻率,這兩種采樣頻率下播放的錄音效果較為逼真,時間較長。STC89C52單片機只負責控制語音模塊的PLAY引腳播放預置語音,在系統布防前,需要預先將錄制的語音存儲于ISD1760語音芯片的電擦除可編程只讀存儲器內。當用戶不在家時,利用GSM無線網絡通過P3.6引腳遠程控制繼電器K1,K1控制PLAY按鈕播放預置錄音。語音錄放電路如圖5所示。

圖5 語音錄放電路

4 系統軟件

家庭防盜防火系統的軟件程序采用C語言編寫。為了便于修改和調試,采用模塊化設計,編程語言的開發工具為Keil C編程軟件。系統主程序流程如圖6所示。系統上電復位,運行初始化程序。初始化程序完成各端口模塊的初始化任務,包括輸入輸出端口、液晶顯示器、定時器等。讀取室內多點溫度、煙霧濃度,以及被動紅外探測器火災或入侵數據,進入各子程序,將數據及時在液晶屏上進行顯示。循環等待各子程序響應,前端傳感器模塊一旦檢測到異常情況,立即將報警數據傳送至單片機。單片機驅動蜂鳴器報警,并且將報警信息以短信形式通過GSM無線網絡通信模塊發送至用戶手機,以便用戶及時處理。

圖6 系統主程序流程

家庭防盜防火系統完成初始化后,MQ-2煙霧傳感器持續檢測室內煙霧濃度,輸出0～5 V電壓模擬信號,經過AD0832模數轉換芯片后,轉換為數字量信號,傳送至單片機。單片機將室內煙霧濃度實時數據與系統初始化時預存的臨界濃度值進行比較,一旦煙霧濃度達到或者超過臨界值,檢測煙霧濃度子程序就會向主程序發送火災報警信號。主程序接收到報警信號后,調用報警子程序進行聲光報警,并調用GSM無線網絡通信子程序發送火警短信至用戶手機。

家庭防盜防火系統初始化完成后,被動熱釋電紅外探測器持續檢測室內是否有人員非法入侵。一旦有人入侵,探測器將發送入侵報警信號至單片機。主程序接收到入侵報警信號后,調用報警子程序進行聲光報警,并調用GSM無線網絡通信子程序發送非法入侵短信至用戶手機。

GSM無線網絡通信模塊是實現遠程控制的重要模塊,當前端各類火災報警傳感器檢測到異常情況時,T35工業模塊以固定格式發送火災或入侵短信至用戶手機。短信內容必須符合相關通信協議,用戶手機與單片機都可以接收短信,并可以編譯處理指令。

5 系統調試

GSM無線網絡通信模塊調試是系統調試最關鍵的部分。程序編譯完成后,借助串口調試工具檢驗GSM無線網絡通信模塊是否能夠正常通信,并且對不同的報警信息進行編碼、調試。在串口調試工具中,選擇匹配的串行通信口,并設置波特率為9 600 Bd。設置好后使系統上電,在串口調試工具中發送“AT+CMGF=0”字符指令,并將工作模式設置為協議數據單元模式。統一碼轉碼工具將TC35工業模塊需要向用戶手機發送的報警信息轉換為統一碼。發送成功后,用戶手機上會收到TC35工業模塊發送的報警信息。

6 結論

筆者基于GSM和單片機設計了家庭防盜防火系統,能夠滿足家庭或辦公室等場所對消防、安防的需求[8-11]。當然,這一系統僅能通過短信方式報告警情,無法實現電話報警,語音錄放電路的錄放時間仍然較短,模擬室內有人的效果有限。隨著互聯網技術和電子技術的飛速發展,遠程防盜防火系統正在向智能化的方向發展。為了使警情得到快速處置,家庭防盜防火系統可以與小區物業管理中心聯網,以便安保人員及時趕到現場處理警情,確保業主人身財產安全。