智能家居监测与控制系统设计与实现-南京大学专硕士.doc

摘 要专业学位（硕士）论文论文题目 智能家居监测与控制系统 设计与实现 作 者 xx 专 业 电 子 通 信 工 程 研究方向 指导教师 二一三年七月十五日 1（扉页）学 号：论文答辩日期：201 年 月 日指 导 教 师 ： （签字）IIISmart Home Monitoring and Control System Design and ImplementationA Dissertation Submitted to Nanjing University for the Professional Degree of Master of Electronic and Communication EngineeringBY 作者名（英文）Supervised by导师姓名及职称（英文）School of Electronic Science and EngineeringNanjing University 日期（英文）南京大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式说明并且表达了谢意。 研究生签名： 日期：南京大学学位论文使用授权声明本学位论文作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或者部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京大学研究生院办理。导师签名： 研究生签名： 日期：南京大学研究生毕业论文中文摘要首页用纸毕业论文题目： 智能家居监测与控制系统设计与实现 专业 级硕士生姓名：xx 指导教师（姓名、职称）： 摘 要 随着GSM网络的迅速发展和用户的日益扩大，新技术和新业务的开发和应用已经提到十分重要的位置。短消息业务通过GSM网络的控制信道进行传输, 是GSM系统中最为简单和方便的数据通信方式,它不需要附加其它较为庞大的数据终端设备,只需要两个GSM终端模块即可实现点对点的数据传输，特别适用于需频繁远距离传送小流量数据的领域。 国家智能化小区建设的推广，防盗系统已成为智能小区的必需设备。本文介绍了一种基于GSM(全球移动通信系统)网络SMS(短信业务)的远程红外报警系统的原理及设计实现。它由红外线传感器，无线GSM模块（Siemens公司的TC35模块）和一个以单片机(AT89S52)为核心的监控单元组成，监控单元利用AT指令通过串口和GSM模块进行交互。它借助GSM模块TC35，使用户能够通过手机中文短信便捷地对相关设备进行监控。它具有让用户根据具体的监控对象进行自定义的功能，使用户的操作变得更加直观、方便。本报警系统利用单片机控制技术和无线网络技术，开发出一种具有联网功能的智能无线防盗系统，并开发相关的传感器。采用无线数据传输方式，不需重新布线，特别适用于已装修用户及布线不方便的场合。该系统具有实时监控、性能稳定、功耗低的优点,适合为家庭和公司提供人身及财产安全的保障。关键词：智能家居系统；红外线传感器;GSM;SMS;单片机南京大学研究生毕业论文英文摘要首页用纸THESIS： Smart Home Monitoring and Control System Design and Implementation SPECIALIZATION： POSTGRADUATE： MENTOR： ABSTRACT With the rapid development and enlargement of new technology and new development . It refers to important position to use business for the user of GSM network day by day.Short message service business control to go on,through wireless channel.GSM is most simple and convenient on the way of data communication in the GSM network.it does not need to add to other comparatively huge data terminal devices ,only needs tow terminal module of GSM to realize point-to-point data transmission. Especially it is suitable for the field of little frequent data flow and remote transmission. Along with the national intellectualization plot construction promotion, the security system has become the intelligent plot the essential equipment. This paper introduces the principle and design of a wireless remote monitor and control terminal base on SMS of GSM. The terminal consists of infrared sensor, a wireless GSM module (TC35 module produced by Siemens company) and a monitor and control unit taking single-chip microcomputer (AT89S52) as the core. Using the AT commands, the monitor and control unit can communicate with the GSM module though serial interface. The terminal let people monitor and control the equipments e and conveniently by Chinese short message of mobile phone, using GSM module TC35. It has the function that people can self-define the terminal according to idiographic object monitored and controlled, and makes the operation of people more intuitive and convenient. This alarm system uses the monolithic integrated circuit control technology and the wireless network technology, develops one kind to have the networking function the intelligent wireless security system, and development related sensor. Selects the wireless data transmission method, does not have the wiring, especially to be again suitable in has repaired the user and the wiring not convenient situation. This system is real time and reliable with the advantage of low power consumption. It is very suitable to provide personal and property safety for households and firms.Keywords:Smart Home System Infrared Sensor; GSM; SMS ; Single-chip microcomputer- V -目录摘 要IABSTRACTII引言1第一章 绪论31.1 课题背景31.2 智能家居控制系统的概述51.3 课题研究的目的及意义61.4 本课题研究思路和拟完成的任务6第二章 相关理论基础82.1 智能家居系统概述82.2 报警系统的构成92.3 报警系统的现状及发展趋势102.4 GSM 原理11第三章 系统的总体方案论证与设计123.1 系统设计方案的论证123.1.1 监控传感器的选择123.1.2 微控制器的选择143.1.3 无线通道方案的选择153.2 系统的总体设计方案16第四章 系统的硬件电路设计184.1 红外探测电路设计184.2 单片机最小系统设计214.2.1 AT89S52单片机的特点及引脚功能214.2.2 单片机最小系统电路244.3 GSM模块及其外围电路设计274.3.1 TC35模块介绍274.3.2 RS232电平转换电路设计294.3.3 TC35模块外围电路设计314.4 报警电路设计334.5 电源电路设计34第五章 系统的软件部分设计355.1 TC35模块的编程355.1.1 与SMS有关的GSM AT指令介绍355.1.2短消息的模式365.1.3 AT指令的实现395.1.4 接收短信识别控制子程序设计405.2 串行口的编程及串口中断服务程序流程425.2.1 串行口的编程425.2.2 串口中断服务程序流程435.3 系统的主程序设计44第六章 系统制作与调试466.1 硬件制作与调试466.1.1系统PCB板的设计466.1.2系统硬件调试466.2软件与联机调试476.2.1主控程序调试476.2.2短消息发送调试47第七章 结论与展望52致 谢54参考文献55附录A：远程红外报警系统整体电路图57附录B：程序清单59智能家居监测与控制系统设计与实现引言 21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。本文介绍的数字化家居控制系统可以使得人们可以通过手机或电话在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机）进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭；而这一切的实现都仅仅是打一个简单的电话。此外，该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监控等多种功能，如果不幸出现某种险情，您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居控制系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。 实现智能化离不开运算和控制单元，本系统采用MCU(SM8952AC25P)作为主控器件，单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件和软件紧密配合、协调一致，就可以组成高性能的单片机应用系统。本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。本设计的MCU与各个芯片和模块的接口、各项标准都严格遵循国家有关标准，为以后的产品化提供了良好的基础。 本系统的电话远程控制是基于电话交换网络的国际双音频通信标准DTMF通信方式，程控交换信令作为系统控制命令，采用MT8870双音频编解码电路实现，单片机通过MT8870识别来自电话程控交换机的网络的控制信号，用户只需拨通家中的电话可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别、远程控制和安防操作；各种传感器的检测是利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机进行数据处理，实现实时测控；短消息发送部分采用基于SIEMENS TC35 GSM模块TC35 modem 和TI公司的电平转换芯片MAX3238等器件构成的移动终端的硬件电路可以完成短消息收发等功能。在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和MCU进行连接，再经过MCU进行数据处理，实现实时测控。而此时采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。此次系统设计统正是把MT8870、TC35 modem与SM8952AC25P单片机有机的结合起来，顺利的完成了本设计的要求。并且实现了学习型远程红外遥控功能，为控制红外家电和设备提供了良好的基础。本系统也可应用于工农业中,实现对无人值守岗位的远程监控等。第一章 绪论1.1 课题背景21世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。自从1876年，Alexander Graham Bell（贝尔）发明电话以来，世界各国的电话网络发展非常迅速，近十年来，中国的固定电话业务呈现出举世瞩目的快速增长。1997年8月局用电话交换机总容量突破1亿门，网络规模跃居世界第二位，2006年初固定电话用户总数达到35539.2万户，移动电话用户达到40407.2万户，现代电话网络是由程控交换机进行交换传输，移动通信也从模拟时代走向了高度数字化时代，它们的性能已经有了很大的进展，而且可靠性非常高。正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。电话远程控制作为一较新的课题与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越性，不需进行专门的布线，不占用无线电频率资源，避免了电磁污染。同时，由于电话线路各地联网，可以充分利用现有的电话网，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。另外电话属双工通信手段。因此，这可以大大体现出利用电话进行遥控的更大优越性。操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。电话遥控部分课题目前已有涉足者，但是只是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的差距，并不能完全体现出电话遥控方式的双工通信特点。本设计正是针对这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。而且本设计的调试都是在线调试，已经在电信、铁通的交换机实验并且能够成功的使用移动电话进行操作。短信息服务（Short Message Service，SMS）是GSM（Global System for Mobile Comm unication）系统中提供的一种GSM终端（手机）之间，通过服务中心(service center)进行文本信息收发的应用服务，其中服务中心完成信息的存储和转发功能。短信息服务作为GSM网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。由于GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。同时，他对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高、且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速的普及。利用GSM短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。在此以GSM网络作为数据无线传输网络，它可以应用在银行、储蓄点机房监控、电信机房动力环境监控、通信行业远端无人值守站机房监控和远程维护（如移动通信基站、微波站、光纤中继站等）及其他无人值守点（如仓库、办公楼等）监控及城市公用事业实时监控维护系统像煤气调压站、自来水、污水管网和热力系统 、电力系统城市中电网等情况中。在此本系统采用了Siemens公司新一代无线通信GSM模块TC35是，它设计小巧、功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系统的设计。图 1.1-1智能家居控制系统示意图1.2 智能家居控制系统的概述随着社会信息化的加快，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。家居智能化技术起源于美国，它是以家为平台进行设计的。智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。大型的智能家居控制系统通常由系统服务器、家庭控制器(各种模块)、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。1.3 课题研究的目的及意义智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。使生活更加舒适、便利和安全。因智能家居控制系统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。1.4 本课题研究思路和拟完成的任务本设计将微控制器和GSM无线通信模块应用到远程红外报警系统的设计之中。通过红外探测的方式实现报警信号的采集。通过GSM无线通信模块实现远程报警。系统正常工作时，当红外探测电路检测到有人入侵时，系统将在现场发出报警音响信号。并将报警信息通过GSM无线通信模块传送到远程的用户手机上，从而实现远程的安防和报警。同时用户可以通过手机，利用发送短信的方式对系统进行管理，例如变更信息发送的手机号码，修改管理密码，报警系统的确认和关闭，报警的启动等管理工作。本文的第一部分将对运程红外报警系统的各个主要部分的方案进行论证和比较，并确定最终的总体设计方案。第三部分将从红外探测电路设计、单片机最小系统设计、GSM无线通信电路设计、报警电路设计等多个方面对远程报警系统的硬件部分进行详细设计。并给出各部分设计的电路原理图。第四部分将对远程红外报警系统的软件部分进行详细设计。主要包括TC35 GSM模块的编程、单片机串行口的编程以及系统主程序流程的设计。给出软件设计的流程图。第五部分将进行系统的制作与调试。主要包括硬件制作与调试、软件与联机调试。最后，第六部分，将对本文的设计内容进行总结。并提出设计目前存在的不做和改进的设想。第二章 相关理论基础2.1 智能家居系统概述智能家居控制系统（英文smarthome control systems，简称SCS），是北京市博万特科技有限公司是以智能家居G-BUS系统一格智能为平台，家居电器及家电设备为主要控制对象，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施进行高效集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统，提升家居智能、安全、便利、舒适，并实现环保节能的综合智能家居网络控制系统平台。智能家居控制系统是智能家居核心，是智能家居控制功能实现的基础。随着社会的进步和科学的发展，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。家居智能化技术起源于美国，它是以家为平台进行设计的。智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。大型的智能家居控制系统通常由系统服务器、家庭控制器(各种模块)、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。这里由于时间问题，就不做复杂的家居控制系统设计，对其中一项远程红外报警系统做主要设计。目前，我们已基本上摆脱了“手持武器、瞪大眼睛”的人力机械防守手段，科技强兵、靠现代技术武装自己，提高安全防范的可靠性和效率，其中防盗报警系统是安防系统中应用最广泛的手段之一。其独特的功能是其它安防手段所无法比拟的。2.2 报警系统的构成报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，使于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。 报警系统通常由探测器（又称防盗报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。 报警探测器是由传感器和信号处理组成的，用来探测入侵者入侵行为的，由电子和机械部件组成的装置，是防盗报警系统的关键，而传感器又是报警探测器的核心元件。采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置。 1、报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。 2、报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。 3、报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。 除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。 报警探测器作为传感探测装置，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。 根据实际现场环境和用户的安全防范要求，合理的选择和安装各种报警探测器，才能较好的达到安全防范的目的。当选择和安装报警探测器不合适时，有可能出现安全防范的漏洞，达不到安全防范的严密性，给入侵者造成可乘之机，从而给安全防范工作带来不应有的损失。 报警探测器要求具有防拆动、防破坏功能。当报警探测器受到破坏、人为将其传输线短路或断路，以及非法试图打开其防护罩时，均应能产生报警信号输出；另外报警探测器还应具有一定的抗干扰措施，以防止各种误报现象的发生，例如：防宠物和小动物骚扰、抗因环境条件变化而产生的误报干扰等。 报警探测器的灵敏度和可靠性是相互影响的。合理选择报警探测器的探测灵敏度和采用不同的抗外界干扰的措施，可以提高报警探测器性能。采用不同的抗干扰措施，决定了报警探测器在不同环境下的使用性能。了解各种报警探测器的性能和特点，根据不同使用环境，合理配置不同的报警探测器是防盗报警系统的关键环节1。2.3 报警系统的现状及发展趋势 随着微电子技术与网络技术的飞速发展，人们对于生活、工作环境的安全、方便、舒适提出了越来越高的要求，因此智能化住宅就随之出现，也随着改革开放的深入和市场经济的迅速发展、提高，城市外来流动人口大量增加，带来许多不安定因素，刑事案件特别是入室盗窃、抢劫居高不下，因此智能安全防范系统是智能化小区建设中不可缺少的一项，而以往的做法是安装防盗门、防盗网，但普遍存在有碍美观，不符合防火要求，而且不能有效地防止犯罪分子对住宅的入侵，故利用高科技的电子防盗报警系统也就应运而生。目前我国大多数家庭都是双职工，当发生警情时，不能有效地处理，因此，必须设立小区报警中心，在发生警情时，除了现场报警外，同时还向小区的保安中心进行电脑联网报警，以便警情得到迅速处理。 数字化、无线化、集成化是防盗报警系统的技术发展趋势: 1、更稳定可靠：如探测器需可抗RFI/EMI、防雷电等，以适应恶劣气候； 2、更多样的功能：如探测器可调频、防遮挡、防喷盖、防破坏等； 3、更精美、小巧的外观：以符合品味日益提高的室内装潢需求； 4、更智能化的设计：方便地设撤防，人性化的操作界面； 5、更强大的联网功能; 6、更方便的扩展性。 上述发展趋势，事实上都建立在数字化、无线化、集成化的三大核心技术基础上。 GSM网络防盗系统是利用GSM全球移动网络进行24小时即时无限距离监控，并能在发生警情的几秒钟内拨通车主手机或电话进行语音或者短信息报告，车主可立即通过来电进行监听、喊话、锁定车辆，系统将自动切断油路、电路，使车子无法启动，具有真正意义的“防”盗功能，防盗于未然，从根本上杜绝了盗车的可能；遭遇抢劫过后，则可凭电话锁定车辆，通过GSM网络定位寻回失车。GSM的移动数码通信技术及全球移动通信的普及应用，使用任何的移动、固定电话通信对车辆进行管理和监护,也可无钥匙对车辆进行操作启动和驾驶，实现不限时间、地点的全球远程遥控与监控，使人、车相处“形影不离”。人性化的产品及人性化的功能，以语音或短信息作为产品功能设置、操作、使用、通信的平台，实时、清晰、明了的传送遥控与报警信息，完全抛开人车分离时的担忧。摒弃传统产品的被动报警、距离隔阂、远程无知与失控的弊端，将爱车随时处于自己的掌控之中，是最新汽车高科技配套产品。GSM网络防盗系统有效的克服了GPS防盗系统的成本高、网络覆盖不全、防盗性能低、报警不直接等缺陷，而且无需支付服务费，已迅速成为新的主流防盗系统。2.4 GSM 原理 GSM是全球移动通信系统(GlobalSystemforMobilecommunications)的简称。GSM是当前应用最为广泛的移动电话标准，全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。所有用户可以在签署了漫游协定移动电话运营商之间自由漫游。GSM较之它以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代(2G)移动电话系统。这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。 从用户观点出发，GSM的主要优势在于用户可以从更高的数字语音质量和低费用的SMS之间作出选择。网络运营商的优势是他们可以根据不同的客户定制他们的设备配置，因为GSM作为开放标准提供了更容易的互操作性。这样，标准就允许网络运营商提供漫游服务，用户就可以在全球使用他们的移动电话了。GSM网络一共有4种不同的蜂窝单元尺寸：巨蜂窝，微蜂窝，微微蜂窝和伞蜂窝。覆盖面积因不同的环境而不同。巨蜂窝可以被看作那种基站天线安装在天线杆或者建筑物顶上那种。微蜂窝则是那些天线高度低于平均建筑高度的那些，一般用于市区内。微微蜂窝则是那种很小的蜂窝只覆盖几十米的范围，主要用于室内。伞蜂窝则是用于覆盖更小的蜂窝网的盲区，填补蜂窝之间的信号空白区域。GSM同样支持室内覆盖，通过功率分配器可以把室外天线的功率分配到室内天线分布系统上。这是一种典型的配置方案，用于满足室内高密度通话要求，在购物中心和机场十分常见。然而这并不是必须的，因为室内覆盖也可以通过无限信号穿越建筑物来实现，只是这样可以提高信号质量减少干扰和回声。短信收发的编码格式一共有三种：Block模式,Text模式和PDU(protocoldescriptionunit)模式。其中BlockMode已经逐渐被淘汰，下面介绍的内容，是在PDUMode下发送和接收短消息的实现方法。PDU串表面上是一串ASCII码，由“0”-“9”、“A”-“F”这些数字和字母组成。它们是8位的十六进制数。PDU串不仅包含可显示的消息本身，还包含很多其他信息。第三章 系统的总体方案论证与设计 前面我们讨论了报警系统的构成及其发展趋势，本章我们将对远程红外报警系统的各个部分进行论证，进行系统的总体设计。3.1 系统设计方案的论证3.1.1 监控传感器的选择监控传感器是用来探测入侵者的入侵行为2。需要防范入侵的地方很多，可以是某些特定的点、线、面，甚至是整个空间。监控传感器是一种物理量的转化装置，通常把压力、震动、声响、光强等物理量转换成易于处理的电量（电压、电流、电阻等）。再经过后面的信号处理器把传感器转化的电量进行放大、滤波、整形处理，使它能成为一种能够在系统传输信道中顺利转送的信号。凡是温度超过绝对0的物体都能产生热辐射，而温度低于1725的物体产生的热辐射光谱集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热。而任何物体由于本身的物理和化学性质的不同、本身温度不同所产生的红外辐射的波长和距离也不尽相同，通常分为三个波段。近红外：波长范围0.753m中红外：波长范围325m远红外：波长范围251000m人体辐射的红外光波长350m，其中814m占46%，峰值波长在9.5m。下面分别介绍被动式红外探测器和主动式红外探测器3。方案一：被动式红外探测器在室温条件下，任何物品均有辐射。温度越高的物体，红外辐射越强。人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。我们之所以称为被动红外，即探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。探测器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。其核心是不见是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是814m，人体辐射的红外峰值波长约为10m，正好在范围以内。被动式红外探测器根据其结构不同、警戒范围及探测距离也有所不同，大致可以分为单波束型和多波束型两种。单波束PIR采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。这种方式的探测器境界视场角较窄，一般在5以下，但作用距离较远，可长达百米。因此又称为直线远距离控制型被动红探测器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。多波束型采用透镜聚焦式光学系统，目前大都采用红外塑料透镜多层光束结构的菲涅尔透镜。这种透镜是用特殊塑料一次成型，若干个小透镜排列在一个弧面上。警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成立体扇形感热区域，构成立体警戒。菲涅尔透镜自上而下分为几排，上面透镜较多，下边较少。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜。下边透镜较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。多波束型PIR的警戒视场角比单波束型大得多，水平可以大于90，垂直视场角最大也可以达到90，但作用距离较近。所有透镜都向内部设置的热释电器件聚焦，因此灵敏度较高，只要有人在透镜视场内走动就会报警。红外光穿透力差，在防范区内不应有高大物体，否则阴影部分有人走动将不能报警，不要正对热源和强光源，特别是空调和暖气。否则不断变化的热气流将引起误报警。为了解决物品遮挡问题，又发明了吸顶式被动红外入侵探测器。安装在顶棚上向下360范围内进行警戒，只要在防护范围内，无论从哪个方向入侵都会触发报警，被动式报警探测器由于探测性能好、易于布防、价格便宜而被广泛应用。方案二：主动式红外探测器主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。主动式红外探测器有单光束、双光束、四光束之分。以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式安装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆层）反射回的红外光束。当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时发出报警信号。当使用较多的探测器进行防范布局时应该注意消除射束的交叉误射。综合考虑被动式红外传感器探测性能好、易于布防、价格便宜，本设计采用被动式红外传感器，也就是热释电传感器。3.1.2 微控制器的选择在选择微控制器的时候，主要需要考虑：处理器的速度，要实现的功能，ROM和RAM的大小，I/O端口类型和数量，编程语言以及功耗等。方案一：基于ARM的嵌入式系统。这种方案中我们可以使用现有的操作系统（MCOS-），在系统的基础上进行应用程序的开发。由于ARM处理器的功能强大，资源丰富，因此使用这种方案可以使系统功能近乎完美，而且由于使用了操作系统，应用程序的设计会变的简单可靠。但是这种方案成本较高，同时使用的嵌入式操作系统也会占用一部分额外的硬件资源，这样会大大的提高开支。目前情况下，我们不考虑这种方案。方案二：SOC型单片机GSM模块构成的系统。目前SOC型单片机已经非常普遍，基于51内核的SOC型芯片也有众多的供应厂商。如Cyganl 公司的C8051系列。这些单片机都有丰富的资源，一般都不需要外扩其他器件就可以构成一个完成的系统。优点在于减少了布线的麻烦，提高了系统的整体性能。方案三：采用常用的AT89S52单片机作为核心控制器，此单片机的内部存储器（RAM）和程序存储器（ROM）及其引脚资源，基本上能实现设计指标，并且价格便宜，参考资料很多。完成本设计的控制功能，常用的AT89S52单片机完全可以满足要求，并且成本更加低廉。因此综合考虑选用方案三。3.1.3 无线通道方案的选择 目前的无线通道的数据传输实现主要分为两种，一种是通过专用网进行数据传输，如RF（射频）数传电台和无线局域网（WLAN）；一种是通过公共无线通信网络，如GSM/GPRS网络的成熟度高，覆盖面较广，因而GSM/GPRS网络被选为该无线通道总体方案的通信基础4。而基于GSM/GPRS网络的数据传输通常有四种方式，一种是基于短消息的数据传输，第二种是基于DATA（一种以电路交换为基础的传输方式）的数据传输；第三种是通过语音方式进行数据传输；最后就是通过IP（INTERNET PROTOCOL，因特网协议）方式传输数据。下面对四种基于GSM/GPRS网络的无线数据传输方式的各自特点作简单的介绍。方案一：基于短消息的数据传输 基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用AT指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成一次数据通信。基于短消息的数据传输方式的特点是资费较低，组网使用方面，但数据容量较低（140字节）。短消息数据传输方式特别适合于小数据量且中低采集频率的无线监控系统使用。方案二：基于DATA方式的数据传输 基于DATA方式的数据传输是利用GSM的DATA（与传真相同）传输方式。通过AT指令来进行数据拨号，等待数据连接建立后，只需将ASC码数据送入通信模块既可。通信模块会按照设定好的通信协议（默认为V.32bis）将数传出，目标机接到数据呼叫后，送出应答信号，然后便可按照相同协议接收ASC码信息。基于DATA的数据传输方式数据传输安全、实时性好、数据传输量大，但主要是成本较高，适合与要求可靠性很高且海量数据传输的系统中。 方案三：通过语音方式进行数据传输通过语音方式进行数据传输，主要是利用语音通道将数据调制到话音频率传输出去，目标机将数据解调出来。该方案还可以通过语音通道传输。DTMF（Double Time Multiple Frequency,双音多频）编码进行数据传输，通信方式与语音方式一样，该方案主要优点是可以用来传输音频模拟数据，实时性很好（电路交换方式），但由于GSM系统的语音编码方式局限，对数据的压缩/还原会造成数据的失真。该方案基本不被采用，但可以作为备选方案用于无线安防系统中。方案四：基于IP的数据传输方式基于IP的数据传输方式是GPRS系统独有的，因为GPRS是在GSM网络基础上新增两个节点-SGSN和GGSN而形成的移动分组数据网络。由于GPRS数据传输的基础是TCP/IP协议的转换。实时性较好，短点就是GPRS终端开发成本高，使用复杂度教高（因为涉及到复杂的组网方案）。根据目前大部分系统的需求并综合以上方案的优缺点，选择基于GSM网络的短信息的数据传输来做为我设计的红外远程报警系统的无线通道。3.2 系统的总体设计方案 前面已经对远程红外报警系统主要模块的方案进行了论证和比较，并确定了各个部分的总体设计思路。综合以上考虑，本设计总体设计框图如图2-1所示。