基于GSM的智能家居设计.doc

基于GSM的智能家居设计1、设计目的通过手机终端接收报警短信，并且可以发送命令短信异地遥控系统实现各种操作。利用各种传感器对可能出现的煤气泄露、火灾、家中门窗被打开并有人闯入等意外情况进行，并通过短信发送特定报警信息于预先设定好的手机号码，通知事主做出相应措施。通过GSM 网络，即使远在千里之外也能对家中发生的各种突发意外情况了如指掌，使生活更安全更智能。 2、设计正文随着生活水平的提高，提别是物质生活水平的不断提高，人们对自己的个人安全和家庭财产安全越来越重视，安全已成为一种市场需求；同时经济的飞速发展伴随着城市流动人口的急剧增加，给家庭防控增加了新的难题和提出了新的课题，传统的人防物防的形式已难以适应社会形式发展的需求。科学技术的进步和普遍应用，进一步同动了智能化家庭的建设步伐，家庭安全技术防范系统已经从本地向远程监控发展，从社会的周边防范向家庭内部防控逐渐靠拢，家庭防盗报警系统在人们对美好生活的追求中迅速崛起。一个完善的职能家庭，具有便捷、安全、舒适、高档的生活环境，确保每一个家庭住户的声明财产安全，是建设本系统的最大意义和根本目的。GSM模块将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。因此，GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。目前，GSM模块依然在广泛的工业应用领域使用，在更行各业都能看到GSM模块应用的产品。例如，在车载监控领域，使用GSM模块将车辆行驶的GPS数据传输到车辆管理中心；在电力、水务系统，通过GSM模块实现了远程智能抄表，可以实时监控用户的用电和用水量；在测绘行业，为很多偏僻的测绘点安装了GSM模块实现了实时的监控，不必再人工收集数据；在家庭，可以安装无线报警系统，一旦发生火情或盗窃行为，可以立即通知户主和报警；在国外，很多老人小孩带了个人跟踪器，防止老人和小孩走失或意外发生，里面也是集成了GSM模块。可以说，随着GSM的网络建设的完善，GSM模块的应用范围也越来越广。通过手机终端接收报警短信，并且可以发送命令短信异地遥控系统实现各种操作。利用各种传感器对可能出现的煤气泄露、火灾、家中门窗被打开并有人闯入等意外情况进行，并通过短信发送特定报警信息于预先设定好的手机号码，通知事主做出相应措施。通过GSM 网络，即使远在千里之外也能对家中发生的各种突发意外情况了如指掌，使生活更安全更智能。 2.1 基于GSM的安全系统简介GSM安全系统是基于移动通信网络的监控报警技术，彻底解决了普通防盗器、监控器无法解决的远程报警和易于破解的难题。利用通信加密技术，让用户的家居安全无忧，是继单向防盗器、双向防盗器后的新一代防盗产品。GSM智能防盗器，是利用最新材料技术、最新信息技术、最新人工智能设计让防盗器具备智慧灵魂，使人与财产的安全保障突破时空限制。在性能上必须要在各种情况条件下的高可靠性，在功能上必须既要让用户有不可破解的最高安全等级，又要让用户操作方便，甚至系统为用户自动服务。2.2 系统设计原理该设计为基于GSM的家庭防盗系统，主要由单片机控制模块、液晶键盘模块、GSM模块、存储器模块和传感器模块组成，它能实现智能密码锁、煤气泄漏报警、入屋盗窃报警和修改系统密码等功能。系统主要采用STC89C52单片机作为主控制器， P1引脚通过分时扫描方式控制键盘，从而实现输入功能。P2引脚控制LCD1602液晶，可以更直观灵活地向用户反映系统信息。同时，传感器检测到报警信息时，向单片机发出中断信号，中断引脚INT0和INT1通过单片机内部的中断功能实现系统报警功能。利用串口向GSM模块发送AT指令，可向用户发送报警信息。系统框图如图1所示。传感器模块GSM模块报警模块单片机控制模块液晶键盘模块存储器模块图1 系统框图2.2.1 单片机控制模块单片机控制模块主要采用STC89C52单片机作为主控制芯片。STC89C52作为普通51单片机已广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大。 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚图如图2所示。图2 STC89C52引脚图2.2.2 传感器模块传感器模块模块主要由红外传感式集发射接收于一体的ITR9909。这是一种光电开关。光电开关是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。2.2.3 GSM模块GSM模块主要采用SIEMENS公司的TC35模块，通过串口接入电路与单片机控制模块相连，主要负责实现远距离报警的功能。采用GSM的短信功能，可以使某些控制达到“零距离”。由于短信息的费用低廉，可以取代传统的无线遥控。因此本系统采用单片机控制GSM模块发送GSM短信，实现远距离报警的功能。TC35模块是SIEMENS公司为嵌入式设备设计的GSM双频通讯核心模块，如图6所示。TC35T内含TC35/SIM卡座/电源/天线/RS232接口，是可独立使用的通讯终端。TC35支持标准的AT命令集，通过AT指令可实现发送短信功能。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4K、4.8K、9.6K的非透明模式。TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。设置以下AT指令，GSM模块可以发送短消息：AT+CMGF=1回车(采用文本格式发送，如用PDU格式，则AT+CMGF=0)AT+CMGS=“+8613xxxxxxxxx”回车输入短消息。Crtl+Z结束并发送。2.2.4 存储器模块为了实现对密码的存储，防止不法分子切断电源造成密码丢失，本系统采用了AT24C02存储器对密码进行存储。AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节。内部有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。AT24C02支持I2C总线数据传送协议。I2C总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式。 AT24C02通过8个引脚实现数据的存储功能，其引脚图如下图3所示。图3 AT24C02引脚图2.2.5 液晶键盘模块液晶键盘模块主要由4*4矩阵键盘和LCD1602液晶显示器组成。4*4矩阵键盘主要提供用户操作输入功能，是实现人机通信的主要控制部分；LCD1602液晶显示器主要负责显示系统信息，协助用户操作系统。下面分别简单介绍矩阵键盘和LCD1602液晶显示器的性能和工作原理。 LCD1602液晶显示器LCD1602是一种字符型液晶显示模块，是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式的LCD。该液晶显示器使用方便，功耗小，因此本系统采用LCD1602作为系统的显示部分。LCD1602包括4种工作状态，通过MCU设置RS、RW和E值，可使液晶工作在不同的状态。读状态：输入：RS0，RW1，E1输出：D0D7状态字写指令：输入：RS0，RW0，D0D7=指令码，E高脉冲输出：无读数据：输入：RS1，RW1，E1输出：D0D7=数据写数据：输入：RS0，RW1，E1输出：无 4*4矩阵键盘在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，从而节省I/O资源，因此在本设计中采用4*4矩阵键盘。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。2.3系统程序的设计该系统的软件设计采用C语言实现。分主程序与子程序，子程序中又主要包括传感器采集信息程序、单片机最系统控制程序、液晶显示程序、报警程序、GSM短消息程序等几个子程序模块。2.3.1主程序流程图单片机与GSM模块的通信程序按欧洲GSM的AT命令协议要求编写程序，其程序流程如图4所示。2.3.2中断子程序流程图温度传感器子程序 DS18B20 的操作中，延时分两种：短时间延时和较长时间延时。片机系统所用的晶振频率为12 MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：INIT为初始化子程序，WRITE为写（命令或数据）子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始。 液晶显示子程序根据系统需要设计相应的1602显示程序，在Proteus中可以先仿真成功后在烧制到单片机AT89S52中。汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，送上要显示的汉字根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。 开始AT89S52初始化SIM卡在否TC35i初始化是否收到短信命令处理短信并删除等待TC35i启动完毕传感器采样采样值正常与否调用液晶显示子程序判断故障类型调用蜂鸣器报警子程序调用短信报警子程序YYYNNN图4 主程序流程图2.4 软件设计该系统主要实现的功能是：输入密码，密码正确则进入系统。当输入密码错误次数小于3次时，可以重新输入。当错误次数达到3次，系统便进入自锁状态并通过GSM发送短信通知用户。成功进入系统后可以选择不同的功能：开门、修改系统密码和开启报警系统。选择开门功能。则开门的指示灯会亮。选择修改系统密码功能，则按照系统指引输入旧密码、新密码和重复新密码。若输入的密码都正确，则修改密码成功。若输入的密码错误，则需要重新输入，当错误次数达到3次时，系统也会进入自锁状态和通过GSM发送短信通知用户。选择开启报警功能，烟雾传感器和红外热释能传感器便开始工作，一旦检测到信号，报警音响并通过GSM发送短信通知用户。若需要关闭报警功能，只要按关闭报警的按键，并正确输入密码后，报警功能就会关闭。主程序流程图如图5所示。2.4.1 传感器模块软件设计在本系统中，传感器报警通过开启中断来实现。烟雾传感器为INT0，红外热释能传感器为INT1。当烟雾传感器检测到烟雾时，输出高电平信号到INT0引脚，单片机检测到中断0信号，立即调用中断程序void onfire() interrupt 0。当红外热释能传感器检测到人体时，输出高电平信号到INT1引脚，单片机检测到中断1信号，立即调用中断程序void steal() interrupt 2。图5 中断流程图2.4.2 GSM模块软件设计在本系统中，GSM模块软件设计是通过串口发送AT指令给GSM模块来实现发送短信的功能，其流程图如图6所示。首先串口发送字符串“AT+CMGF=1r”给GSM模块，设置短信为TXT模式；然后发送“AT+CMGS”，设置收信方的手机号码；接着将待发送短信的内容发给GSM模块；最后发送十六进制的0x1A（回车）确认发送，这样就能通过GSM模块最终实现报警通知用户的功能。图6 短信发送流程图在GSM模块和单片机的串行通信中，选用定时器T1在工作方式2设定波特率为9600，其初值计算公式如下：已知为11.00592MHz，设波特率控制位SMOD=0，则有故在程序设计时，定时器初值设置为0xFD。2.4.3存储器模块软件设计在本系统中，AT24C02的存储功能主要是通过I2C总线来实现串行读写。I2C总线在写入和读取一个8位二进制数时，总是高位在前低位在后。在读函数_24C02Read(unsigned char l_address)中，先向I2C总线发出读取24C02的写地址，在完成I2C串口协议后，写入24C02的读地址，再读取存储器对应位置的数据。在写函数_24C02Write(unsigned char dat，unsigned char l_address)中，先向总线发出写24C02的地址，在完成I2C串口协议后，写入24C02的写地址，然后写入数据。2.4.4 液晶键盘模块软件设计在本系统中，LCD1602液晶显示是通过调用void display(uchar pos,uchar *q)函数实现的，其流程图如图7所示。在void display(uchar pos,uchar *q)函数中，pos是写入的位置，q指向要写入的数据所在的数组。该函数主要调用lcd_wcmd()，lcd_pos()两个函数，先写显示地址，后写显示数据。单片机P2口接LCD1602的数据引脚，P05、P06、P07分别接LCD1602的RS、RW、EP引脚，通过单片机控制液晶显示图7 LCD1602显示流程图在本系统中，键盘的软件实现通过分时扫描、键盘编码的形式来实现，其流程图如图8所示。P1口低4位作为键盘的行，高4位作为键盘的列。P1口低4位先循环输出0，单片机扫描P1口高4位。如果有键按下，P1口高4位不会全为1。如果读取不到P1口的值，比如是干扰，则不做键值处理，返回继续循环下次。图8 键盘扫描流程图3、设计总结本设计借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的中文短信息形式，直接把报警信息反映到手机上。当家中出现紧急信息时，安装在相应部位的传感器马上就能检测到，并且会立即把信号传送到控制中心，经过一系列信号转化后，转换后的信号通过GSM网络传送到你的手机上，即是先把信息送到SMS服务平台，而后通过基站传送出去。整个传送过程只需几秒种的时间，能够准确地通知家中被检测的那一部分出了问题，以便于主人能够及时的采取补救措施。该设计在一定程度上解决了传统机械式防盗的弊端，利用高科技将防盗报警智能化、自动化，可以减少和避免户主的损失。由于该系统主要利用现代移动通信网络作为承载，不需要考虑布线等因素，减少了环境因素对系统的影响，提高了该系统的可移动性。由于时间的关系和考虑到元器件的价格等因素，该设计还存在一些不足的地方。例如，该设计存