（机械制造及其自动化专业论文）基于gsm网络的安防系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文设计了一种基于g s m 网络的安防系统。该系统主要由主控系统( m c u ) 、 前端传感器( 振动传感器、角度传感器、加速度传感器、力传感器、声音传感器和图像 传感器等) 、执行器、电源模块、g s m 通信模块以及计算机接口模块等组成。 随着人们生活水平和科技的进步，越来越多的家电产品和高档消费品进入了人们的 生活，但随之而来的除了方便人们的生活外也使得家居的安全防范成为一件棘手的问 题。而且盗贼的盗窃手段也越来越高明。所有的这切都呼唤出现种智能安防系统， 既能够监控防范家居的各种安全隐患，也能够起到很好的防盗作用。 本文介绍的基于g s m 网络的安防系统正是基于此目的而研制开发的。该系统主要 是利用前端传感器采集现场的各种信号，这其中包括各神设备的运行状态信息、环境信 息以及各种声音和图像信息。对传感器采集到的信息通过单片机处理提取其中有用的部 分，通过一定的决策算法，最终决定是否应该发送报警信息或者执行防范动作。报警信 息通过g s m 模块以短信息、语音或者其它形式发送到用户的手机终端上。这样用户便 可以及时地了解现场的各种信息，用户也可以通过手机短信息的方式，以预先设定好的 指令来访问现场备种设备的状态信息或者控制现场设备执行防范动作，从而实现了一种 双向的主动和被动相结合的安全防范系统。此外系统的各种参数可以由短信息方式设 定，也可以通过系统u s b 接口即插即用的连接到个人电脑，通过应用软件很方便的设 定。 本文设计的基于g s m 网络的安防系统，技术先进、应用灵活、扩展性好、使用方 便，为家居、车辆等安防系统设计提供了一套切实可行的参考设计。 关键词：安防系统；单片机：g s m 网络；短信息；u s b 接口；图像传感器 基于g s m 网络的安防系统研究 r e s e a r c ho n s e c u r i t y a n dd e f e n s e s y s t e m b a s e do ng s m a s e c u r i t ya n dd e f e m s es y s t e mb a s e do ng s m i sd e s c n i b e di nt h i sp a p e r t h i ss y s t e m c o n s i s t so fr o a mc o n 打o ls y s t e mo t c u ) ，s e n s o r s 州f b r “0 ns 黜o r , a n g l es e n s o r , a c c e l e r a t i o n s e n s o r , f o r c es e n s o r , v o i c es e n s o ra n di m a g es e n s o r ) ，a c t u a t o r , p o w e rm o d u l e ，g s mm o d u l e ， c o m p u t e r i n t e r f a c em o d u l ea n ds oo i l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e o p l e s l i v i n l n g s t a n d a r da n dt e c h u o l o g y , m 饿a n dm o r e e l e c t r i c a lh o m ea p p l i a n c e sa n dl u x u r yg o o d sh a v ea 醯喇p e o p l e sl i f e , b u tt h ef o l l o w i n go n e ： m a k e st h es a f ep r e c a u t i o no f h o m eb d 3 0 m et h eh e a d a c h eb e s i d e sf a c i l i t a t i n gp e o p l e sl i f e a n d t h er o b b e r sm e a n so fs t e a l i n gi s 雠a n d m o s o p h i s t i c a t e d a l la l lt h e s ei si t 叩p e a ro n e i n t e l l e c t u a ls e c u r i t ya n dd e f e n s es y s t e m , c a ni si tt a k ep r e c a u t i o n sa g a h 3 s tv a r i o u sk i n d so f p o t e n t i a l 咖h a z a r d so fh o u s et oc o n t r o la l r e a d yt oc a l l ，c 趾p l a yv e r yg o o dt h e r - p r o o f f u n c t i o nt o o a s e o n f i t ya n d d e f e n s es y s t e mb a s e do ng s mh a sb e e n d e v e l o p e dj u s tf o rt h ep u r p o s e m e n t i o n e da b o v e t b i ss y s t e m m a i n l y u t i l i z e sv a r i o u sk i n d so f s s o 幅g a t h e r i n gl o c a ls i g n a l s t h a ti n c l u d es t a t u si n f o r m a t i o no f o p e r a f i o no f d i f f e r e n te q u i p m e n t e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n , s o u n da n di m a g ei n f o r m a t i o n g hc e r t a i nd e c i s i o na l g o r i 衄t h em i c r o c o n n o l l e rm a n a g e s a n dp i c k su pt h eu s e f u lp a aa m o n gt h ei n f o r m a t i o nt h a th a sb e e ng a t h e r e db ys e n s o r s ，t h e n d e t e r m i n ew h d d l e ri ts h o u l ds e n dw a r n i n gm e s s a g eo rc a r r yo u td e f e n c ea c d o n ；w a r n i n g m e s s a g e w i l lb es e n tt o 蝴p h o n e si ns h o r tm 鹪s a g e ，v o i c ec a l lo ro t h e ff o r m sb yg s m m o d u l e i nt h i sw a yu s e 菇c a na c q u i r ev a r i o u sk i n d so f l o c a li n f o r m a t i o ni nt i m e u s e r sc a na l s o v i s i tl o c a le q u i p m o n ts t a t u si n f o r m a t i o n so rc o n t r o li tt oc a r r yo u td e f e n s ea c t i o n sb yt h eo r d e r s o tb e f o r e h a n di ns h o r tm e s s a g e t h u sak i n do fb i d i r e c t i o n a ls e c u r i t ya n dd e f e n s es y s t e m s y 班勰她i n i f i a f i v e n e s sa n dp a s s i v e n e s sh a sb e e nr e a l i z e d i na d d i t i o n , p a r a m e t e r so f t h e s y s t e mm a y b es e tb ys h o r tm e s s a g ea n d a p p l i c a t i o ns o r w a r et h r o u g h u s bi n t e r f a c e s e c u r i t ya n dd e f e n s es y s t e m b a s e do ng s mi nt h i sp a p e ri sa d v a n c e d ，f l e x i b l e ，e x p a n s i l e ， e a s y t ou s e , a n dc a l lo f f e ras e to f f e a s i b l er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no f s u c hs e c u r i t ya n dd e f e n s e s y s t e m a st h e h o u s e ，v e h i c l e , e t c k e yw o r d s ：s e c u r i t y a n dd e f e n s es y s t e m ；m i e r o c o n t r o h e r ；g s mn e t w o r k ；s h o r t m e s s a g e ；u s bi n t e r f a c e ；i m a g e s e n s o r 一一 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，全国各地众多的现代化小区如雨后 春笋般涌现，各种高档用品( 如汽车) 也大量进入人们的生活。但各种不安全因素也不 断出现，一方面是各种家用设备所存在的安全隐患( 如火灾、煤气泄漏) ，另一方面是 人为的恶意侵犯( 如盗窃、抢劫等) ，所有的这些都对人们的正常生活造成了不良影 响，所以需要设计实现一种智能的安防系统来最大限度的减小因此而产生的损失。 1 1 安防系统的国内外发展状况 在网络经济时代的太潮中，安防建设显得越来越重要，国内外的许多大公司已进入 了该领域，如微软公司投资一家i l r a n 公司，专业从事家庭安防和家庭自动化方法的开 发设计；i b m 公司与建筑商合作，为用户提供装备有先进的安防系统的智能化住宅。美 国联邦政府和以i b m 、a t & t 等大型i t 民间企业为首，投资4 0 0 0 亿美元，为全国5 0 0 万个小区和9 0 0 0 个家庭提供全面的小区和家庭的安全防护和信息服务。 “安全技术防范”作为一个专业领域，在国内已经经历了= 三十年的发展历程。它 的发展历程分为三个阶段；1 9 7 9 1 9 8 3 年为起步阶段；1 9 8 4 - 1 9 9 6 年为发展阶段；1 9 9 7 年后为提高阶段，即探索安全技术防范的发展规律和方向的阶段。近两年来，安防业又 有了迸一步的发展。【1 】 1 1 1 安防行业的产业现状 1 】 我国安防行业是随着社会主义市场经济的发展逐渐成长起来的，改革开放以来，在 国民经济迅速发展，人民生活水平日益提高的推动下，安防行业呈现了一个蓬勃发展的 势头。尤其是九五期间，我国住宅产业异军突起，极大的促进了安防行业产业规模的扩 大。1 9 9 8 年起年产值近1 0 亿元的安防企业集团上市公司不断涌现。迄今，已有专营或 兼营的从业单位数千家，产品种类发展到l o 余大类，1 0 0 多个品种，从业人员数万 人。 目前，安防产品在市场结构方面呈现出三个特点：第一是地区分布不均匀。北京、 上海、江苏、浙江、广东和山东六省市的安防企业占一半左右。第二是安防产品差别不 大，国内安防产品企业，生产同类产品的差异性不大。这意味着产品容易替代，垄断程 度低。第三是在市场进入障碍上呈现劣势。安防产品是境外企业竞相进入的热点，进入 障碍的高低，影响着市场内已有企业的优势大小。境外安防产品的成熟度比中国至少早 基于g s m 网络的安防系统研究 2 0 - 3 0 年，就电视监视设备而言，在中国市场上日本产品占有率为4 5 ，美国产品占有 率为2 5 ，台湾产品为2 0 。 安防产品在市场行为方面也具有三个特点：第一是价格竞争力不强。由于卖方众 多，市场透明度较差，价格定位使企业间相互制约，形成了国外产品价位高出国内产品 的l 3 倍的局面。第二是产品发展不平衡。在1 9 0 0 多家企业生产的7 类产品中，防盗 类的企业占6 5 ，而入侵探测器企业只占o 5 。第三是产品销售不畅。销售组织在围 绕扩大市场份额，增加利润，为企业开辟渠道，建立大规模销售及其信息网络方面，受 到现有企业规模，外来经营产品和企业类型等多方面因素的影响。 1 1 2 安防行业的应用现状【l 】 安防行业的应用范围在不断扩大。安防行业发展的二十多年，也是安肪行业应用不 断扩大和成熟的时期。归纳总结安防行业发展的三个历史阶段，主要是以安防行业应用 为分析特征的。在1 9 7 9 年到1 9 8 3 年的起步阶段，安防行业的应用范围很有限，主要限 定在非常重要和特殊的单位和部位。当时的典型安防工程是故宫博物院工程和天安门的 监控工程。1 9 8 4 年到1 9 9 6 年的发展阶段中，安防行业的应用以内部保卫为重点，广泛 发展到重要单位和要害部位。各级公安机关更加重视安全防范工作加大了对主要单 位、要害部位的安全防范力度，像金融系统、文物系统、军工、邮政等重要单位的安全 防范工程应用建设。1 9 9 7 年后的安防行业的应用范围发生了巨大的变化，已由重要单 位、要害部门的防范发展到商业、学校、社区、家庭等社会各方各面。 安防行业的应用水平在不断提高。随着科学技术的发展，特别是信息网络技术的飞 跃发展，极大的促进了安防技术的发展，提高了安防行业的水平。9 0 年代初期开始， 安防行业的应用就已经开始由单一技术，单项工程向着系统集成的方向发展。9 0 年代 中后期，安防行业的应用又显示了网络化的发展趋势，安防产品的高科技含量和安防工 程的系统集成度都得到显著提高，安防行业的服务功能也在不断增强。 1 1 _ 3 国内外在安防系统及g s m 网络应用方面开展的工作 由于安防系统在各个方面的广阔应用前景，国际上有不少的组织和机构在这方面做 了大量的研究工作。由于本文介绍的安防系统设计是以g s m 网络通信为基础的，所以 在下面的介绍中也包含有关于无线数据采集和无线监控方面的研究。 国外关于智能家居安防系统或者智能家庭网络中心的研究大多数集中在以i n t e m e t 网络为核心的基础上。他们通过i n t e m e t 的t c p i p 协议连接各种家用设备，或者自己构 建一种新型的通信协议来实现现场设备的互联，然后通过统一的接入设备连接到 i n t e m e t 网络。文献 2 中提n t 一种使用g s m 短信息，并在此基础上构建起一种新的接 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 口，他们称之为s m c i ( s h o r tm e s s a g ec o m m a n di n t e r f a c e ) ，其本质上是利用g s m 网 络短信息实现了一种远程设备连接的接口。在文献中提到s m c i 远程终端可以访问中心 的p c 或者服务器。并且在这个基础上实现了种家庭网络平台构架。如图1 1 所示， 是文献 2 】中提到的家庭网络服务中一t = i , ( h n s c ，h o m en e t w o r ks e r v i c ec e n t e r ) 。其中h n s m 是家庭网络服务管理系统( h o m en e t w o r ks e r v i c em a n a g e m e n t ) ，h n c i 是家庭网络命令接 口( h o m en e t w o r kc o m m a n di n t e r f a c e ) ，r s t l 是可靠短信息处理层( r e l i a b l es m s t r a n s a c t i o nl a y e r ) ，s m t l 是短信息处理层( s h o r tm e s s a g et r a n s a c t i o nl a y e r ) 。这样移动 用户便可以通过短信息接入整个h n s c ，由r s t l 和s m t l 来处理各种短信业务逻辑， 最后由h n s m 接入到中心的各种信息服务。虽然该系统可以实现各种复杂的业务逻辑 和功能，但是其信息处理中心是依赖于个人电脑或者工作站的，而且整个系统造价高 昂、维护复杂，要真正的在民用中推广会有一定的难度。 m o b i l eu s e i $ l a p p l i c a t i o n s l l r s t l a y e r l s m t l l h n s c 图1 1 家庭网络服务中心框架图 f 艳1 1t h e f r a m e w o r ka r c h i t e c t u r eo f h n s c 国际上关于家庭安防系统的研究不仅局限于安防这个层次上，而是更热衷于家屠自 动化的研究。但是从本质上来说，家居的安防系统和家居自动化系统可以整合成为一个 系统，所以在家居自动化和网络化【3 】方面的研究完全可以用在家居智能安防系统上。通 过家居自动化系统，我们可以利用远程控制实现灌溉花木、开关灯、调解室内温度等等 操作 4 】。同时也可以监控家内的各种设备的运行情况，及早的发现安全隐患 4 。而对 于家庭现场的远程控制则可以通过多种方式实现，包括手机、智能终端、i n t e r n c t 网络 4 】 等等。对于家庭内部的组网形式有蓝牙协议 5 】或者直接通过微控制器连接各种传感器和 执行器等。文献【6 】提出一种基于i n t e r n c t 平台的家庭看护和自动化系统。系统通过个人 电脑接入i n t c m c t 实现远程监控。现场部分通过电脑的r s 2 3 2 接口连接各种监控设备。 3 基于g s m 网络的安防系统研究 这个系统实现了数据采集、声音采集、图像采集、状态监控等功能，这些功能都以w e b s e r v i c e 的形式通过个人电脑向i n t e r n e t 上发布。对于基于蓝牙协议构建的家庭自动化系 统，家居内各个部分使用蓝牙协议互联，最后通过一个家庭服务器( 个人电脑或者服务 器) 连接到i n t e r a c t 实现远程控甫f j s 。 无线互联、远程控制和远程数据采集也是这个领域中的研究热点。它们主要集中在 g s m 网络 7 1 、n t c m c t 网络 4 ，6 ，8 】以及o v s 9 等方面。国外在远程数据采集方面的研究 主要包括远程医疗系统 1 0 ，1 1 ，1 2 ，1 3 、电力变压器监控 1 4 】、车辆跟踪【9 】、空气质量监控 1 5 ，16 1 、执行器和传感器网路组逝1 7 、水污染监控【8 】和热量表系统【1 8 】等。要实现远 程数据采集和监控，首先要解决的问题是数据的传输问题。对于i n t e r a c t 网络来说，数 据传输不是问题。而对于g p s 来说，就不可能实现远程数据传输，所以g p s 网络常常 和g s m 或者c d m a 1 9 蕊j 络联合使用。g p s 用来采集定位信息，g s m 用来传输定位信 息 9 】。对于g s m 网络，最常用的数据传输方式是短信息，此外还有数据呼n q 1 1 和 o p r s 7 。对于短信息方式，由于每条短信息最多只能传送1 4 0 字节的数据 2 0 ，所以 适于少量数据传输的场合。如果利用g s m 的数据呼叫业务，则传输速率可提高到 9 6 k b p s ，如果使用g p r s 业务，则传输速率有望达到1 4 4 k b p s 1 0 。这样就可以用于语 音、图像等较大数据量的传输。远程医疗系统是g s m 网络应用的一个熟点。远程医疗 系统主要是实时监控病人的生理状态信息，例如血压、体温和心电图等【1 2 ，1 3 】。患者的 各种信息的采集是靠病人随身携带的装置上的传感器实现的，该装置通常带有单片机， 单片机对传感器采集的信息进行处理，然后通过g s m 系统短信息或者数据通信方式发 送到远程医疗中心。远程医疗中心对病人的信息进行处理，这样便可以及时地发现情况 及早治疗【1 2 ，1 3 】。 与国际相同步，国内在安防系统以及g s m 远程数据采集和远程监控方面也作了很 多工作。研究工作主要集中在防盗、远程数据采集、远程监控和无线定位定等诸多方 面。在众多的应用中，人们大多数采用了g s m 模块来接入g s m 网络。关于g s m 模块 的应用前景，人们提出，目前该无线模块主要的应用领域，包含三大方向：( 1 ) 移动应用， 如个人数字助理、智能型手机、上网板、及笔记型计算机；( 2 ) 汽车应用，如卫星定位 系统、交通控制系统、车队管理系统、汽车保安系统等：( 3 ) 工业用途，如无线公用电 话、远程监控系统、用户保安系统、远程仪器电表传讯与自动贩卖机通讯等等 2 1 。由 于g s m 网络为我们提供了众多的业务包括语音呼叫、短信息、数据呼叫等等 2 2 1 。因 此基于g s m 网络的这些业务也就出现了相应的应用。首先基于g s m 短信息和数据呼 叫业务，人们开发了远程数据采集和远程监控系统 2 3 1 。其中例如利用短信息进行远程 4 大连理工大学硕士学位论文 抄表，有效地提高了工作效率和工作质量 2 4 】。在公交系统中人们利用g s m 短信息建 立起了公交调度和电子站牌系统。装有g p s 车载终端的公交车辆行驶到任何一个站 点，立即通过g s m 短信息发送到站信息至调度中心。调度中心处理这些到站信息，然 后生成站牌显示信息，也通过g s m 短信息发送到各个电子站牌。电子站牌接收到显示 信息后，依据该信息在电子站牌上显示最近车辆的位置。同时调度中心通过车辆发送回 来的位置信息，在地图上显示出车辆的位置，并通过短信息实现调度功能。整个系统 中，短信息起信息传输纽带作用。短信息结合g p s 建立起来的公交调度系统，实现了 动态电子站牌、远程调度和监控的功能，帮助公交系统更好的提高了效率，节省了资源 2 5 】。利用g s m 短信息实现污染的自动连续监控，不但节省了大量的人力物力还有效 的监督了责任人，防止污染的发生 2 6 】。 安防系统是g s m 应用的个热点。初期人们都采用简单的声光电等报警手段，或 者仅仅加上一种远距离遥控器及跳码芯片【2 7 】，很少涉及到智能系统。由于g s m 系统 的广泛应用，人们开始在安防系统中加入了g s m 网络。一开始人们提出基于g s m 的 门禁与监控系统，这个系统利用g s m 短信息可以将现场信息及时发送到监控中心 2 8 】。在车辆安防系统方面，常用的有g p s 汽车防盗器 2 9 ，它主要是利用卫星全球定 位系统，跟踪被盗车辆的具体位置信息，以利于警方对被盗车辆的追查。但这种防盗器 最大的缺点是，只有车主确定自己的车辆被盗并报警后，才能由警方调查车辆位置信 息，这往往是亡羊补牢为时晚矣。而且该系统造价高昂，也不利于在市场上推广。后来 出现了基于g s m 的车辆防盗系统。基于g s m 网络的汽车防盗器大多数是通过单片机 采集现场的传感器信息，如果发现异常情况，则发送短信息给车主 3 0 ，3 t 。在这些防盗 系统中，大部分是将原先的系统加装g s m 模块实现的。此外在电力变压器【3 2 、中央 空调 3 3 1 等一系列防盗报警应用中都有g s m 网络的介入。在家居的安防系统中一开始 出现了基于i n t e m e t 网络的智能家居系统 3 4 ，3 5 ，后来也有g s m 网络的应用。人们利用 g s m 网络传输家庭中各种传感器的警报信息，从而实现对家中情况的及时掌握，起到 防盗报警的作用 3 l ，3 6 】。 1 2 开发智能安防系统的现实意义和应用前景 现阶段开发智能安防系统具有一定的现实意义。一方面由于众多的盗窃事件层出不 穷，这就需要有一套良好的安防系统来保护人们的物质财产。另一方面，现在市场上销 售的安防系统，功能单一，报警方式简单，不能满足人们的要求，所以也呼吁有更好的 智能安防系统出现。而本文提出的基于g s m 网络的智能安防系统，除了很好的弥补了 现行防盗系统的缺点，还通过g s m 网络的介入，让用户可以通过手机等无线终端及时 一5 基于g s m 网络的安防系统研究 地查询现场状态，做到一种主动的防盗。此外由于现场信息能过及时地发送到用户终端 上，这样便为系统增加了人为的干预，便于提高系统的可靠性和减少误报错报情况的发 生。 本文阐述的基于g s i v i 网络的安防系统。不仅可以用于家居的安防，也可以用来实 现智能网络化、自动化家居系统，还可以用在远程数据采集、远程控制、远程医疗等众 多方面。所以有广阔的应用前景和市场价值。 1 3 本文开展的主要工作 本文针对目前安防系统的现状和发展趋势，在阅读和参考了大量文献的基础上设计 并实现了一套基于g s m 网络的智能安防系统。该系统主要是利用单片机采集和处理现 场传感器数据然后通过一定的决策算法，按不同的等级将报警信息发送到用户终端。 用户可以通过短信息的方式访问现场状态，对系统参数重新设定。此外系统还为用户提 供了方便的u s b 接口，用户可以通过u s b 接口即插& 口用的连接到个人电脑，通过为用 户提供的软件很方便的调整系统参数。并且通过该软件还能为用户提供更多的基于 g s m 网络的附加功能。整套系统的设计体现了一种智能的双向互动的安防系统概念和 友好的用户接口设计思想。 本文的第二章介绍了系统整体方案的设计，包括硬件平台和软件平台的系统级设 计。第三章具体阐述了系统硬件平台的实现，包括所用芯片、设备、方法的详细说明， 部分传感器信号采集电路的设计方法。第四章着重描述了m s p 4 3 0 单片机上运行的系统 软件以及各部分驱动程序的设计思想和方法。第五章论述了为系统量身设计的计算机平 台上的控制软件的实现。最后给出了结论和对未来的展望。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 系统整体方案设计 2 1 系统简介 基于g s m 网络覆盖范围广、用户广泛和无线传输的优势，努力探索研制一种以g s m 无线业务为数据传输方式，以移动电话或任何一种无线终端为控制终端的智能安防系 统。该系统不仅可用于智能家居的安防系统、汽车等产品的防盗系统，也可以用于远程 监控和远程信息采集等自动控制领域。 整个系统包括现场和远程两部分。现场部分负责现场数据采集、传感器监控、执行 器控制等任务该部分由单片机作为主控单元，通过r s 2 3 2 接口连接g s m 模块实现无线 通信。远程部分负责接收现场信患及控制现场设备，可以是手机等无线终端或个人电 脑。无线终端可以直接通过短信息方式和现场部分通信，而计算机则通过无线终端模块 和现场部分交互。无线终端模块由主控单元、g s m 模块、u s b 接口等部分组成。 2 2 系统硬件体系结构设计 图2 1 系统硬件体系结构框图 n g 2 1t h e 心a m e w o r k 帅c h i t e c t 叫e o f s y s t e mh a r d w a r e 如图2 1 所示，整个系统分为远程和现场两部分。其中现场部分由单片机作为主控 单元，单片机通过r s 2 3 2 接口与g s m 模块连接。g s m 模块是系统通信的核心部件， 由它通过短信息或数据呼叫以及传真等方式实现数据的传输。现场部分还有众多的传感 7 基于g s m 网络的安防系统研究 器分布，传感器采集现场数据，通过单片机处理，进行现场警报信息的诊断。电源模块 为整个系统提供电力供应。 单片机模块 单片机是整个系统的主控模块，负责整个系统的协调和管理。单片机选用了德州仪 器生产的m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，这是一款f l a s h 系列低功耗单片机。它最大的特点是内部集成 了众多的功能模块( 例如u a r t 模块、a d 模块、看门狗模块、定时器模块等) 简化了 外围电路的设计。单片机模块硬件电路设计包括单片机及其外围电路设计，其中包括复 位电路、晶振电路、存储器电路和j t a g 接口。 g s m 模块 g s m 模块是系统的通信模块，采用了西门子公司的t c 3 5 。这是一款g s m 双频模 块，支持g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 模式，支持语音、短信息、传真服务，标准r s 2 3 2 接 口，标准a t 命令集和西门子扩展命令集。t c 3 5 模块的电路设计主要是电源电路设 计、r s 2 3 2 接口设计、s i n 卡电路设计、启动电路设计、状态显示电路设计等。g s m 模块主要负责系统的通信任务。 传感器模块 现场数据采集需要传感器，本文设计了图像传感器。图像传感器采用了 o m i m v i s i o n 公司生产的o v 7 6 4 0 7 1 4 0c m o si m a g es e n s o r ，是一款低功耗的集成有d s p 处理器的图像传感器。该传感器可以实现最高6 4 0 * 4 8 0 分辨率下3 0 帧每秒的采集速 度。图像传感器硬件电路设计主要指数据传输接口设计、s c c b 控制接口电路设计、晶 振电路设计等。 电源模块 电源模块为系统提供各种电源，其中有5 0 v ，3 0 v ，3 3 v ，2 5 v 四路。外部电源 输入为1 2 o v ，经过l m 3 1 7 降到5 o v 提供给g s m 模块，5 o v 经过三块m a x 8 8 2 分别 降到3 0 v ( 为单片机及其外围电路供电) ，3 3 v ( 为u s b 芯片供电) ，2 5 v ( 为图像 传感器供电) 。m a x 8 8 2 各路是独立的，除了单片机部分必须一直打开，其余两路在系 统空闲期间可以由单片机将其关断以节约电力损耗。 u s b 接口模块 控制系统可以通过u s b 接口连接个人电脑，u s b 接口模块便是用来实现该接口 的。设计中采用了n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的u s b n 9 6 0 3 作为u s b 接口芯片。 u s b n 9 6 0 3 是一款完全符合u s b l 1 规范的接口芯片，提供了7 个端点，可以支持控制 传输、中断传输、批量传输、实时传输等所有的四种u s b 规范传输方式，同时可以提 供可编程脉冲输出( 系统中该输出脉冲用来为图像传感器提供时钟脉冲) 。u s b 芯片外 围电路设计主要包括晶振电路设计、数据地址总线接口设计、u s b 上行接口电路设计 及其芯片控制电路设计等。由于芯片采用了2 4 m h z 的时钟输入，所以设计中还必须特 别考虑系统e m i 和抗干扰等方面的问题。 8 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 系统软件体系结构框图 f i g 2 2t h e f r a m e w o r ka r c h i t e c t u r eo f s y s t e ms o f t w a r e 单片机系统程序 单片机系统程序是主控系统的核心部分，负责单片机系统的底层任务和基本功能的 实现。这之中主要包括系统初始化、系统定时器控制、系统f l a s h 存储控制、系统工作 模式控制、系统中断解析等。 系统初始化 系统正常初始化是系统正常工作的前提，这主要包括初始化看门狗定时器、初始化 系统时钟、初始化单片机i o 口，初始化存储器、初始化外部芯片以及初始化u a r t 端 口等。 系统定时器控制 系统用t i m e r a 作定时器，用于需要定时处理的程序上。例如利用t i m e r a 定时器 中断复位看门狗定时器等。 系统f l a s h 存储器控制 包括单片机内部6 4 k b 和外部1 6 m b i t ( 2 m b ) 的f l a s h 存储器。内部f l a s h 的读写需要 启动f l a s h 读写时钟并且要保证写入数据的存储空间没有涉及到程序存储空间。外部 f l a s h 是s p i 接口，通过单片机系统自带u s a r t 控制器实现s p i 功能，其中还包括了读 写顺序的控制。外部存储器主要存储图像信息。 9 基于g s m 网络的安防系统研究 系统工作模式控制 m s p 4 3 0 单片机提供了多达六种工作模式，包括a m ( a c t i v em o d e ，活动模式1 、 l p m 0 ( l o wp o w e rm o d e0 ，低功耗模式0 ) 、l p m l ( 低功耗模式1 ) 、l p m 2 ( , f 氐功耗模式 2 ) 、l p m 3 ( i 功耗模式3 ) 、l p m 4 ( 低功耗模式4 ) 。根据系统任务情况，单片机系统软件 要在这些工作模式之间进行切换，以保证最佳的工作效率和功耗。 系统中断解析 系统中断服务是系统处理多任务的基础。系统程序要监控包括传感器中断、电源状 态信息中断、g s m 模块中断、u s b 中断以及r s 2 3 2 中断等等。在系统中断响应程序中 有的中断直接处理，有的则设置标志位然后由系统主程序来处理。 g s m 模块控制程序 g s m 模块是系统通信的核心部件，承担着系统信息的无线传输。g s m 模块控制程 序主要包括r s 2 3 2 接口、g s m 模块初始化、工作状态控制、a t 命令集、短信息处理 等等。 电源管理程序 由于系统由多个功能模块构成，各个功能模块对应的芯片所需要的电源电压也不尽 相同，所以电源模块也成为系统一个重要的组成部分。同样如何控制众多的电源管理芯 片也成为单片机系统软件中的一个重要部分。这一部分主要包括电源管理芯片的初始 化，各芯片输出电源的开关，外部电源情况的监控等等。 u s b 固件程序 u s b 固件程序是u s b 通信管理程序，其中包括控制传输管理、批量传输管理、实 时传输管理、中断传输管理等。 传感器接口和信息处理程序 传感器接口程序完成传感器接口协议的处理，例如对于图像传感器o v 7 6 4 0 使用的 s c c b 接口，需要设计单独的接口协议来实现s i o c 和s i o d ，其中s i o c 是通信同步时 钟通道，s i o d 是通信数据通道。传感器信息处理主要包括图像信息处理。图像信息处 理包括对采集的图像信息存储和格式整定等。 u s b 驱动程序和u s b 动态链接库 u s b 驱动程序是u s b 设备与个人电脑连接的基础应用程序接口。驱动程序在 w i n d o w s 2 0 0 0 x p 平台下采用d r i v e rs t u d i o 和v s n e t 编译完成。驱动程序实现了u s b 控制传输和批量传输功能。由于应用程序采用j a v a 语言实现，j a v a 语言不能直接和 系统硬件设备通信，所以需要编写动态链接库来实现u s b 驱动程序和j a v a 应用程序 1 0 大连理工大学硕士学位论文 的接口。动态链接库使用c + 十语言编译，通过j n i 和j a v a 应用程序连接。通过驱动程 序可以实现所有对u s b 设备的控制方法。 应用程序及其设备接口 应用程序使用j a v a 语言编写，以面向对象的方法实现，将不同的功能模块包装在 不同的类中，可以很方便的重用。应用程序主要包括以下几部分：底层设备接口、中间 层设备抽象、上层用户界面。底层设备接口类通过j a v a 原生接口和动态链接库连接， 实现对u s b 设备的各种控制功能。中间层设备抽象将底层设备类进行进一步的抽象， 这样将更方便上层应用程序对设备的控制。上层用户界面层主要实现用户接口部分，使 用户通过图形接口很方便的操控u s b 设备。这其中还应用到了l 0 0 k a n 血e e l 技术，实 现了人性化的图形界面和语言抽换功能。 2 4 小结 该部分概要的对整个系统的硬件和软件平台进行了简单的描述，给出了整个系统的 结构框图。系统的整体设计是其它工作的基础，只有在整体设计的指导下才能较好的实 现各部分系统的设计和整合。 基于g s m 网络的安防系统研究 3 1 系统主控模块设计 系统主控模块设计是指萃片机主控单元及其外围电路的设计。单片机是整个安防系 统的核心，它的选择对安防系统的性能有较大的影响。本文采用1 r i 公司的 m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机。m s p 4 3 0 系列单片机具有1 6 位精简指令集结构，1 6 位c p u 寄 存器和常数寄存器，达到了最大的代码效率，它具有处理能力强，运行速度快，功耗低 等优点，性能价格比很高。m s p 4 3 0 f l a s h 系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有 明显的特点。该系列单片机自问世以来，颇受用户关注。它们不但适合应用在自动信号 采集系统，更具有开发方便，可以现场编程等优点。 3 1 1m s p 4 3 0 f l a s h 系列单片机介绍 3 7 ，3 8 】 3 1 1 1m s p 4 3 0 f l a s h 系列单片机的特点 强大的处理能力：m s p 4 3 0 f l a s h 系列单片机具有丰富的寻址方式( 源操作数7 种，目的操作数4 种) ，但只需简洁的2 7 条指令；片内寄存器数量多，寄存器可实现 多种运算；有高效的查表处理方法。此外，它的中断源较多，使用灵活方便，当系统处 于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需缸如 丰富的片上外围模块：m s p 4 3 0 f l a s h 系列单片机中的各个成员集成了较多的片上 外围资源，功能相当丰富，如a d 转换器，精密模拟比较器，硬件乘法器频率可达 8 m i - l z 的时钟模块，带有捕获比较寄存器的1 6 位定时器，看门狗，同步及异步串行通 信接口，数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入，输出端口等。 超f 氐功耗：m s p 4 3 0 f l a s h 系列单片机运行在1 m h z 时钟条件下时，工作电流视工 作模式不同为o 1 4 姒，工作电压为1 8 - _ 3 6 v 。 方便高效的开发方式：m s p 4 3 0 f l a s h 系列单片机具有f l a s h 存储器，这一特点 使得它的开发工具相当简便。利用单片机本身具有的t a g 接口或片内b o o tr o m ， 可以在一台p c 及一个结构小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序调 试。 适应工业级的运行环境：m s p 4 3 0 f l a s h 系列单片机的运行环境温度范围为- 4 0 。c 一 + 8 5 c ，所设计的产品适合运行于工业环境下。 一1 2 大连理工大学硕士学位论文 3 1 1 2m s p 4 3 0 f l a s h 系列单片机结构简介 本设计中采用的单片机是m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，以下以该单片机为例介绍t if l a s h 系列单 片机的内部结构。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的主要构成模块有：c p u ；基础时钟模块，包括一个数控振荡器 ) 两个晶体振荡器；看门狗定时器w a t c h d o gt i m e r ；硬件乘法器；两个通用1 6 位 定时器t i m e ra 、t i m e rb ：模拟比较器c o m p a r a t o ra ；1 2 位a d 转换器a d c l 2 ：两个 串行通信端口u s a r t 0 、u s a k t l ；两个具有中断功能的八位并行端口，四个通用并行 端口。 c p u 多达1 6 个寄存器，包括4 个特殊功能寄存器和1 2 个通用寄存器，有效的降低了系 统数据处理过程中寄存器的性能瓶颈；为c 和汇编语言最优化设计的c 巩j 结构；简洁 的核心结构设计有效的刚氐了功耗和价格：最高可达8 m i p s 的代码执行效率； 存储空间 m s p 4 0 3 f 1 4 9 的存储器空间采用“冯纽曼结构”，f l a s h 、r a m 和外围模块由同 一组地址及数据总线连接在同一个地址空间中。因此可以用相同的指令访问f l a s h 、 r a m 和外围模块，也可以执行r a m 中的程序代码。无论f l a s h 、r a m 和外围模 块，都位于同一公共地址空间中，总寻址空间为6 4 k b 。 商效率的a d c 模块 a d c l 2 模块支持高速1 2 位模拟数字转换。该模块实现了1 2 位逐次逼近型( s a r ) 模 拟数字转换核心，同时还具有采样选择控制，内部集成参考电压源，1 6 字的转换和控 制缓冲器。在转换和控制缓冲器的辅助下，a d c l 2 模块可以在没有c p u 干预的情况下 实现高达1 6 路a d c 转换与存储。 基础时钟模块 基础时钟模块为单片机系统提供了低成本和低功耗的时钟解决方案。通过内部三路 时钟信号的切换，用户可以在系统执行效率和低功耗之间找到最好的平衡点。基础时钟 模块可以根据用户的要求配置成为不需要外部元件、外接一个或两个石英晶振、外接振 荡电路等几种方式，而且所有的时钟模