专业组_先进控制类_西南交通大学_基于蓝牙及GSM的智能防盗系统.doc

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题 目： 基于蓝牙及GSM的智能防盗系统 学 校： 西南交通大学 指导教师： 黄治清 组 别： 专业组 应用类别： 先进控制类 平 台： MSP430 参赛队成员名单（含个人教育简历）：李必政：本科，大三。2009年至今就读于西南交通大学电气工程及其自动化专业，2011年9月参加全国电子设计竞赛邮箱：HNLBZH126.COM张畋：本科，大三。2009年至今就读于西南交通大学电气工程及其自动化专业，2011年9月参加全国电子设计竞赛并获得了全国一等奖。邮箱：视频观看地址：/v_show/id_XMzU4NTY0NDEy.html目录基于蓝牙及GSM的智能防盗系统2摘要21.引言31.1应用背景31.2设计目的41.3功能描述42.系统方案42.1 系统分析42.2 选用TI器件的依据，选型理由，所选TI器件详细介绍52.2.1 处理器选用TI的MSP430F213252.2.2 系统供电电源芯片TPS61085和TPS7823352.2.3 SIM卡ESD保护芯片TPD3F30352.3 设计方案论证53.系统硬件设计63.1 系统框图63.2不同功能单元之间的接口设计63.2.1 电源供电模块63.2.2 GSM模块73.2.3 蓝牙模块73.3 硬件设计注意事项及窍门74.系统软件设计84.1 软件流程图84.2 软件设计思路及技巧104.3编程感想及软件设计注意事项105.系统创新106.评测与结论11附录12基于蓝牙及GSM的智能防盗系统摘要本文介绍了一种以TI的MSP430F2132为控制核心的智能防盗系统。主要由控制模块，GSM模块，蓝牙模块以及电源部分组成。使用时将该系统放入贵重物品中且其蓝牙与用户手机蓝牙配对，一旦系统离开用户一定的距离后用户手机会受到系统发来的信息或打过来的电话以达到防盗的效果。本系统具有应用广泛，便携，超低功耗，实用性强，保密性好等优点。关键词：MSP430 、GSM、蓝牙、智能、防盗 abstractThis paper has introduced an intelligent security system using MSP430F2132 from TI as the control kernel. It mainly consists of control module, GSM module, Bluetooth module and power module. During deployment, this device is put together with valuables and its Bluetooth is coupled with users mobile phone. Users mobile phone will be able to receive messages or calls from the device whenever the distance between the device and the user is longer than a pre-defined value. This system, with its high portablity, extremely low power consumption, high practicality and high confidentiality control, has a wide range of potential applications.Key words: MSP430 、GSM 、bluetooth 、intelligence、 antisheft1. 引言1.1应用背景在旅行途中或者上街购物的时候人们的钱包、皮包、笔记本等贵重物品总是容易被小偷盗走，而当我们发现时，往往都迟了，报警也很难找到线索挽回损失。而追求原因就是因为我们的钱包等贵重物品不会“说话”，不能主动告诉主人“我被小偷盗走啦！”东西被盗带给我们的损失不仅仅是表面的经济损失，比如有时我们把身份证，驾驶证、银行卡等各种卡也放在钱包里，虽然小偷偷钱包只为了里面的现金，但是一旦失去了身份证等证件，而我们又急于用它，如出国，但补办证件又要较长的时间（如补办身份中一般一个月以上），这就让我们间接获得巨大损失。因此对钱包、皮包等的防盗显得格外重要。但现状是人类在这一方面的防盗免疫几乎为零！1.2设计目的在应用背景中我们已经介绍，钱包、皮包等随身贵重物品很容易被盗，而我们的设计不但能解决此问题，还可以推广到其他诸多防盗场合。让钱包、皮包等贵重物品具有防盗功能，在被盗后立即通知主人，即便没能及时抓到小偷，我们系统可以通过GSM定位确定装有我们的防盗系统的钱包、皮包的去向及实时地理位置。帮助警察快、狠、准的破案。1.3功能描述本系统在一块信用卡大小的PCB板上集成GSM模块、蓝牙模块、MSP430控制模块及电源模块。整体厚度控制在4mm以内（我们的设计样品由于工艺原因大于此厚度），以钱包防盗为例，这样轻巧的系统可以被固化到钱包中。在主人带着内置我们防盗系统的钱包或皮包外出时，只要打开通过一个按键打开系统，系统的蓝牙就会打开，在用主人的手机与之同步，系统会不断的检测自己是不是与主人手机的蓝牙处于同步状态，一旦检测出没处于同步状态，系统就认为自己离开了主人手机蓝牙的搜索范围于是立即启动GSM模块的电话功能，给主人手机打电话，主人一接到自己钱包或皮包打过来的电话马上就会查看自己的钱包是否还在身上或皮包是否还在身边。同时给主人预设的另一个朋友的手机发短信作为双重防护（以防主人手机同时被盗）。我们考虑第一种情况，及钱包被盗而手机未盗且立即收到系统的防盗报警电话，这时钱包或皮包刚被盗，小偷肯定还在身边，主人便很容易找到小偷。第二种情况，主人手机也被盗了，主人没能及时知道何时被盗的，但是只要我们的模块还在工作，我们就可以通过GSM定位确定钱包被小偷带到哪里去了，报警后就可以很容易破案。2. 系统方案 2.1 系统分析本系统主要硬件组成为MSP430F2132单片机, 电源芯片TPS61085和TPS78233,西门子GSM通信模块TC35，蓝牙通信模块BH3.MSP430F2132为主控芯片，系统的命令都由其发出；电源芯片TPS61085和TPS78233为系统提供稳定的工作电压；GSM模块TC35负责被盗时系统向主人报警及被盗后定位跟踪；蓝牙通信模块BH3负责与主人手机实时保持联系，“告诉”单片机当前的安全环境（是否被盗）。2.2 选用TI器件的依据，选型理由，所选TI器件详细介绍2.2.1 处理器选用TI的MSP430F21321.MSP430相比于51单片机系列，MSP430普遍具有超低功耗，强大的处理能力、稳定的工作系统、高性能的模拟技术及片上处理模块等特点。2.MSP430F2132相比其他MSP430系列单片机，其功耗明显降低，超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中具有非常优越的表现。而且其唤醒速度显著提高，使系统真正达到节能高效。3.MSP430F2132体积小，引脚少，但几乎每一个引脚在系统中都有使用，使芯片实现其价值的最大化，同时也相应的降低了成本。2.2.2 系统供电电源芯片TPS61085和TPS78233本系统设计采用锂电池便携供电，升压芯片TPS61085用于将锂电池电压3.7V升至4.2V为GSM模块供电。TPS61085具有开关频率高，输出电流大等优点，整体性价比高。广泛应用于手持设备等。TPS78233用于产生3.3V电压，是TI的一款专门由电池供电的单路固定输出LDO,静态电流低，工作温度范围广，输出电压精度高，功耗低，是理想的微处理器供电芯片，是TI专门为MSP430系列设计的一款供电芯片。2.2.3 SIM卡ESD保护芯片TPD3F303TPD3F303 是一款用于 SIM 卡接口的三通道集成型 EMI 滤波器。该器件集成了一个 VCC 箝位，用于在 VCC 线路上提供系统级的 ESD 保护。专为抑制那些容易遭受电磁干扰的系统中的 EMI/RFI 噪声而设计。2.3 设计方案论证方案一：以51单片机为主控芯片，用大于4.2v的电池通过LM2596-ADJ稳压到4.2V给GSM模块供电，通过ASM1117-3.3稳压到3.3V给单片机及蓝牙供电。方案二：采用TI超低功耗MSP430F2132为主控芯片，用能量密度大的3.7V锂电池通过TPS61085升压到4.2V给GSM供电，并通过TPS78233从4.2V降压到3.3V给单片机及蓝牙供电。 方案一相对方案二能节约成本，但在同等性能下51单片机功耗远高于MSP430，ASM1117廉价但转换效率较低，LM2596-ADJ为降压芯片，要稳压到4.2V得给系统提供大于4.2v的电源。而TPS61085可以把小于4.2V的电压升到4.2V.且TPS61085和TPS78233效率高。由于我们的系统对体积要求严格，不能装备过大的电池，导致功耗要求严格。而方案一相对方案二功耗大了很多，且现在的高能移动电池一般为锂电池，电压为3.7V，电池电量快用完时电压大约只到2V，方案一的降压即便在两块锂电池串联的情况下也不满足要求，但方案二TI公司的TPS61085却可以将2-3.7V的电压稳到4.2V,所以我们最终采用方案二。3. 系统硬件设计3.1 系统框图3.2 不同功能单元之间的接口设计3.2.1 电源供电模块本系统体积小，为满足轻巧、便携的要求，本设计采用锂电池供电。因为GSM模块理想供电电压为4.2V，而锂电池电压一般为3.7V，因此采用TI的TPS61085升压芯片将电压升至4.2V为GSM供电。同时用TI的LDO芯片TPS78233将电压降至3.3V为MSP430F2132单片机及蓝牙模块供电。本模块还有电源电压检测电路，一旦电池电压低至一设定值后将由单片机的AD输入并发出处理命令使系统发短信通知用户及时充电。3.2.2 GSM模块1.GSM:本系统设计采用GSM模块来实现远程通讯与实时监测，GSM无线通讯模块选用TC35。 TC35是Siemeils公司推出的新-代无线通信GSM模块。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。GSM和单片机通过UART串口直接相连。TC35模块的工作电压为3.35.5V,电源容量要求2A，在实践中发现，电源容量偏小或电源纹波过大，都会使TC35工作不稳定。2.SIM卡接口电路:SIM卡电源电压由模块内部可控LDO提供，支持1.8V和3V的SIM卡，TC35的CCGND与SIM卡的GND直接相连，同时通过一个电容与电源地相连减小干扰。为了抑制静电对SIM卡的干扰及保护系统电路，采用TI专门为SIM设计的ESD器件TPD3F303。3.2.3 蓝牙模块 蓝牙主要用于短距离的数据无线传输领域。本设计系统采用的蓝牙模块是BH3。系统启动后，用户手机蓝牙与系统蓝牙进行配对，配对成功后一直保持，系统处于待机状态，一旦系统远离用户手机一定的距离后，蓝牙断开，同时向单片机反馈信息，经单片机处理信号后向用户发短信报警。3.3 硬件设计注意事项及窍门1.SIM卡电路设计：考虑到设计中的电磁兼容和静电保护等因素，为了达到最佳通信效果，采用在SIM支架下设一层铜隔离网，该层覆铜与SIM卡的CCGND引脚相连，CCGND与电路板的GND之间通过两个并联的电容和电感耦合。一个隔离地，屏蔽了其他信号线对SIM卡的干扰。2.电源电路设计：因系统使用锂电池供电，低功耗设计是关键。故选用TI的超省电芯片TPS78233产生3.3V电压为MSP430及蓝牙模块供电。TC35工作电压幅度为3.3V5.5V，典型值为4.2V，最大电流小于等于2A。必须注意：最低工作电压不能低于3.3V，否则电压将会跌落，从而导致TC35停止工作。由于供电峰值电流为2A，一个GSM发射脉冲可能引起相当大的电压跌落。此外，由于外部电源的扁平柔性连线内在固有阻抗也可能损失一部分。因此，在任何时候，必须保证电压不能低于3.3V，而且电压跌落差值不能超过400mV.另外，为了保证TC35在发射脉冲区间的电压跌落值处于最低值，采用尽可能短的连接线和ZIF座的扁平柔性FFC电缆，长度不得超过200mm,和低输出阻抗的电源。本设计采用TPS61085将电池电压升至4.2V为GSM模块供电，通过电容电感滤波是纹波尽可能小以达到供电要求。FFC电缆长度为40mm。3.电路图设计：数字电路与模拟电路应尽量分开，电路各个关键部位应使用去耦电容。4.布线设计：接地线尽量加粗，电源线的宽度也尽量大于电流对应宽度，电源线、地线走线方向与数据线走线方向尽量一致。因整个系统模块为一张信用卡大小，电子元件密集，在布局、布线过程中要更加考虑电磁兼容性，使系统抗干扰能力加强。4. 系统软件设计4.1 软件流程图4.2 软件设计思路及技巧思路： 系统上电后单片机初始化，然后初始化蓝牙模块、GSM模块，并通过ADC模块检测电池电量，但有一个模块不正常工作或电量过低系统指示灯就会亮红灯，并在30秒后自动关机。初始化成功后检测蓝牙信号，如果与预设的主人手机蓝牙取得同步，如果一分钟内主人按下工作键，则系统进入防盗状态，否则1分钟后关机。在防盗状态下，GSM模块默认是关闭的以节省电量。MSP430单片机在一个较低的频率下周期地检测蓝牙是否与主人手机同步，一旦检测不到主人手机蓝牙信号了，系统则认为自己所在包被盗了，于是立即启动GSM模块，GSM模块启动后立即给主人手机拨打电话，如果主人未接，则继续重拨。最多拨打三次后再给主人预设的朋友手机发短信提示主人被盗。这些完成后系统GSM模块一直开着，以便破案过程中通过GSM定位。当ADC检测到电量低于%5后，不管处于何种状态都关闭蓝牙和GSM，MSP430单片机则自己休眠。4.3 编程感想及软件设计注意事项 这是一个对功耗要求特别严格的系统，所以我们在编程时遵循让系统在满足要求的前提下尽可能的关闭不必要的模块以节约电量，而单片机也是跑在满足要求的最低频率下。软件时不能存在大的漏洞，比如我们首先在防盗模式时，模仿模块被盗了，GSM一直开着以便定位找到它，但我们忘了剩余电量检测，结果电池被过于放电而报废了。5. 系统创新1.采用德州仪器超低功耗的MSP430f2132单片机，将系统正常运行下的功耗减少到最低，极大提高待机时间。2.创造性的将长距离GSM无线通信跟短距离蓝牙通信紧密结合在一起，在保证了防盗的实时性的同时也保证了防盗的远距离的作战。市面上的很多防盗器都只是单一的通过GSM防盗（如汽车防盗）或者蓝牙防盗（如笔记本防盗），这种单一的防盗作用薄弱且应用范围有限。如笔记本蓝牙防盗，当笔记本被盗时，防盗器会发生警报，但是如果没有人在现场或附近，警报听不到则没起到作用，而我们的双通讯防盗可以做到警报响的同时再给主人拨打报警电话。3.通过软件设计，只需用户手机发送AT命令即可修改目标用户手机号码以及蓝牙配对密码。4.应用范围广，我们在介绍本系统时以钱包皮包防盗为例，但这不是其唯应用场合。可推广应用于笔记本电脑防盗、行李包防盗、汽车防盗、贵重实验仪器防盗、贵重展品防盗。以笔记本防盗为例：将我们的模块集成到笔记本主板上或设计成内存条规则插入笔记本空余内存条插槽中，模块自备一定容量锂电池（笔记本关机状态下仍可正常工作）并可通过笔记本主板供电及充电。在笔记本所在区域6米范围内放置另一蓝牙模块用于跟系统蓝牙配对（此模块要隐藏在不被小偷发现的地方，比如伪装成小偷不敢兴趣的物品），当系统能搜索到与之配对的外置蓝牙模块时则认为笔记本没有被盗，当移动笔记本超出外置蓝牙信号时，系统则认为自己被盗，此时系统立即启动GSM模块给主人拨打电话或发送短信，同时可以在笔记本外的外置蓝牙模块方加上报警器触发报警。主人一收到到报警电话或听到报警声就可以立即采取行动防止笔记本被盗。即便主人没能及时抓住小偷，警方也能通过跟踪系统GSM确定笔记本去向及位置，极大的方便了破案。6. 评测与结论系统测试:电源电压测试：将锂电池安装好后，打开总开关，从电池端开始，用万用表检测各端电压。电池电压经TPS61085芯片升压后输出电压由贴片电位器调节至4.2V。在经过TPS78233芯片降压稳压为3.3V。通过示波器测量各端供电电压误差很小、电压纹波较小，达到供电要求。GSM通讯功能测试：检测GSM模块供电电压为4.2V，短按启动电路的贴片按键1秒后松开，观察LED灯闪烁状态，LED灯从600ms亮、600ms灭到75ms亮、3s灭表示GSM模块联网成功。查看已设定的用户手机是否收到启动成功的短信通知。同时通过手机发送AT命令可以修改指定目标用户的手机号码，蓝牙设备名称以及蓝牙配对密码等。蓝牙配对测试：打开用户手机蓝牙并搜索蓝牙