楊 靖，田登堯，白天蕊

（西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都611756）

隨著人們生活水平的提高，防盜變得尤其突出，傳統(tǒng)的機械鎖由于其構(gòu)造簡單，難以時刻遠程監(jiān)控機械鎖，被撬時也無法遠程報警，因而被撬事件屢見不鮮。而電子鎖由于其保密性高，使用靈活和方便，安全系數(shù)高，受到了廣大用戶的青睞?，F(xiàn)在電子技術(shù)越來越成熟，電子鎖也更加便宜和智能化，因而電子鎖將逐步取代機械鎖，成為主流。普通的電子密碼鎖，僅是通過按鍵輸入密碼來開門，開門方式單一，且不夠智能化。

因此，這里提出一種基于GSM（全球移動通信系統(tǒng)）的防盜系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)是以富士通公司的MB95F204K單片機為控制核心，同時結(jié)合GSM通信模塊和射頻識別模塊，可以進行短信報警，極大地提高了鎖的安全性和實用性，實現(xiàn)對家居、實驗室、辦公室、倉庫等的智能化防盜管理，真正讓用戶放心。

1 總的硬件設計方案

該家居防盜系統(tǒng)主要分為4個部分：射頻識別，密碼鎖，主控單元，GSM通信模塊。模擬電路、光耦傳感器電路控制其他外圍電路，通過液晶屏顯示及按鍵設置實現(xiàn)人機交互式顯示及設置。通過串口利用易語言開發(fā)的上位機軟件進行用戶信息管理。本系統(tǒng)不僅有密碼安全機制，還能設置報警電話，利用GSM模塊及時發(fā)送短信報警，以便減少經(jīng)濟損失。利用GSM模塊，用手機發(fā)送密碼短信，實現(xiàn)無鑰匙開鎖，安全性高，開門方便。其硬件電路并不復雜，但使用模塊較多，這就加大了編程的復雜度和調(diào)試的難度。因此應先通過單片機將每個模塊單獨調(diào)試后再進行整體調(diào)試。該系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路設計框圖Fig.1 Block diagram of system hardare design

2 各模塊設計

2.1 單片機

該系統(tǒng)采用富士通MB95F204K單片機[1]，是8位單片機，ROM容量16 KB，自帶8位A/D轉(zhuǎn)換器，I/O接口最多可達17個，CMOS為 15個，支持1個串口，采用DIP封裝24引腳。

此系列單片機片內(nèi)Flash擦寫需要+10 V的電壓[2]，而電路整體都用5 V的電源供電，存儲數(shù)據(jù)時擦寫不方便，故采用了24C62來存儲用戶名，密碼，手機號等數(shù)據(jù)。由于I/O接口有限，可使用單片機內(nèi)部時鐘，以節(jié)省單片機引腳。

2.2GSM模塊

GSM是Global System for Mobile Communications的縮寫，意為全球移動通信系統(tǒng)，是世界上主要的蜂窩系統(tǒng)之一。GSM是基于窄帶TDMA制式，允許在一個射頻同時進行8組通話。GSM手機允許用戶接收160字長度的短信息。

本系統(tǒng)采用WAVECOM公司的GSM通信模塊，支持RS-232 串口輸出功率：Class4 （2 W@900 MHz），Class1（1 W@1 800/1 900 MHz），工作頻率為 GSM 900 M/1 800 MHz，波特率可調(diào)，可利用單片機發(fā)送AT指令進行控制。

GSM模塊用來在非正常開門時，向用戶發(fā)送報警短信，同時用戶也可用手機向防盜系統(tǒng)發(fā)送密碼短信，實現(xiàn)無鑰匙開門。由于GSM模塊的默認的波特率與RF模塊（19 200 b/s）的不同，故在對GSM模塊進行初始化時，應將其波特率修改為19 200 b/s，方便用同一個串口控制。同時系統(tǒng)選用的GSM模塊接口是RS-232的，無法直接與單片機的串口相連，如圖2所示，本系統(tǒng)使用MAX232來對其串口進行電平轉(zhuǎn)換。由于剛上電時GSM模塊要搜索網(wǎng)絡，大約需占用30 s～2 min的時間，故應當在系統(tǒng)上電復后定期不斷向GSM模塊發(fā)送是否準備好請求，若GSM模塊返回‘OK’則說明GSM模塊已經(jīng)準備好了，可以對其進行設置，否則還需繼續(xù)等待。

2.3 RF模塊

RF模塊選用北京易火眼科技有限公司的RF模塊[3]，具有天線一體化，讀寫距離0～6 cm（卡距天線），支持 UART接口，內(nèi)置ISO14443A讀寫芯片[4]，Mifare標準加密，IC卡的工作頻率為13.56 MHz，最大讀取速度高達106 Kb/s，波特率為19 200 b/s，自動感應卡靠近天線，并產(chǎn)生中斷。該RF模塊預留有蜂鳴器的控制口，可以通過單片機的串口向RF模塊發(fā)送控制命令來控制蜂鳴器發(fā)出刷卡時的“嘀嘀”聲，以表明刷卡成功。

由于單片機只有一個串口，GSM模塊和RF模塊都是通過串口控制的，本系統(tǒng)利用模擬開關(guān)CD4052來實現(xiàn)串口復用，如圖2所示，即初始狀態(tài)時將GSM模塊與單片機串口相連，等待用戶的短信，或者等待單片機信號來向用戶發(fā)送報警短信，當RF模塊天線感應到卡靠近天線時，產(chǎn)生高電平，控制CD4052，使單片機的串口連上RF模塊，單片機對RF模塊進行讀取信息。這樣GSM模塊和RF模塊就正常工作。

圖2 GSM模塊與RF模塊電路Fig.2 Circuit of GSM module and RF module

2.4 密碼鎖按鍵、顯示與報警

2.4.1 A/D按鍵

4×4鍵盤，用1根線控制。如圖3所示，利用16個串聯(lián)的200 Ω電阻將Vcc進行分壓，2只電阻節(jié)點處連按鍵開關(guān)一端，另一端接個100 Ω電位器后再連高電平（方便校正），利用MB95F204K自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，將末端電位進行采集，并譯碼成各個按鍵編號即可。利用此單片機要在其內(nèi)部的A/D采樣引腳處加一個0.1 μF電容[5]，以增加采樣時間，提高A/D轉(zhuǎn)換精度。該設計方案充分利用了MB95F204K的資源，極大地緩解了I/O不足的壓力。

圖3 A/D按鍵Fig.3 A/D push button

對采樣結(jié)果的譯碼有多種方案：1）直接將采樣結(jié)果（8 bit）除以16，將其商調(diào)整后作為按鍵的編號?？烧{(diào)整連接電阻尾部的電位器來校正，或者在編程時將商進行校正。此方案的優(yōu)點是程序簡單，缺點是誤碼率較高，因為所串的電阻阻值存在個體差異，并非都精確等于200 Ω。不過可以用精度較高的電阻來實現(xiàn)，也可降低誤碼率。2）在硬件電路完成后，對每個按鍵都進行多次采樣，根據(jù)實際的采樣結(jié)果劃分每個按鍵的電壓范圍，一個按鍵對應一個采樣范圍，避開電阻不精確的問題，這樣就使得按鍵的準確度極大地提高，誤碼率非常低，缺點是程序稍顯復雜，要占用一定的程序資源。本系統(tǒng)采用的就是這種方案。

2.4.2 顯示屏

本系統(tǒng)采用GJ12864C型液晶屏，128×64個點陣，具有漢字及字符庫，支持串口和并口，為節(jié)省串口，利用單片機模擬串口，進行串行通信控制，用來顯示時間，開門信息提示，設置提示。

2.4.3 報警喇叭

報警喇叭用于在非正常開門時，發(fā)出報警信號。采用了一個報警鈴聲的模塊，并用三極管2N3904對其信號進行放大，來驅(qū)動喇叭。報警時電流較大，由單片機通過繼電器控制喇叭的開斷。

2.4.4 紅外傳感器

當門被打開時傳感器產(chǎn)生觸發(fā)信號，若同時用戶并未正確輸入密碼或刷卡，則單片機控制GSM模塊使之發(fā)送報警短信，喇叭發(fā)出報警聲。

在門中或門后加一個38 kHz調(diào)頻的紅外線收發(fā)對管，一個固定在門上，另一個固定在門框上。當門關(guān)上時，兩個在一條線上，接收管能夠接收到發(fā)射管的信號，當門被打開時，收發(fā)管不再一條直線上，則接收管不能接收到。采用38 kHz調(diào)頻的紅外線收發(fā)對管以增加其抗外界干擾能力。

3 單片機程序

3.1 AT指令

AT即 Attention，AT指令集是從終端設備（Terminal Equipment，TE）或數(shù)據(jù)終端設備 （Data Terminal Equipment，DTE）向終端適配器（Terminal Adapter，TA）或數(shù)據(jù)電路終端設備 （Data Circuit Terminal Equipment，DCE）發(fā)送的。 通過TA，TE 發(fā)送 AT指令來控制移動臺（Mobile Station，MS）的功能，與GSM網(wǎng)絡業(yè)務進行交互。單片機通過發(fā)送AT指令對GSM模塊進行收發(fā)的控制。例如：

串口輸入：“AT+CMGF=1 ”，由默認的PDU模式切換到TEXT模式。

串口輸入：AT+CMGS=“15008000000” “ ”， 發(fā)短信到15008000000。

串口輸入：“xxx......xxx1a”，發(fā)送的內(nèi)容是“xxx......xx”。

3.2 單片機總系統(tǒng)程序

采用富士通單片機專用的編程軟件SOFTUNE V3來進行單片機編程[6]，利用富士通單片機的專用適配器進行下載。此系統(tǒng)模塊較多，控制較復雜，應當按照功能或者使用情況編寫多個函數(shù)。例如對RF模塊和GSM模塊的讀寫都必須用單獨的函數(shù)來實現(xiàn)，因為這兩個模塊在讀寫時都有較為嚴格的時序要求，尤其是RF模塊，每發(fā)送一次控制命令之間都有嚴格的延時要求，延時不夠時易出現(xiàn)讀寫錯誤，延時太久，速度又太慢，故必須耐心進行調(diào)試。通過液晶屏顯示的提示信息必不可少，以方便用戶通過鍵盤進行系統(tǒng)設置，但提示信息要力求簡練，因為系統(tǒng)程序較為龐大，以節(jié)省系統(tǒng)資源。程序的大致的流程圖如圖4所示，密碼驗證有3種方式，刷卡要驗證卡號是否有對應的用戶，輸入密碼要驗證是否是對應用戶的密碼，密碼如果是通過手機發(fā)送的，在接收到短信時還要驗證手機號是否是對應用戶的手機號。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of system

4 上位機軟件

本系統(tǒng)是利用易語言開發(fā)的上位機軟件，防盜系統(tǒng)通過串口與PC機相連，上位機軟件的作用是方便管理員或用戶修改用戶信息，包括增加或刪除用戶，更改用戶名、密碼、手機號、IC卡以及管理員的信息。在上位機軟件打開前必須加上管理員登陸窗口，對登陸者的用戶名和密碼進行校驗，防止出現(xiàn)安全漏洞。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設計是基于GSM模塊和RF模塊，具有短信報警，及刷卡，密碼，短信3種開門方式的防盜系統(tǒng)。將GSM模塊的短信功能融入到防盜系統(tǒng)中，因而具有了短信報警功能，報警范圍不再受距離的限制，使得鎖更加安全、智能化。同時，管理員可以通過密碼登錄上位機程序，或者通過按鍵登錄系統(tǒng)，可自由設置開鎖方式，刷IC卡或輸入密碼，或同時都用；管理員可方便地進行用戶刪減，而不必換鎖；配置可以根據(jù)需要進行增減。為了進一步的應用，可將多個系統(tǒng)組成一個安全防盜體系，配合防盜攝像頭，通過上位機軟對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

[1]富士通微電子.MB95F204KPF-G-SNE2數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].（2009-04-10）[2010-05-20].http://edevice.fujitsu.com/fj/DATASHEET/e-ds/z712623.pdf.

[2]富士通微電子.MB95F204KPF-G-SNE2硬件手冊[EB/OL].（2009-04-10）[2010-05-20].http://edevice.fujitsu.com/fj/MANUAL/MANUALp/en-pdf/CM26-10123-1Z.pdf.

[3]北京易火眼科技有限公司.Contactless module selection guide[EB/OL].[2010-5-20].http://www.ehuoyan.com/download/module/DS_YHY522_EN.pdf.

[4]Philips Semiconductors.Mifare light Card IC MF1ICL10[EB/OL].[2010-05-20].http://www.nxp.com/acrobat_download/other/identification/m06212.pdf.

[5]李平，杜濤，羅和平.單片機應用開發(fā)與實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.

[6]富士通-復旦應用研究中心.F2MC-16 SOFTUNE V3快速入門手冊[EB/OL].[2010-05-20].http://www.edufujitsu.org/bbs/index.php?act=attachment&aid=15127.rar.