張超敏, 王雪嬌

江蘇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無(wú)錫機(jī)電分院 江蘇無(wú)錫 214028

1 設(shè)計(jì)背景

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們對(duì)住宅安全性和智能化的要求也越來(lái)越高。目前,多數(shù)住宅仍以防盜門(mén)、防盜鎖為主要防盜方式,在長(zhǎng)時(shí)間家中無(wú)人的情況下,防盜效果不盡如人意,且在火災(zāi)發(fā)生時(shí)增加居民的逃生難度。

全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣,基于GSM和STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)家庭防盜防火系統(tǒng),更適用于家庭、辦公室等場(chǎng)所的防盜防火。這一系統(tǒng)利用前端傳感器和GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò),以短信的形式實(shí)現(xiàn)防盜、防火、遠(yuǎn)程控制等功能[1-2]。

2 系統(tǒng)硬件框圖

STC89C52單片機(jī)是一種能耗低、速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的微處理器,是家庭防盜防火系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為液晶顯示模塊、矩陣鍵盤(pán)模塊、前端傳感器檢測(cè)模塊、GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊、語(yǔ)音錄放模塊。MQ-2煙霧傳感器和DS18B20溫度傳感器用于檢測(cè)室內(nèi)是否有火災(zāi)發(fā)生。被動(dòng)熱釋電紅外探測(cè)器檢測(cè)是否有人員非法入侵。當(dāng)警情發(fā)生時(shí),GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。語(yǔ)音錄放模塊模擬家中有人。液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù),可用作人機(jī)交互界面。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3 系統(tǒng)硬件電路

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC89C52單片機(jī)采用室內(nèi)5 V穩(wěn)定電源模塊供電,正常工作需要外接上電復(fù)位電路、時(shí)鐘電路,構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng),如圖2所示。復(fù)位電路的作用主要是對(duì)單片機(jī)相關(guān)寄存器和輸入輸出端口進(jìn)行初始化,復(fù)位的方式包括外圍按鍵復(fù)位和系統(tǒng)上電復(fù)位兩種。家庭防盜防火系統(tǒng)采用上電復(fù)位,原理是在單片機(jī)RESET引腳上接復(fù)位電容和上拉電阻,進(jìn)行上電復(fù)位。電源接通后,復(fù)位模塊會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式,需要在XTAL1和XTAL2兩引腳間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容構(gòu)成時(shí)鐘電路,微調(diào)電容的容量取30 pF,晶振的頻率取1.2 MHz～12 MHz。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.2 GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路

家庭防盜防火系統(tǒng)使用可用于GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的西門(mén)子TC35工業(yè)模塊,可以通過(guò)上位機(jī)控制收發(fā)短信[3-6]。GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)短信收發(fā),與上位機(jī)通信,包括串口下載電路和用戶識(shí)別模塊(SIM)卡電路。串口下載電路如圖3所示,采用 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)串口下載程序,將單片機(jī)輸出的晶體管-晶體管邏輯電平轉(zhuǎn)換為上位機(jī)可接收的符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的電平。此外,串口下載電路也可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的通信。MAX232芯片使用5 V單電源供電,具有自驅(qū)動(dòng)功能,與連接器對(duì)應(yīng)引腳連接時(shí),不需要添加外圍驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)需要注意對(duì)應(yīng)引腳連接無(wú)誤。

TC35工業(yè)模塊的24～29引腳為對(duì)接SIM卡的功能引腳,24～29引腳與SIM卡卡座的對(duì)應(yīng)端直接相連,SIM卡卡座的地端與單片機(jī)系統(tǒng)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(yǔ)音錄放模塊電路

語(yǔ)音錄放模塊采用獨(dú)立按鍵工作模式,通過(guò)按鍵控制錄音、放音,采用ISD1760語(yǔ)音芯片[7]。當(dāng)用戶長(zhǎng)時(shí)間不在家時(shí),可模擬家中有人,防止人員非法入侵。為保證效果,播放的語(yǔ)音必須清晰優(yōu)質(zhì),并且保證播放時(shí)長(zhǎng)。ISD1760語(yǔ)音芯片采樣頻率越高,錄音效果越好,錄音時(shí)長(zhǎng)則越短。ISD1760語(yǔ)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(shí)間較長(zhǎng)。STC89C52單片機(jī)只負(fù)責(zé)控制語(yǔ)音模塊的PLAY引腳播放預(yù)置語(yǔ)音,在系統(tǒng)布防前,需要預(yù)先將錄制的語(yǔ)音存儲(chǔ)于ISD1760語(yǔ)音芯片的電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器內(nèi)。當(dāng)用戶不在家時(shí),利用GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)P3.6引腳遠(yuǎn)程控制繼電器K1,K1控制PLAY按鈕播放預(yù)置錄音。語(yǔ)音錄放電路如圖5所示。

圖5 語(yǔ)音錄放電路

4 系統(tǒng)軟件

家庭防盜防火系統(tǒng)的軟件程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。為了便于修改和調(diào)試,采用模塊化設(shè)計(jì),編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)工具為Keil C編程軟件。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。系統(tǒng)上電復(fù)位,運(yùn)行初始化程序。初始化程序完成各端口模塊的初始化任務(wù),包括輸入輸出端口、液晶顯示器、定時(shí)器等。讀取室內(nèi)多點(diǎn)溫度、煙霧濃度,以及被動(dòng)紅外探測(cè)器火災(zāi)或入侵?jǐn)?shù)據(jù),進(jìn)入各子程序,將數(shù)據(jù)及時(shí)在液晶屏上進(jìn)行顯示。循環(huán)等待各子程序響應(yīng),前端傳感器模塊一旦檢測(cè)到異常情況,立即將報(bào)警數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警,并且將報(bào)警信息以短信形式通過(guò)GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送至用戶手機(jī),以便用戶及時(shí)處理。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

家庭防盜防火系統(tǒng)完成初始化后,MQ-2煙霧傳感器持續(xù)檢測(cè)室內(nèi)煙霧濃度,輸出0～5 V電壓模擬信號(hào),經(jīng)過(guò)AD0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片后,轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào),傳送至單片機(jī)。單片機(jī)將室內(nèi)煙霧濃度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)初始化時(shí)預(yù)存的臨界濃度值進(jìn)行比較,一旦煙霧濃度達(dá)到或者超過(guò)臨界值,檢測(cè)煙霧濃度子程序就會(huì)向主程序發(fā)送火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。主程序接收到報(bào)警信號(hào)后,調(diào)用報(bào)警子程序進(jìn)行聲光報(bào)警,并調(diào)用GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信子程序發(fā)送火警短信至用戶手機(jī)。

家庭防盜防火系統(tǒng)初始化完成后,被動(dòng)熱釋電紅外探測(cè)器持續(xù)檢測(cè)室內(nèi)是否有人員非法入侵。一旦有人入侵,探測(cè)器將發(fā)送入侵報(bào)警信號(hào)至單片機(jī)。主程序接收到入侵報(bào)警信號(hào)后,調(diào)用報(bào)警子程序進(jìn)行聲光報(bào)警,并調(diào)用GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信子程序發(fā)送非法入侵短信至用戶手機(jī)。

GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的重要模塊,當(dāng)前端各類火災(zāi)報(bào)警傳感器檢測(cè)到異常情況時(shí),T35工業(yè)模塊以固定格式發(fā)送火災(zāi)或入侵短信至用戶手機(jī)。短信內(nèi)容必須符合相關(guān)通信協(xié)議,用戶手機(jī)與單片機(jī)都可以接收短信,并可以編譯處理指令。

5 系統(tǒng)調(diào)試

GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊調(diào)試是系統(tǒng)調(diào)試最關(guān)鍵的部分。程序編譯完成后,借助串口調(diào)試工具檢驗(yàn)GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊是否能夠正常通信,并且對(duì)不同的報(bào)警信息進(jìn)行編碼、調(diào)試。在串口調(diào)試工具中,選擇匹配的串行通信口,并設(shè)置波特率為9 600 Bd。設(shè)置好后使系統(tǒng)上電,在串口調(diào)試工具中發(fā)送“AT+CMGF=0”字符指令,并將工作模式設(shè)置為協(xié)議數(shù)據(jù)單元模式。統(tǒng)一碼轉(zhuǎn)碼工具將TC35工業(yè)模塊需要向用戶手機(jī)發(fā)送的報(bào)警信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一碼。發(fā)送成功后,用戶手機(jī)上會(huì)收到TC35工業(yè)模塊發(fā)送的報(bào)警信息。

6 結(jié)論

筆者基于GSM和單片機(jī)設(shè)計(jì)了家庭防盜防火系統(tǒng),能夠滿足家庭或辦公室等場(chǎng)所對(duì)消防、安防的需求[8-11]。當(dāng)然,這一系統(tǒng)僅能通過(guò)短信方式報(bào)告警情,無(wú)法實(shí)現(xiàn)電話報(bào)警,語(yǔ)音錄放電路的錄放時(shí)間仍然較短,模擬室內(nèi)有人的效果有限。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展,遠(yuǎn)程防盜防火系統(tǒng)正在向智能化的方向發(fā)展。為了使警情得到快速處置,家庭防盜防火系統(tǒng)可以與小區(qū)物業(yè)管理中心聯(lián)網(wǎng),以便安保人員及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)處理警情,確保業(yè)主人身財(cái)產(chǎn)安全。