基于GSM和单片机的家庭防盗防火系统

张超敏, 王雪娇

江苏职业技术学院 无锡机电分院 江苏无锡 214028

1 设计背景

随着网络通信技术、电子技术和计算机技术的迅猛发展,人们对住宅安全性和智能化的要求也越来越高。目前,多数住宅仍以防盗门、防盗锁为主要防盗方式,在长时间家中无人的情况下,防盗效果不尽如人意,且在火灾发生时增加居民的逃生难度。

全球移动通信系统(GSM)无线网络覆盖范围广,基于GSM和STC89C52单片机设计家庭防盗防火系统,更适用于家庭、办公室等场所的防盗防火。这一系统利用前端传感器和GSM无线网络,以短信的形式实现防盗、防火、远程控制等功能[1-2]。

2 系统硬件框图

STC89C52单片机是一种能耗低、速度快、数据处理能力强的微处理器,是家庭防盗防火系统的核心。系统硬件设计分为液晶显示模块、矩阵键盘模块、前端传感器检测模块、GSM无线网络通信模块、语音录放模块。MQ-2烟雾传感器和DS18B20温度传感器用于检测室内是否有火灾发生。被动热释电红外探测器检测是否有人员非法入侵。当警情发生时,GSM无线网络通信模块实现远程通信。语音录放模块模拟家中有人。液晶显示模块实时显示系统数据,可用作人机交互界面。系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

3 系统硬件电路

3.1 单片机最小系统

STC89C52单片机采用室内5 V稳定电源模块供电,正常工作需要外接上电复位电路、时钟电路,构成单片机最小系统,如图2所示。复位电路的作用主要是对单片机相关寄存器和输入输出端口进行初始化,复位的方式包括外围按键复位和系统上电复位两种。家庭防盗防火系统采用上电复位,原理是在单片机RESET引脚上接复位电容和上拉电阻,进行上电复位。电源接通后,复位模块会自动产生复位信号,系统恢复到初始状态。系统采用内部时钟方式,需要在XTAL1和XTAL2两引脚间跨接晶体振荡器和微调电容构成时钟电路,微调电容的容量取30 pF,晶振的频率取1.2 MHz～12 MHz。

图2 单片机最小系统

3.2 GSM无线网络通信模块电路

家庭防盗防火系统使用可用于GSM无线网络通信的西门子TC35工业模块,可以通过上位机控制收发短信[3-6]。GSM无线网络通信模块电路的主要功能是实现短信收发,与上位机通信,包括串口下载电路和用户识别模块(SIM)卡电路。串口下载电路如图3所示,采用 MAX232电平转换芯片实现串口下载程序,将单片机输出的晶体管-晶体管逻辑电平转换为上位机可接收的符合RS232标准的电平。此外,串口下载电路也可实现上位机与GSM无线网络通信模块的通信。MAX232芯片使用5 V单电源供电,具有自驱动功能,与连接器对应引脚连接时,不需要添加外围驱动电路,同时需要注意对应引脚连接无误。

TC35工业模块的24～29引脚为对接SIM卡的功能引脚,24～29引脚与SIM卡卡座的对应端直接相连,SIM卡卡座的地端与单片机系统的地端接电容耦合。SIM卡电路如图4所示。

图3 串口下载电路

图4 SIM卡电路

3.3 语音录放模块电路

语音录放模块采用独立按键工作模式,通过按键控制录音、放音,采用ISD1760语音芯片[7]。当用户长时间不在家时,可模拟家中有人,防止人员非法入侵。为保证效果,播放的语音必须清晰优质,并且保证播放时长。ISD1760语音芯片采样频率越高,录音效果越好,录音时长则越短。ISD1760语音芯片采用7 kHz和10 kHz两种采样频率,这两种采样频率下播放的录音效果较为逼真,时间较长。STC89C52单片机只负责控制语音模块的PLAY引脚播放预置语音,在系统布防前,需要预先将录制的语音存储于ISD1760语音芯片的电擦除可编程只读存储器内。当用户不在家时,利用GSM无线网络通过P3.6引脚远程控制继电器K1,K1控制PLAY按钮播放预置录音。语音录放电路如图5所示。

图5 语音录放电路

4 系统软件

家庭防盗防火系统的软件程序采用C语言编写。为了便于修改和调试,采用模块化设计,编程语言的开发工具为Keil C编程软件。系统主程序流程如图6所示。系统上电复位,运行初始化程序。初始化程序完成各端口模块的初始化任务,包括输入输出端口、液晶显示器、定时器等。读取室内多点温度、烟雾浓度,以及被动红外探测器火灾或入侵数据,进入各子程序,将数据及时在液晶屏上进行显示。循环等待各子程序响应,前端传感器模块一旦检测到异常情况,立即将报警数据传送至单片机。单片机驱动蜂鸣器报警,并且将报警信息以短信形式通过GSM无线网络通信模块发送至用户手机,以便用户及时处理。

图6 系统主程序流程

家庭防盗防火系统完成初始化后,MQ-2烟雾传感器持续检测室内烟雾浓度,输出0～5 V电压模拟信号,经过AD0832模数转换芯片后,转换为数字量信号,传送至单片机。单片机将室内烟雾浓度实时数据与系统初始化时预存的临界浓度值进行比较,一旦烟雾浓度达到或者超过临界值,检测烟雾浓度子程序就会向主程序发送火灾报警信号。主程序接收到报警信号后,调用报警子程序进行声光报警,并调用GSM无线网络通信子程序发送火警短信至用户手机。

家庭防盗防火系统初始化完成后,被动热释电红外探测器持续检测室内是否有人员非法入侵。一旦有人入侵,探测器将发送入侵报警信号至单片机。主程序接收到入侵报警信号后,调用报警子程序进行声光报警,并调用GSM无线网络通信子程序发送非法入侵短信至用户手机。

GSM无线网络通信模块是实现远程控制的重要模块,当前端各类火灾报警传感器检测到异常情况时,T35工业模块以固定格式发送火灾或入侵短信至用户手机。短信内容必须符合相关通信协议,用户手机与单片机都可以接收短信,并可以编译处理指令。

5 系统调试

GSM无线网络通信模块调试是系统调试最关键的部分。程序编译完成后,借助串口调试工具检验GSM无线网络通信模块是否能够正常通信,并且对不同的报警信息进行编码、调试。在串口调试工具中,选择匹配的串行通信口,并设置波特率为9 600 Bd。设置好后使系统上电,在串口调试工具中发送“AT+CMGF=0”字符指令,并将工作模式设置为协议数据单元模式。统一码转码工具将TC35工业模块需要向用户手机发送的报警信息转换为统一码。发送成功后,用户手机上会收到TC35工业模块发送的报警信息。

6 结论

笔者基于GSM和单片机设计了家庭防盗防火系统,能够满足家庭或办公室等场所对消防、安防的需求[8-11]。当然,这一系统仅能通过短信方式报告警情,无法实现电话报警,语音录放电路的录放时间仍然较短,模拟室内有人的效果有限。随着互联网技术和电子技术的飞速发展,远程防盗防火系统正在向智能化的方向发展。为了使警情得到快速处置,家庭防盗防火系统可以与小区物业管理中心联网,以便安保人员及时赶到现场处理警情,确保业主人身财产安全。