毕业设计（论文）-无线家居安防报警系统.pdf

题 目 无线家居安防报警系统无线家居安防报警系统 学生姓名 雷升波雷升波 学号 1213024004 所在学院 物理与电信工程学院物理与电信工程学院 专业班级 通通 信信 工工 程程 专专 业业 1201 1201 班班 指导教师 魏魏 瑞瑞 完成地点 物物 理理 与与 电电 信信 工工 程程 学学 院院 实实 验验 室室 2016 年 6 月 5 日 毕 业 论 文 设 计 任 务 书 院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信 1201 班 学生姓名 雷升波 一、毕业论文设计题目 无线家居安防报警系统 二、毕业论文设计工作自 2016 年 1 月 10 日 起至 2016 年 6 月 15 日止 三、毕业论文设计进行地点: 物电学院南区实验室 四、毕业论文设计的内容要求： 随着社会的发展，人们生活条件的改善，人们对安全问题越来越关注了，尤其是在家居安全方 面。入室盗窃、煤气泄漏、火灾发生等情况时有发生，在家里安装安全报警装置是家庭安全保障发 展的趋势。本次要求学生设计一个集防盗贼入侵、防火、防灾等功能于一体的无线家居安防报警系 统。 本次毕业设计要求： 1.采用传感器采用复合式无线传感器实现对住宅的各种模拟信号(人体发出的红外信号、入 侵信号、烟雾浓度等)进行自动监测； 2.对监测到的信号实时处理，按照不同情况设定不同的警方式； 3.通过无线方式发送给发送报警信息到用户手机以及相关安防人员； 4.对设计方案进行软件仿真和硬件实现测试； 5.完成毕业论文。 本次毕业设计进度安排： 1 月 10 日3 月 1 日:理解课题查阅资料。 3 月 2 日4 月 1 日：提交英文翻译、整理并提交开题报告。 4 月 2 日5 月 1 日：完成系统的软硬件设计并进行期中检查。 5 月 2 日5 月 30 日：对软硬件系统联调，准备验收，提交毕业设计论文初稿。 6 月 1 日6 月 15 日：修改毕业设计论文和提交论文终稿并进行毕业设计答辩。 指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 无线家居安防报警系统 雷升波 （陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业 2012 级 1 班 陕西 汉中 723001） 指导教师：魏瑞 摘要:本设计是基于单片机的无线家居安防报警系统， 以 STC89C52 为控制核心。 整个电路采用模块化设计， 包括单片机最小系统、GSM 模块、温度传感器模块、热释电人体红外检测模块、烟雾浓度检测模块、报警电路模块。 该系统可以实现入侵报警、温度报警、煤气泄漏报警等功能。发生险情时，系统会产生声音报警，并发送短信进行通 知。经试验测试，该系统性能稳定，具有一定的应用价值。 关键词 单片机；无线安全报警；传感器 wireless home security alarm system Lei Shengbo (Grade 2012,Class1,Major of Communication Engineering ,School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,Shanxi) Tutor: Wei Rui Abstract: The design is a wireless home security alarm system base on micro-controller, this system is based on STC89C52. The circuit uses modular design, including micro-controller system, GSM module, temperature sensor module, body sensor module, smoke concentration detection module, and alarm circuit module. The system has the function of intrusion alarm, temperature alarm and gas leaking alarm. When the dangerous condition occurrs, the system will trigger sound alarm, and send text messages to inform the housemaster. The experiment result shows that the system is reliable and has certain application worth. Key words: micro-controller; wireless security alarm; sensor 目录 引言 . 1 1.系统方案设计 . 2 1.1 方案设计 . 2 1.2 方案方案选择 4 2.系统硬件电路设计 . 5 2.1 单片机最小系统 5 2.2 MQ-2 烟雾浓度传感器模块 6 2.3 温度传感器(DS18B20) 7 2.4 人体红外传感器模块 8 2.5 GSM 模块 . 9 2.6 报警模块电路设计 . 11 3.系统软件设计 13 3.1 主程序 . 13 3.2 GSM 模块软件设计 14 4.系统调试与分析 15 4.1 SIM900A 模块与串口调试助手调试 15 4.2 热释电人体红外传感器调试 16 4.3 MQ-2 传感器调试 . 16 4.4 DS18B20 传感器调试 17 5.结束语 18 致谢 19 参考文献 20 附录 A：外文文献原文 . 21 附录 B：外文文献译文 . 26 附录 C：源程序 30 附录 D：整体电路图 . 42 陕西理工学院毕业设计 第 1 页共 42 页 引言 随着我国科学进步的发展以及人们生活水平的日益提高， 越来越多的人们进入现代化住宅小区， 人们对小区住宅的防火、防盗也有了更高的要求。而在当前社会，手机已成为人们每日出门必带的 日常通讯工具，特别是 GSM 制式的手机已经进入了中国的每户家庭。基于此，本文设计了一种基于 GSM 模块的智能无线家居安防报警系统，该系统相比于传统的防盗系统能更好的对住户的家居安全 起到保障作用。它能实时通过自带的烟雾浓度检测模块、温度检测模块、人体热释电检测模块检测 住宅内部情况，一旦发生险情，此无线安防报警系统会发出声音报警及向用户发送中文报警短信， 以此来通知用户及时处理险情。 自 1984 年 1 月美国联合科技公司建立了首幢智能型大厦以来， 现在国外的智能家居在获得安防 报警这一功能外还有着更多广泛而实用的要求。 多年以前 4A 这个特征曾被韩国电信的数字化家庭系 统广泛引用。 4A 表达了这样一个特点:这套系统能让主人在无论何时、 无论何地都可以操作家里的任 意工具、获得任意服务 1。 而我国由于各方面的原因，智能家居的概念提出要晚于欧美发达国家十几 年，因此一直到 2000 年智能家居的概念才为国人所熟悉，在以后的 7 年中智能家居才逐渐走入了人 们大众的生活中。而后历经 10 年的发展，我国的智能家居安防技术已不逊于欧美国家，特别是我国 现在提倡大众创业，万众创兴以及互联网+等一系列科技创新举措并发展物联网等一系列新兴科技， 我国的智能家居安防产业已迅速发展起来 2。现今中国国内发展较好的智能家居品牌有海尔智能家 居、中国居然之家以及现在涌入的大批以互联网起家的巨头公司如 360、乐视集团、小米科技有限公 司等。特别是这些互联网公司的加入使得国内智能家居得到了迅速推广，并极大的拉低了同类型产 品价格，也使得越来越多的家庭能够用上智能家居，从而更好的为人们生活服务。 本次毕业设计论文章节安排如下: 第一章节： 为系统方案设计， 对各方案做出比较并选择本次设计所用的方案， 说明选择的理由； 第二章节：为系统硬件电路的设计，主要介绍了 STC89C52 单片机最小系统和各个传感器模块的 电路设计； 第三章节：为系统软件设计，主要介绍了系统主程序流程、GSM 模块软件设计流程； 第四章节：为系统调试与分析，介绍了各传感器的测试结果； 第五章节：为结束语，介绍了这一设计的一些优缺点以及后续改进方法。 陕西理工学院毕业设计 第 2 页共 42 页 1.系统方案设计 本设计为无线家居安防报警系统，其设计要求主要包括：采用各种传感器实现对家居住宅的各 种模拟信号（人体红外信号、烟雾浓度、温度等）进行自动监测；对采集到的信号能够进行实时处 理， 并按照不同的险情设置不同的报警方式； 险情信息要能通过短息方式发送给户主或者相关人员， 最终完成一个集防火、防盗贼入侵、防灾等功能于一体的无线家居安防报警系统。 1.11.1方案设计方案设计 方案一:基于单片机的无线家居安防报警系统的设计 该系统将以 STC89C52 单片机为核心，功能特点是具有较高的自动化技术以及其它的可扩展功 能，并且安全性、可靠性也较高。安防报警包括：火灾报警、煤气泄漏报警、防盗报警。无线家居安 防报警系统在入侵检测中采用主动式红外传感器检测，这样就将有形的传统防盗网变成了无形的科 技防盗窗，同时也给了人们在发生火灾时逃生提供了极大方便，并且报警系统中还添加了烟雾浓度 传感器、温度传感器来实现检测燃气泄漏、温度过高等险情。其系统总体结构设计框图如图 1.1 所 示。 图 1.1 基于单片机 STC89C52 的家居报警系统设计 本系统将对煤气泄漏，火灾发生和盗贼入侵进行实时监测，当无险情发生时，系统将进入实时 检测状态，各个模块正常工作。当有煤气泄漏、火灾发生或者盗贼入侵时，通过蜂鸣器报警器响， GSM 模块向用户发送报警短信通知 3，这两种方式报警。报警时，蜂鸣器报警将会持续 20s 左右，短 信发送一次后各个模块会继续进行检测，直到险情解除后，报警才停止。当然报警时也可以手动解 除，按下撤防键，布防就会停止。 方案二:基于 ARM9 的无线家居安防报警系统的设计 该设计中央处理器芯片采用三星公司推出的一款功能强大的 ARM9 嵌入式 CPU 4，应用范围非常 广泛，其核心为 Samsung S3C2440。TI 公司的 CC2430 协议栈模块作为无线通信部分，这是一款符 合 ZigBee 技术的 2.4GHz 射频系统芯片，适用于各种 ZigBee 无线网络节点。而对家居安防报警系 统的控制是用户使用移动电话通过 GPRS 网络实现的。该系统由五个模块组成，分别为传感器模 块、信号采集发送、接收模块、信号显示模块和报警模块，它的系统总体设计结构图框图如图 1.2 所示。 单 片 机 热释电传感器 气体泄漏传感器 温度传感器 GSM 模块 报警电路 用户终端 陕西理工学院毕业设计 第 3 页共 42 页 图 1.2 基于 ARM9 的无线家居安防报警系统的设计 方案三:基于 ZigBee 及 GSM 网络的轻智能家居安防报警系统的设计 基于 ZigBee 及 GSM 网络的轻智能家居安防报警系统也是采用模块化结构，它主要由 ZigBee 模 块、GSM 模块、PC 机控制处理中心、手机终端四部分组成。本系统采用 ZigBee 模块进行传感器数 据的采集 5，PC 机作为主控中心，负责各信息间的处理，手机作为远程监控的终端。该系统总体设 计结构框图如图 1.3 所示。 图 1.3 基于 ZigBee 及 GSM 网络的轻智能家居安防报警系统 用户终端 家 庭 网 关 家用 PC 机 GSM internet ZigBee 温度传感器 人体传感器 烟雾传感器 FFD RFD ARM9 手机 ZigBee ZigBee ZigBee GPRS ZigBee 温度传感 器 人体传感 器 烟雾传感 器 ZigBee 基站 无线网络 ZigBee 节点 陕西理工学院毕业设计 第 4 页共 42 页 1.2 1.2 方案方案选择方案方案选择 由以上各个方案中我们可以看出方案一使用 ATC89C52 系列单片机具备价格低廉，易于上手的 优势。再者方案一具有初次投资费用和使用维护费用低廉且易于操作、安全性高等特点，在一些对 操作和监控的控制性能以及其他特殊扩展功能要求不高的情况下具有很高的性价比。而且利用短信 对远程家居进行监测和报警，克服了 ARM9 控制系统的布局麻烦，设置成本高，不利于一些老年用户 群体掌握等缺点。若采用 ZigBee 技术进行无线通信，则会遇到 ZigBee 模块价格昂贵、通信距离短 等缺点，并且 ZigBee 模块由于低功耗等原因造成的通信距离短穿透性差这一缺点也不利于远程通 信。因此方案一相比于方案二、方案三更适合本次课题设计。 陕西理工学院毕业设计 第 5 页共 42 页 2.系统硬件电路设计 本设计采用模块化设计， 电路中包括单片机最小系统、 MQ-2 烟雾传感器电路、 温度传感器电路、 人体红外感应电路和报警电路。其硬件电路图见附录 D。 2.1 2.1 单片机最小系统单片机最小系统 本次设计中单片机最小系统包括 STC89C52 单片机、时钟电路和复位电路。其中 STC89C52 单片 机作为系统的中央处理器芯片，用来装载程序，处理各模块数据；复位电路用来给系统上电复位， 若程序在运行过程中跑飞或在运行过程中想要从头开始也可以按下手动复位键进行程序的复位工作； 时钟电路简而言之就是给本系统提供工作时钟源即确定单片机的运算速度。单片机最小系统电路图 如图 2.1 所示。 图 2.1 单片机最小系统 单片机 STC89C52 单片机是 STC 公司生产的低电压、低功耗、超强抗干扰的单片机6，相比 STC89C51 单片机来说，52 类型单片机的 RAM 扩大了一倍，电可擦可编程只读存储器也扩大了 1 倍，并且 STC89C52 单片机又增加了一个定时器，相比 C51 单片机来说在串行通信中也可以设置更高的波特 率，所以 C52 单片机是 C51 单片机的增强版，它可以完全兼容 C51 类型单片机的指令代码。本次设 计中，用到的单片机引脚包括：VCC（40）引脚：接直流电源+5V；VSS（20）引脚：用来接地使用； P0 口（32-39）引脚：既可以作为低 8 位地址总线和 8 位数据总线使用，也可以作为普通 I/O 口来使 用, 是双向 I/O 口；P3 口（10-17）引脚：是多用途端口，既可以按照每位定义的第二功能操作也可 以作为普通的 I/O 口来使用；P2 口（21-28）引脚：既可以作为高 8 位地址总线，也可以作为普通 I/O 口使用；P1 口（1-8）引脚：是准双向通用 I/O 口；RST（9）引脚：可以作为复位电路的接入端，也 是复位信号的输入端；ALE/PROG 引脚：地址锁存信号输出端；PSEN 引脚：内外程序存储器选择 陕西理工学院毕业设计 第 6 页共 42 页 线；XTAL1（19）和 XTAL2（18）引脚：作为时钟电路的接入脚，外接石英晶体振荡器。 时钟电路 时钟电路是非常重要的，它是最小系统的心脏，其控制着单片机的工作节奏。时钟电路即晶振 电路，它的工作原理是提供一个正弦波信号作为向单片机的基准，它可以决定单片机的运算速度。 单片机中作为反相放大器的输入和输出的引脚是 XTAL1 和 XTAL2。如果设置为片内振荡器作为系 统的反相放大器则 XTAL2 应接入，若是不想接 XTAL2 引脚则应采用外部时钟源作为驱动器件。单 片机的一个机器周期分为 6 个状态周期，并且 2 个振荡周期作为一个状态周期，所以 12 个振荡周期 为一个机器周期。本单片机中外接的石英晶体振荡器的振荡频率为 12MHZ，根据公式计算可以得出 它的一个振荡周期为 1/12us，这也是大家通常所使用的振荡周期。振荡电路中还需要接两个电容在 晶振的两端，它的作用是提高振荡电路的稳定性，根据 STC 公司的建议以及大家平常所使用的经验 来看，这两个电容的大小选在 10pf 都是可以的，本次设计是选择了两个 23pf 的电容。单片机时钟电 路如图 2.2 所示。 图 2.2 单片机时钟电路 复位电路： 复位电路接单片机的 RST（9）引脚，电路中使用一个 10uf 的电容和一个 10K 的电阻是为了使 RST 引脚上能接收到 2us 的高电平信号以便系统上电开机以及手动按键复位时能够引起响应，只有 这样单片机才能进行复位工作。单片机复位电路如图 2.3 所示。 图 2.3 复位电路 2.2 M2.2 MQ Q- -2 2烟雾浓度传感器模块烟雾浓度传感器模块 MQ-2 型烟雾浓度传感器在清洁空气中使用的气敏材料是电导率较低的二氧化锡。该气敏材料对 空气中的液化气、丙烷、氢气还有一般性的可燃气体的灵敏度都较高，作为一款家用以及工业使用 的可燃气体浓度监测传感器还是很理想的，也是极具性价比的。该模块的工作原理就是当传感器所 处环境中存在可燃气体时，它的电导率的变化会随着烟雾浓度的变化而变化，当烟雾浓度降低时， 其电导率也会相应降低，当空气中烟雾浓度提高时，它的电导率也随之增加。又该模块的电导率的 陕西理工学院毕业设计 第 7 页共 42 页 变化也就是其输出电阻的变化（电阻是电导率的倒数） ，从而改变输出的电压值。此烟雾浓度监测模 块的硬件电路也很好搭建，通常情况下一个很简单的电路就可以让传感器中电导率的变化（即电阻 的变化）转换为与该气体浓度相对应的输出信号。它的实物图如图 2.4 所示，内部引脚图如图 2.5 所示。 图 2.4 MQ-2 传感器实物 图 2.5 MQ-2 传感器内部引脚 特性: MQ-2 烟雾传感器输入的电压为直流 5V，电流为 150ma。该模块 DOUT 口输出 0.1V 作为低电 平，高电平为 5V。当 AOUT 输出低电平为 0.1V0.3V 时为相对无污染，其最高浓度电压 4V 左右。 该模块在待机时时，DOUT 口输出高电平，AOUT 电压基本为 0.1V 左右，当触发时，DOUT 跳变 低电平，AOUT 输出的电压随着气体浓度增大而增大；本设计通过 AOUT 连接 LM393 比较器与单 片机相连，就可以设置报警气体浓度值，通过比较两者电压值做为高低电平指示，使单片机可 以识别，由此来对检测气体浓度并报警。 模块引脚: （1）VCC：接直流电源正极（5V） ； （2）GND：接电源负极； （3）DOUT：TTL 开关信号输出； （4）AOUT：模拟信号输出。 2.32.3温度传感器温度传感器(DS18B20)(DS18B20) DS18B20 系列温度传感器是数字式温度传感器， 相对于传统的温度传感器来说它的精度高、 稳定 性好、电路简单、控制方便。实物图如图 2.4，温度传感引脚图如图 3.5 所示。DS18B20 直接输出数 字温度值不需要校正，且其内部具有温度报警触发器 TH 和 TL 所以 DS18B20 可以与单片机通过 DQ 脚直接进行相连就能做出报警指示。 图 2.4 温度传感器 图 2.5 引脚图 特性： （1）实际使用实现测温电路时并不需要外部元器件； 陕西理工学院毕业设计 第 8 页共 42 页 （2）测温范围广，可以测量的温度范围为55125，在低温方面远远超出了我们日常 生活的极限，在高温范围上又略显不足。它的最大精度能达到 0.0625； （3）只通过一条数据线即可实现通信； （4）每个器件上都会有独一无二的序列号，所以一条数据线上便可挂接很多个传感器； （5）内部有温度上、下限温度告警功能。 设计中为了更直观的显示温度数据，还增添了 4 位阳极数码管作为温度显示电路，其引脚连接 图如图 2.6 所示。 图 2.6 数码管显示电路 2.4 2.4 人体红外传感器模块人体红外传感器模块 本系统中人体感应模块是采用热释电人体红外传感器 HC-SR501 来测试的。 它是一种基于红外线 技术的自动控制模块。 该模块采用了 LHI778 探头作为检测探头， 它的特点是具有超低电压工作模式， 在干电池供电下也能够进行很好的工作， 因此功耗也较小， 并且还具有灵敏度高、 可靠性强等特点。 因此其能够广泛应用于各类自动感应电路装置中。热释电人体红外传感器的工作原理是利用热释电 效应，当其探头极化后并遇到红外辐射时，晶体表面的电荷就会发生转移从而产生电位差。在检测 外来人员入侵时，该模块探测目标物时是利用目标与背景物的温差来感知的。因为当人体红外辐射 照射到极化的热释电元件上时，红外感应源就会失去电平衡，向外释放电荷，产生了电位差，该电 位差会继续向外围电路输出。将此信号送到单片机，单片机处理后就能做出报警与否。其实物图如 图 2.7 所示，电路连接图如图 2.8 所示。 图 2.7 热释电人体红外检测模块实物图 陕西理工学院毕业设计 第 9 页共 42 页 图 2.8 人体感应模块电路图 特点： （1）全自动感应：输出高电平时显示为有人入侵，输出低电平时表示为无人员进入监测区域； （2）光敏控制(可选项):模块出厂时并没有设置此功能，只是预留了该功能的位置。若需要此 功能，则需要自己在该位置上焊接光敏电阻。设置了光敏控制后，可以选择为在光线较弱时开启入 侵检测功能。 （3）两种触发方式：默认为可重复触发模式。选择 L 方式为不可重复模式，选贼 H 方式为可重 复模式，需要切换两种模式时可以进行跳线选择。 不可重复触发方式(L):该触发模式下遇到感应时会输出高电平并持续一段时间用作报警信号， 但是高电平持续时间一结束其输出就会自动变为低电平并且不会在发生吧变化，即设置一次也就只 能检测一次。 可重复触发方式(H):该触发模式下遇到感应会输出高电平并持续一段时间，若人体在该时间 内依然停留在监测区，此状态下该模块会一直输出高电平信号作为报警信号。直到人体离开其检测 区它的高电平信号才会降为低电平信号，不输出报警信号。 （4）具有感应封锁时间(默认设置：34 秒)：此功能可以让该模块进行间隔探测，可以有效 抑制负载切换时产生的信号干扰。在封锁时间内，当第一次感应到人体并输出高电平信号然后在降 为低电平感应模块在每一次感应输出后(高电平变为低电平)，可以紧跟着设置一个封锁时间，在此 时间段内感应器不接收任何感应信号。 （5）工作电压范围广：工作电压直流 5V20V. （6）功耗小：适合干电池供电，静态电流只有 65 微安。 (7) 具有高电平信号输出：各类电路都可与其实现对接。 2.5 GSM2.5 GSM模块模块 SIM900A 是一个专为中国大陆和印度市场设计的 2 频的 GSM/GPRS 模块7， 它的工作频段为： EGSM 900MHz 和 DCS 1800MHz。SIM900A 支持 GPRS multi-slot class 10/ class 8（可选）和 GPRS 编码格式 CS-1, CS-2, CS-3and CS-4。此模块的尺寸只有 24mm x 24mm x 3 mm， SIM900A 采用省 电技术设计，在 SLEEP 模式下最低耗流只有 1mA。此外，该模块内嵌 TCP/IP 协议，扩展的 TCP/IP 命令让用户能够很容易使用 TCP/IP 协议，这些在用户做数据传输方面的应用时非常有用。 SIM900A 尺寸较小，几乎可以满足所有用户应用中的对空间尺寸的要求。该模块与用户移动应 用的物理接口为 68 个贴片焊盘，提供了模块和客户电路板的所有硬件接口：键盘和 SPI 显示接口； 主串口和调试串口；一路音频接口，包含一个麦克风输入和一个扬声器输出；可编程通用输入输出 接口8。SIM900A 的引脚图如图 2.9 所示，功能框图如图 2.10 所示。 陕西理工学院毕业设计 第 10 页共 42 页 PWRKEY 1 PWRKEYOUT 2 DTR 3 RI 4 DCD 5 DSR 6 CTS 7 RTS 8 TXD_O 9 RXD_I 10 DISP_CLK 11 DISP_DATA 12 DISP_D/C 13 DISP_CS 14 VDD EXT 15 NRESET 16 GND 17 GND 18 MICP 19 MICN 20 SPP 21 SPN 22 LINE_R 23 LINE_L 24 ADC 25 VRTC 26 DBG_TXD 27 DBG_RXD 28 GND 29 SIM_VDD 30 SIM_DATA 31 SIM_CLK 32 SIM_RST 33 SIM_PRES 34 PWM1 35 PWM2 36 SDA 37 SCL 38 GND 39 GPIO1/KBR4 40 GPIO2/KBR3 41 GPIO3/KBR2 42 GPIO4/KBR1 43 GPIO5/KBR0 44 GND 45 GND 46 GPIO6/KBC4 47 GPIO7/KBC3 48 GPIO8/KBC2 49 GPIO9/KBC2 50 GPIO10/KBC1 51 netLED 52 GND 53 GND 54 VBAT 55 VBAT 56 VBAT 57 GND 58 GND 59 RF 60 GND 61 GND 62 GND 63 GND 64 GND 65 STATUS 66 GPIO11 67 GPIO12 68 C31 SIM 900A 图 2.9 SIM900A 引脚图 其主要引脚功能如下： VBAT：3 个 VBAT 引脚专用于供电，SIM900A 是单电源供电芯片。电压范围 3.4V 到 4.5V。电 源必要能够提供足够的电流已保证在猝发模式时高达 2A 的电流。 GND：电源地端。 PWRKEY：用户可以通过拉低 PWRKEY 保持至少一秒然后释放来开启或者关闭模块。 PWRKEY_OUT：通过连接 PWRKEY_OUT 和 PWRKEY 一段时间然后释放掉，同样可以开启 和关闭模块。 MIC_P、MIC_N：音频输入正端和负端。 SPK_P、SPK_N：音频输出正端和负端。 STATUS：指示工作状态。 NETLIGHT：指示网络状态。 RXD：数据接收。 TXD：数据发送。 RTS：发送请求。 CTS：发送清除。 SIM_VDD：SIM 卡电源。 SIM_DATA：SIM 卡数据信号。 SIM_CLK：SIM 卡时钟信号。 SIM_RST：SIM 卡复位信号。 SIM_PRESE：SIM 卡检测信号。 陕西理工学院毕业设计 第 11 页共 42 页 图 2.10SIM900A 功能框图 功能特点： （1）键盘和显示接口可以满足用户各种应用。 （2）用户可以轻松地通过主串口和调试串口对 SIM900A 芯片进行调试和开发。 （3）具有音频接口，包含一个送话器输入和一个收话器输出。 （4）具有可编程的通用输入输出接口。 SIM900A 在与 3.3V-4V 单片机通信时可以直接将串口对应连接，此时，将 MCU 的 TXD 连接 到 SIM900A 的 SIMR,将 MCU 的 RXD 连接到 SIM900A 的 SIMT 上，GND 连接到 GND 上。若采用 5V 单片机对 SIM900A 模块进行控制时，则需要通过 MAX232 进行电平转换。正确连接电路后即可 对 SIM900A 模块进行调试了。上电后，D1 指示灯亮后，说明 SIM900A 已经工作。当网络信号指示 灯快闪时，说明 SIM900A 正在搜寻网络，正常情况下在 10S 内会慢闪（3S 灭，1S 亮） ，此时就可以 对模块进行操作，实现收发短信，GPRS 传输数据功能。SIM900A 接线引脚图如图 2.11 所示。 图 2.11 SIM900A 模块接线引脚图 2.62.6 报警模块电路设计报警模块电路设计 无线家居安防报警系统的报警电路如图 2.12 所示。用一个三极管来驱动蜂鸣器进行鸣叫报警。 用单片机的 P1.0 引脚来连接三极管的基极。 当高电平 1 从 P1.0 脚输出时， 三极管就会被导通从而驱 SIM900ASIM900A 串口接口串口接口 显示接口显示接口 天线接口天线接口 电源接口电源接口 可编程通用输入输出接口可编程通用输入输出接口 音频接口音频接口 SIMSIM 接接口口 陕西理工学院毕业设计 第 12 页共 42 页 动与集电极相连的蜂鸣器发出报警声音；当低电平 0 从 P1.0 脚输出时，三极管就会被截止蜂鸣器也 就停止发声。 图 2.12 报警模块接线电路 陕西理工学院毕业设计 第 13 页共 42 页 3.系统软件设计 本系统的软件设计采用流程图表示方式， 结构清晰完整。 以单片机作为主程序主体， 通过对 GSM 程序的编写，EEPROM 的初始化，完成全部程序的编写。 3.1 3.1 主程序主程序 主程序是实现系统功能的整体流程，它将指导所有软件的设计。程序首先完成初始化过程，使 各模块开始正常工作，各传感器采集险情信号，如果没有险情信号系统就继续监测，当有火灾发生 或有人闯入后系统就会进行报警，蜂鸣器声响，接着发送报警短信给预留的手机号码。若按下撤防 键，系统就会停止检测，否则系统会一直进行检测。流程图如图 3.1 所示。 图 3.1 主程序流程图 开始 系统初始化 各模块检测信号 是否有报警 信号触发 蜂鸣器声响 发送报警短信 结束 N Y 是否撤防 N Y 陕西理工学院毕业设计 第 14 页共 42 页 3.2 GSM3.2 GSM模块软件设计模块软件设计 进入系统初始化状态，STC89C52 单片机通过串口发送标准 AT 指令给 GSM 模块（SIM900A） ， 来进行调试并完成发送短信的功能设置8。调试过程中需要设定选择发送的短信格式，本次设计选 择的是文本格式即 PDU 格式(发送标准 AT 指令为 AT+CMGF=0)，然后发送 AT 指令设置收信方的手机 号码，最后写入发送短信内容，若没有选择成功则继续选择，确保短信内容输入到设备中后，就可 以发送短信。其流程图如图 3.2 所示。 图 3.2 GSM 模块软件流程图 开始 初始化 发送 “AT+CMGS= +8618220661114 发送 AT+CMGF=0 发送短信 收到 OK 收到 结束 N Y Y N 陕西理工学院毕业设计 第 15 页共 42 页 4.系统调试与分析 在本设计中，要对本系统进行各个模块的调试与分析，以便保证整个系统的任务达标和稳定运 行，这里要对 SIM900A、各传感器、单片机系统进行调试。 利用硬件平台和 PC 机的使用，将对 SIM900A 与单片机系统之间进行调试，测试 SIM900A 模 块能够成功发送短信，并能够通过单片机实现9。 在 SIM900A 和单片机调试成功后，要对报警电路进行测试，这里将主要测试传感器能否正常 工作。首先给予一定的触发条件，当热释电人体红外传感器探测到人体活动时，就可以触发防盗报 警，蜂鸣器响并发送“监测区有人入侵！请注意” ，当 MQ-2 烟雾浓度传感器探测到可燃气体泄漏 达到设定的浓度最高值时，蜂鸣器声响并发送“烟雾浓度过高！请注意” ，当 DS18B20 温度传感器 探测到环境温度高于设定的最高温度值时，蜂鸣器响并发送“温度过高请注意！请注意” 。在确定 可以正常触发报警后，就可以做一些微调达到系统最好的状态保证最后验收时的稳定。系统检测状 态时待机界面如图 4.1 所示。 图 4.1 系统检测状态 4.1 4.1 SIM900ASIM900A模块与串口调试助手调试模块与串口调试助手调试 采用指令 AT+xxx 加以完成 SIM900A 模块的通讯10。首先将具备 RS232 接口的 SIM900A 模块 利用 PC 机上的串口调试软件进行连接调试。 在 PC 机上进行短信设置时，步骤如下： （1）启动串口调试助手，设置波特率 19.2k，等待 SIM900A 应答。 （2）对话框发送“AT“，发送 AT 指令。 （3） “AT+IPR=XXXX 回车”可以设置波特率，一般设置在 9600。 （4）本设计短信模式使用 PDU 模式，这个模式可以发送中文信息。代码为“AT+CMFG=0 回 车” 。 陕西理工学院毕业设计 第 16 页共 42 页 （5）AT+CMGS=18 /发送短信内容长度 因为发送的是中文短信， 所以需要将中文转换为十六进制数表示， 这里将要用到汉字与 Unicode 码 的转换，如图 4.2 所示，可以将陕西理工学院这几个字转换为 9655 897F 7406 5DE5 5927 5B66 十六 进制代码。 图 4.2 汉字转 Unicode 码 （6）使用“AT+CMGD=1 回车”命令短信删除。 （7）使用“AT+CSCS=GSM ”设置当前字符集为 GSM 模式。 （8）使用“AT+CMGS=+8618220661114 ”写入收信方的手机号码。 （9）输入要发送的内容“4F60597D 回车” 。 （10）回复“+CMGS:215 OK” 表示发送成功。 4.24.2热释电人体红外传感器调试热释电人体红外传感器调试 对热释电红外传感器进行距离分析，完成人体红外测试分析。热释电人体红外传感器通过对人 体红外的探测，引起传感器报警动作，此时伴随着蜂鸣器报警 20s 左右，并且黄灯点亮一次表示给 预留的手机号发送预警消息，在手机终端可以接收到报警短信。如图 4.3 所示。 图 4.3 防盗报警显示界面及短信界面 分析：因为热释电人体红外检测模块有较高的灵敏度会引起误报，所以分析如何避免引进干扰 信号进行误报是非常有必要的。查阅资料发现该模块会受到强光的干扰，因此该模块表面的透镜应 尽量避免光源的直接照射或者其它干扰源近距离的照射。此模块还会受到一些流动的风的干扰，所 以该模块的使用环境也应尽量避免流动的风。为了保证有效响应，探头方向也应于事物活动的方向 相平行。 4.3 4.3 MQMQ- -2 2传感器调试传感器调试 对 MQ-2 传感器进行灵敏度分析，完成烟雾浓度测试分析。将 MQ-2 预热约两分钟后，将打火 机靠进 MQ-2 传感器，使打火机出气，但是不点燃，当气体浓度超过设定值时将进行煤气报警。此 时蜂鸣器也会持续报警 20s 左右。此时也会伴随着黄灯点亮一次发送报警信息给预留的手机号，在 手机终端可以接收到报警短信。如图 4.4 所示。 陕西理工学院毕业设计 第 17 页共 42 页 图 4.4 煤气报警显示界面及短信界面 分析：根据传感器调试的过程，以及查阅该模块的工作手册，发现要使该模块测量的烟雾浓度 数据准确且稳定，就必须先让传感器通电预热 20s 左右。该传感器轻微的发热属于正常现象，因为 其内部分布有电热丝。但是发现传感器烫手就属于不正常现象了，需要检查电路是否正常连接。 4.4 DS18B204.4 DS18B20传感器调试传感器调试 对 DS18B20 传感器进行温度分析，完成温度报警测试分析。将 DS18B20 预热约两分钟之后， 将打火机靠进 DS18B20 传感器，点燃打火机，观察数码管上的温度示数，当温度超过预定的最高 温度值时，就会触发蜂鸣器报警，直到温度低于最高温度限制才解除报警。蜂鸣器报警时，GSM 模块也会发送预定短信给预先设置的手机号发送报警提示。如图 4.5 所示。 图 4.5 火灾报警显示界面及短信界面 分析：根据传感器调试的过程，DS18B20 温度检测模块适应性好，因此主要注意正常工作电 压就好。 陕西理工学院毕业设计 第 18 页共 42 页 5.结束语 本设计首先从对系统方案设计开始，通过对比选取了 GSM(SIM900A)无线通信模块、温度传感 器模块、中控芯片 STC89C52、红外热释电模块等，完成了基于 GSM 无线家居安防报警系统的完整 设计。根据毕业设计的基本要求，本设计要求能够实现对火灾和可燃气体泄漏以及有人入侵的检测 与报警。本次设计切实考虑了普通家庭防盗的基本需求，针对家居安防的主要问题而设计了相应的 检测方法与报警方式。通过本次毕业设计，让我重新将四年所学知识进行了整理与归纳，并且新学 习了诸如 GSM，传感器等新的领域知识，不仅将提高了我的知识层次，也对更好认识现代技术有了 指引作用。在此期间的查找资料、电路设计、电路调试，整个过程都对我有了极大的启发。在毕业 设计中，我也和不少同学进行了沟通和相互学习，让我们互相都有了不少进步。当然，本设计中也 存在着不少的问题，例如：报警信息的发送只能通过短信发送而不能进行语言报警；运用 GSM 模块 解决无线通信问题在技术上不够先进，毕竟现在全球范围内 4G 通信技术已经普遍应用，使用 GSM 的 2G 网络使本设计不能使用中国电信的电话卡，会给一些用户带来了很大的不便。 陕西理工学院毕业设计 第 19 页共 42 页 致谢 大学四年的生活将随着五个月的毕业设计结束而完结，回首望去，四年如白驹过隙，但是在这 四年里我也学会了很多，不仅仅是书本上的知识，还有与人相处的道理。感谢我的指导老师魏瑞老 师，在指导我毕业设计期间，魏瑞老师工作细心严谨，对待我们也很和蔼让我放下了一开始的紧张 和担心。在这里我要向魏老师道一声您辛苦了！ 感谢陪伴我大学四年的同学们，感谢我的舍友在这四年来能够在生活上包容我，学习上督促我 四年时间我们相互勉励，相互进步，让我难以忘记。在这次设计中，我也遇到不少的问题，感谢同 学们给予的相关帮助。 感谢物理与电信工程学院的所有老师，是他们精心的栽培为我以后的学习工作打下了坚实的基 础。 陕西理工学院毕业设计 第 20 页共 42 页 参考文献 1科学时代 -电视,家庭网络大管家韩国构筑未来 e 家庭-2004. 2Baumgartner J .Welcome tot heSmart HomeJ.Cahners Business Information. 3何静.基于 GSM 网络的家居安全防盗报警系统的设计J.科学创新导报 2009（1） ：2223. 4张维昭.基于 ARM9 的温湿度智能网络监控系统设计D;西北师范大学;2011 年. 5郑娟毅.基于 ZigBee 技术的家庭 WSN 及远程控制研究J;电视技术;2010 年 04 期. 6宏晶科技. STC89C51RC 单片机官方技术资料EB/OL. http:/www.mcu- 7王明新.基于 SIM900A 的 GSM 远程监控系统设计J;电脑知识与技术;2014 年 15 期. 8沈中阳.基于 GSM 移动通行短消息业务(SMS)的无线应用服务J.湖南通信技术，2000,1:33-34. 9余肖勇,杨邦荣,勇张;基于 GSM 监控远程目标的关键技术与应用J;企业技术开发;2005 年 03 期. 10Siemens.AT Commands for GSM Engine TC351DB/OL. 陕西理工学院毕业设计 第 21 页共 42 页 附录附录A:外文文献外文文献原文原文 Developing a module-based security system for an intelligent home Abstract: The security system in a workplace or home is important to human life. Unlucky events are often caused by the negligence of humans. We have developed a module-based security system for home a