基于ATmega128與GSM的家庭報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

引言
　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，防盜報警系統(tǒng)已從原來的簡單化、局部化向智能化、集成化發(fā)展。目前市場上常見的防盜報警系統(tǒng)的通信方式有固定電話撥號、寬帶網(wǎng)等。但是，利用固定電話撥號實現(xiàn)的報警器易遭受破壞并存在處于通話狀態(tài)時可能無法報警的隱患。而寬帶網(wǎng)同樣面臨著線路被切斷的隱患，且不易普及。
　　本文提出了一種借助可靠、成熟的GSM移動網(wǎng)絡(luò)，以最直觀的中文短消息或電話形式實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警和監(jiān)控的智能家居報警系統(tǒng)，來實現(xiàn)家居環(huán)境的安全監(jiān)控。它采用紅外傳感器進(jìn)行檢測，并配備煙霧傳感器和燃?xì)庑孤﹤鞲衅?，可實現(xiàn)防火、防燃?xì)庑孤┑淖饔?。帶有GSM網(wǎng)絡(luò)功能的安防系統(tǒng)，使用戶無論身在何處，都可以通過短信設(shè)防、撤防或查詢安防系統(tǒng)的情況。
　　系統(tǒng)的構(gòu)成及主要功能
　　該家庭防盜報警系統(tǒng)主要有GSM網(wǎng)絡(luò)模塊、紅外傳感器、燃?xì)庑孤﹤鞲衅?、煙霧傳感器、ATmega128單片機、聲光報警器和Flash存儲器等，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
　　系統(tǒng)的前端感應(yīng)器主要有防盜、防火和防煤氣泄漏等傳感器，根據(jù)需要選用并安裝在適當(dāng)?shù)牡胤?，用于收集非法入侵和危險信號并傳送給單片機；單片機負(fù)責(zé)接收、處理感應(yīng)器信號，判別是否有險情發(fā)生。單片機不斷對各種傳感器信號進(jìn)行檢測，如果檢測到高電平，系統(tǒng)控制GSM網(wǎng)絡(luò)模塊實現(xiàn)短消息報警，將報警信息通過GSM服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機上，同時根據(jù)需要啟動聲光報警器發(fā)出相應(yīng)的警報信號。如已實現(xiàn)小區(qū)聯(lián)網(wǎng)，同時還會給聯(lián)網(wǎng)中心的小區(qū)保安處發(fā)送報警信息；戶主還可以通過發(fā)送短信打開主機上的*話筒，進(jìn)一步確認(rèn)家中是否發(fā)生險情。本系統(tǒng)能有效地達(dá)到防盜、報警的目的。
　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計
　　ATmega128功能特性描述
　　本系統(tǒng)采用了Atmel公司的AVR單片機ATmega128作為控制核心。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega128具有如下特點：128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4K字節(jié)的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM、53個通用I/O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數(shù)器(T/C)、兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI 串行端口、I2C、與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口，以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。
　　GSM模塊的結(jié)構(gòu)及通信接口
　　GSM模塊采用的是西門子工業(yè)級GSM模塊TC35i，它可以快速安全地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的短消息服務(wù)(Short Message Service)。TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口等六部分組成。它設(shè)計緊湊，大大縮小了產(chǎn)品體積，與GSM2／2+兼容，符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，模塊的工作電壓為3.3~4.8 V，兼容雙頻（GSM 900/GSM l800）工作，具有RS232數(shù)據(jù)通信口。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸。TC35i有40個引腳通過ZIF連接器引出。
　　由于PC機的RS232電平與TC35i的電平不匹配，TC35i的串口通訊遵循RS232標(biāo)準(zhǔn)，所以通過串口的電平轉(zhuǎn)換電路MAX232可以實現(xiàn)PC機與TC35i的連接通信。本系統(tǒng)ATmega128單片機與TC35i之間通過串行口進(jìn)行通信，ATmega128與TC35i都是TTL電平，ATmega128工作電壓范圍是2.7~5.5V，TC35i工作電壓范圍是3.3~4.8V，可以直接加電阻連接，但一般要經(jīng)接口電路連接，接口電路用7407緩沖／驅(qū)動芯片實現(xiàn)，接口電路如圖2所示。
　　傳感器的選型及接口電路
　　防盜、防火、防燃?xì)庑孤┑劝卜拦δ鼙仨毎惭b相應(yīng)的傳感器才能實現(xiàn)。對于防盜傳感器，本設(shè)計采用紅外線反射型傳感器。
　　將紅外線反射型傳感器安裝在門窗的兩側(cè)或通道的位置，當(dāng)有人進(jìn)入時紅外線反射型傳感器就會檢測出來，給單片機送去高電平，啟動防盜報警系統(tǒng)工作。紅外線反射型傳感器甚至可組成對射的檢測系統(tǒng)，以提高控制范圍。紅外線反射型傳感器與ATmega128單片機接口電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
 
　　本設(shè)計選用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為燃?xì)庑孤﹤鞲衅?。它是利用待測氣體與半導(dǎo)體(主要是金屬氧化物)表面接觸時，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物性變化來檢測氣體。此外，本設(shè)計選用離子式煙霧傳感器（NIS-09C），它被廣泛運用到各種消防報警系統(tǒng)中，性能優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報警器。
　　存儲部件介紹
　　為了實現(xiàn)對預(yù)設(shè)電話號碼的存儲、報警信息的記錄、以及對中英文字符的字模點陣的存儲，本系統(tǒng)采用了能夠保證掉電數(shù)據(jù)不丟失的片外Flash存儲器AT24C1024。該芯片是一種I2C總線的存儲器，和MCU的數(shù)據(jù)通信只需要兩個引腳SDA和SCL即可，和通常的并行存儲器相比，可以大大節(jié)約MCU的端口引腳資源和PCB的布線面積。I2C閃存同單片機接口電路如圖4所示。AT24C1024使用二線制協(xié)議串行總線（I2C總線）及其傳輸規(guī)約進(jìn)行雙向傳輸。
　　GSM短信發(fā)送原理及流程
　　對TC35i的操作均采用AT指令，它包含了GSM語音和短信息的控制。為了支持中文短信，本設(shè)計中采用PDU模式發(fā)送和接收短信，漢字采用十六進(jìn)制Unicode編碼字符。短信模塊發(fā)送短信是由AT指令控制的，發(fā)送的短信格式有兩種：文本格式和PDU格式，前者只能發(fā)送字符和字母，而后者可發(fā)送字符、字母和漢字。為使用戶方便地讀取短信內(nèi)容，本文選擇采用PDU格式。發(fā)送采用8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗位，波特率19200bps。發(fā)送短消息的基本命令如下：
　　1、設(shè)置短消息服務(wù)中心地址AT+CSCA="+8613753485894"（太原）
　　2、設(shè)置短消息發(fā)送格式（0-PDU，1-文本）AT+CMGF=1；
　　3、發(fā)送短消息(短消息內(nèi)容為“test”)AT+CMGS="13753485896"(目的地址) >test^z
　　4、列出所有的短消息AT+CMGL=
　　“ALL”
　　5、讀取短信息內(nèi)容(Once more)，假設(shè)INDEX＝6，AT+CMGR=6
　　6、刪除短消息AT+CMGD=
　　發(fā)送短信息系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖5所示，首先初始化串口，利用AT指令檢查GSM模塊是否連接成功，如果成功接收單片機檢測到紅外、燃?xì)庑孤熿F等傳感器的高電平，則對相應(yīng)的高電平所反應(yīng)的信息按一定的編碼方式進(jìn)行編碼，再根據(jù)短信息中心號碼、接收短信息目的用戶號碼、編碼方式以及短信息有效期生產(chǎn)PDU格式數(shù)據(jù)。最后利用AT指令[AT+CMGS]來發(fā)送短信息到用戶手機上。
 
　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計
　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用AVR系列單片機的C語言編寫，軟件部分重點在于對傳感器報警信號的檢測和對TC35i短信模塊的控制。系統(tǒng)主程序及中斷程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)首先對單片機的串口、中斷和TC35i短信模塊初始化，ATmega128單片機不斷對其余傳感器接口電路的I/O口循環(huán)進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到有傳感器的開關(guān)量為1（高電平）時，則說明需要報警，開中斷進(jìn)入中斷處理子函數(shù)，中斷處理子函數(shù)完成對相應(yīng)防盜、防火、防燃?xì)庑孤┑仁录亩绦畔l(fā)送，同時啟動聲光報警器。利用ATmega128通過UART0串口通信向TC35i GSM模塊發(fā)送一系列AT指令，就能實現(xiàn)基于GSM 的短信息SMS的收發(fā)、查尋和管理。
 
 　　圖6 主程序及中斷程序流程圖
　　結(jié)論
　　本文論述了一種基于ATmega128和TC35i的短消息防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，證明使用TC35i短消息進(jìn)行報警是完全可行的，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)聲光報警的缺陷，為用戶提供了一種方便實用的家用防盜報警系統(tǒng)。本設(shè)計具有實現(xiàn)簡單、成本低、適用范圍廣、安全可靠等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。通過對功能模塊的增加或減少以及單片機固件的修改可以制作出其他場合的監(jiān)控防盜，比如汽車防盜、倉庫防盜液位報警等。

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM