基于单片机和无线传感器技术实现智能门控安防系统的应用方案

1 、引言

随着人民生活水平的提高和安全防范意识的增强，人们开始关心自己的生活和工作环境，不但要求周边环境的舒适化和人性化，对居住工作环境的安全化和智能化也提出了更高的要求，安防系统已经成为生活中必不可少组成部分。传统的安防系统主要依靠电话网播报警讯信息，但电话网易被破坏，且不适用于偏远地区等架设通信线路困难或不经济的地方。

GSM网络是基于时分多址技术和频分多址技术的通信网络体系，是我国覆盖面最广，功能最强，用户最多的数字蜂窝移动通信网。通过中国移动公司建成的无缝覆盖全国的GSM网，运用GSM短信技术传送警讯信息，具有安全可靠，安装方便等优点。

1、系统结构与原理

本安防系统结构如图1所示。把各种报警传感器分别安装在不同位置，当出现异常情况时，相应的传感器会将无线信号发送至控制模块的无线接收电路，控制模块通过软件判断出异常情况的类型，通过串行口控制GSM模块发送相应的报警短信，几秒钟后，用户的手机上就可以接收到报警短信，提醒用户采取措施。当用户在现场时，可通过发送短信撤除报警功能（简称撤防），防止报警器对用户行动的误报警。用户还可以利用计算机对存储于EEPROM中的报警记录进行读取，以及对报警系统进行设置。

2、硬件设计

2.1无线报警传感器

无线报警传感器主要包括热释电被动式红外报警器、烟雾报警器、煤气泄漏报警器、窗（门）磁报警器等。每一种无线报警传感器都是由传感器、信号处理电路、无线发射电路等构成。传感器在检测到异常情况后，通过无线发射电路实现无线报警。为了区分报警器的类型（即警情类型），同时增强系统的抗干扰能力，提高报警的准确性，每一个报警器都有不同的编码。这个编码由“地址码”+“身份码”构成，“地址码”用来标示不同的安防系统，同一安防系统内，所有无线报警器的地址码和无线接收电路的地址码是相同的;“身份码”用来标示不同的无线报警传感器。地址码和身份码可以由硬件实现，如利用SC2262编码芯片和SC2272解码芯片实现;也可以由软件实现，在编程时直接写入地址码和身份码。

2.2 控制模块

控制模块的核心是PIC16F74单片机。PIC16F74是一款低功耗、高速的Flash单片机，内部主要集成USART模块、I2C总线、SPI接口、输入捕捉/输出比较/脉宽调制CCP模块、A/D转换器、看门狗定时器WDT等功能部件。PIC16F74具有35条简洁的指令系统，其中除了程序分支指令是单字节、双周期指令外，其它都是单字节、单周期指令。单字节宽指令提高了软件编码效率，减少了所需要的程序存储器单元，使系统具有很高的处理效率和卓越的性能。PIC16F74单片机优异的性能加上良好的电磁兼容特性，使之非常适合于本系统的开发。控制模块主要用于处理报警信息，并与PC机通信。单片机与实时时钟芯片（SD2001）通过I2C接口进行通信。单片机通过普通IO与EEPROM（AT24C16）通信，AT24C16为I2C接口，对它的读写，需单片机程序产生I2C时序。 EEPROM中除了存储报警信息外，还存储用户的手机号码和撤防的密码。

2.3 单片机与GSM模块、PC机的硬件接口电路

图2显示了单片机与TC35、PC机的连接图。GSM模块采用西门子公司推出的TC35。TC35是一款高性能的GSM模块，在应用系统中很容易集成，可以工作在GSM900kHz和1800kHz两个频段，RS-232数据接口，符合ETSI标准GSM07.07和GSM07.05，且易于升级为GPRS（通用分组无线电业务）模块。TC35集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息、传真提供快速、安全、可靠的传输，方便用户的应用开发和设计。

由于TC35数据接口工作在CMOS电平，而PIC16F74工作在TTL电平，工作电压范围一般比TC35宽，故应在单片机和TC35之间加电平转换电路。单片机通过异步串行接口RC6、RC7与TC35进行数据通信，通信速率为9600kbit/s，采用8位异步通信方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。

单片机利用普通IO与PC机串口通信。单片机需要在通信程序中自己产生串行时序。

3、软件设计

系统软件包括单片机程序和PC机程序。PC机的程序主要是对计算机串口的读写，本文不加详述。单片机的程序主要包括初始化、单片机对报警信号的处理、单片机与PC机的通信和单片机对设防撤防信号的处理。单片机程序的流程图如图3所示。当单片机检测到有GSM模块接收到短信后，先判断短信开头部分的密码正确与否，只有当密码正确才进行相应操作，否则不予处理。

3.1 单片机程序初始化

初始化程序主要包括对寄存器、IO的设置、从EEPROM中把用户手机号码和撤防密码读入单片机的寄存器中。初始化完成之后，单片机就循环检测有无报警信号、是否连接到PC机、GSM模块是否接收到短信。

EEPROM中存储用户手机号码和撤防密码，是为了防止系统断电后导致的重要信息的丢失。在初始化时将信息读入单片机的寄存器中，可以节省单片机处理的时间。

3.2 报警信息的处理

单片机通过无线接收电路接收探测电路发送的报警信号，通过报警器的“身份码”识别报警类型，并将“报警类型”通过GSM模块，以短信发送到用户手机。发送完成之后，单片机从实时时钟芯片读取报警时间，并将“报警类型+报警时间”写EEPROM。

利用AT指令可完成控制GSM模块进行SMS通讯的所有流程，欧洲通信委员会ETST发布的GSM07.05标准AT指令集是目前全球所有GSM模块均支持的收发SMS的命令集，常见的AT指令见表1。

每个AT指令以“AT+”开头，以回车结尾。在AT指令中还包括以下控制符：结束符（用表示），十六进制为0x0D;发送符（用《^Z》表示），十六进制为0x1A。

发送短消息常用Text和PDU（Protocol Data Unit）模式。使用Text模式收发短信的优点是代码简单，容易实现;缺点是不能收发中文短信。而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。PDU模式收发短信可以使用三种模式：7-bit、8-bit和UCS2编码。7-bit编码用于发送ASCII字符，8-bit编码用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符（汉字），编码类型在PDU数据包中指定。下面举例说明PDU编码的组成。例如要把“有人非法开门！”七个字符发送到用户手机[phone]，则PDU数据为：00 01 03 0D 91 683109699343F2 32 08 0E 67094EBA975E6CD55F0095E8FF01。

PDU数据说明如下：

（1）00表示省略短信中心号码，由SIM卡决定;

（2）01表示文件头字节;

（3）03表示信息类型;

（4）0D表示被叫号码长度;

（5）91表示被叫号码类型;

（6）683109699343F2表示被叫号码，被叫号码经过移位处理;

（7）32表示协议标识TP-PID;

（8）08表示数据编码方案TP-DCS，因为要发送Unicode内码，所以使用USC2（16bit）编码;

（ 9）0E表示用户数据长度;

（10）67094EBA975E6CD55F0095E8FF01表示用户数据“人非法开门！”。

需要注意的几个问题：

（1）所有AT指令的指令符号、常数、PDU数据包等都是以ASCII编码形式发送的。

（2）单片机向GSM模块发送每一条指令后，必须以回车符（0DH）作为该指令的结束，若没有这个回车符，GSM模块将不识别这条指令。

（3）GSM模块向单片机传送短信时，其PDTU数据包的内容是以十六进制表示的，但并不是直接向单片机传送十六进制数据，而仍然是把每一位十六进制数据以ASCII编码发送。这样，两个字节的十六进制数就变成4字节的ASCII码。但PDU数据包中的数据字节长度部分仍然是实际字节长度，而不是变成ASCII码的字节长度。单片机接收到数据包后，必须将其恢复成十六进制数据。

3.3 单片机与PC机的通信

PC机可以通过单片机读出EEPROM中存储的报警信息、用户手机号码和撤防的密码，并可以对后两项进行修改。

单片机对是否进行与PC机通信的判断既可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，为了简化硬件，提高系统可靠性，采用软件实现状态的判别。PC机与安防系统连通后，当PC机要向单片机发送操作指令时，PC机就改变串口默认电平状态，并维持一段时间，单片机检测到该电平后，就进入与PC机通信的程序。PC机完成操作指令的发送后，串口就恢复为默认电平。单片机接收到操作指令后，就判断是“读取”指令，还是“修改”指令，如果不是这两条指令，就退出。

4、结束语

本设计方案借助于GSM网络和无线通信技术，实现了系统各个部分之间的通信无线化。无线报警器与主机之间的通信采用高频无线调制的方式进行;主机与用户手机之间采用GSM网络。整个系统之间的通信无需另外布线，这样既节约了成本，又提高了整个系统通信的可靠程度。整个系统既适合于城镇家庭使用，也适合于偏远地区等不便架设通信线路的地方使用，具有很好的应用前景。

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