移动通信在生活中的应用——GSM在报警器设计系统中的应用

1、移动通信论文作业基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统学院：数学与计算机学院年级： 2011级 专业：计算机科学与技术班级： 1班 姓名： 余武丹 学号： 2011115151 日期： 2014年5月1日目录引 言1第一章 单片机概述2第二章 GSM模块22.1 GSM相关知识22.1.1简介22.1.2发展历史22.1.3具体介绍32.1.4频率配置32.1.5市场状况42.1.6系统结构42.1.7安全水平42.1.8技术特点52.2 HRH GSM MODEM介绍52.2.1 GSM Modem 的主要功能52.3 GSM Modem的硬件接口52.4 HRH GSM Modem 的软件协

2、议52.4.1 设置短信中心号62.4.2 利用GSM MODEM 向普通手机发短信6第3章 键 盘 显 示63.1 HD7279键盘显示芯片63.2 HD7279的典型应用电路：7第5章 实时时钟75.1 DS12887功能与特点介绍75.2 时间、日历和定闹单元85.3 DS12887引脚定义8第6章 遥 控 器8第7章 传感器97.1 红外传感器97.2 烟雾传感器97.3气体泄漏传感器9第8章 家庭防盗报警系统的软件设计108.1主程序流程图（图1）108.2 外部中断0中断服务子程序流程图（图2）11第9章 结论11 引 言目前传统的机械式（防盗网、防盗窗）安防系统在实际使用中暴露了

3、很多隐患，例如：为其它没有安防盗窗的相近楼层形成被盗隐患、发生火灾时不易逃生等。随着电子技术的飞速发展，报警系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展。而各种防盗报警系统之间的主要区别是在于如何让分机与主机、分机与用户之间进行通讯。目前市场上常见的防盗报警系统的通信方式有固定电话拨号、以太网、集群系统等等。但它们有各自的缺点：固定电话拨号容易被盗贼在入室抢劫前切断电话线或恶意占线，使其在关键时刻失灵。以太网同样面临着线路被切断的隐患，且不易普及。集群系统功耗很大，网络架设和维护费用很高，而且需要购买固定的频点。针对以上通信方式的优、缺点，设计了基于GSM短信模块的家庭无线防盗报警系统。此

4、系统可解决这些隐患，让家庭防盗更及时、使用更方便。它不再依赖有线电话执行报警，而是借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的中文短消息或电话形式，直接把报警地点的情况反映到您的手机屏幕上。它采用主动式红外传感器进行检测，变有形的传统防盗网防盗窗为无形，给火灾时的逃生提供方便。并配备烟雾传感器和燃气泄漏传感器，实现防火、防燃气泄漏的作用。 本文介绍了用AT89S52单片机实现的基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统，以及AT89S52单片机的功能特点、GSM短信模块工作原理、传感器工作原理。系统组成框图如下：GSM模块红外传感器烟雾传感器燃气泄漏传感器MCU遥控布、撤防备 用 电 源第一章 单

5、片机概述AT89S52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，因此本系统采用AT89S52单片机作为主控制芯片。l 与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz33Hz；三级加密程序存储器；32个可编程I/O口线；三个16位定时器/计数器；八个中断源；全双工UART串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。第二章 GSM模块2.1 GSM相关知识2.1.1简介GSM是Global System For Mobile Communications的缩写，

6、由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，GSM是全球移动通信系统的简称。它的空中接口采用时分多址技术。自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场80%以上。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。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。从用户观点出发

7、，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短信之间作出选择。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作为一个继续开发的标准，保持向后兼容原始的GSM电话，例如报文交换能力在Release 97版本的标准才被加入进来，也就是GPRS。高速数据交换也是在Release 99版标准才引入的，主要是EDGE和UMTS标准。2.1.2发展历史尽管当前GSM相当普及，但是构思移动电话的历史在GSM之前很长时间就开始了。GSM小组(Group

8、e Spcial Mobile (法语) 1, 2, 3 and 4)创立于1982年。GSM的名字也是源于这个小组的名字，尽管后来决定使用缩写代替了它的原有的含义。最开始这个小组由CEPT负责管理。GSM系统的原始技术在1987定义。1989年， ETSI从CEPT接手。1990第一个GSM规范说明完成，这个规范的文本长达超过6000页。商业运营开始于1991，地点是芬兰的Radiolinja。1991年欧洲开通了第一个GSM系统，移动运营者为该系统设计和注册了满足市场要求的商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（GSM）。虽然GSM作为一种起源于欧洲的第二代移动通信技术标准，但它的研发初

9、衷就是让全球共同使用一个移动电话网络标准，让用户拥有一部手机就能走遍天下。GSM也是国内著名移动业务品牌“全球通”这一名称的本源。1992年欧洲标准化委员会统一推出的标准，它采用数字通信技术、统一的网络标准，使通信质量得以保证，并可以开发出更多的新业务供用户使用。GSM移动通信网的传输速度为9.6K/s。目前，全球的GSM移动用户已经超过10亿，覆盖了1/7的人口，GSM技术在世界数字移动电话领域所占的比例已经超过70%。由于GSM相对模拟移动通讯技术是第二代移动通信技术，所以简称2G。由于GSM标准的开放性，频率利用率比模拟的高（约为模拟网的1.8一2倍），很快在世界获得了普及，并成为数字制

10、式移动通信（也称第二代）网络的主导技术。GSM的手机与“大砖头”模拟手机的区别是多了用户识别卡（SIM卡）没有插入SIM卡的移动台（手机）是不能够接入网络的。GSM网络一旦识别用户的身份，即可提供各种服务。11998年，3G合作项目(3GPP)启动。最初，这个项目的目标是制定详细的下一代移动通讯网（3G）规范。然而，3GPP也接受了维护和开发GSM规范的工作。ETSI是3GPP的一个成员。2.1.3具体介绍1.移动通信技术GSM属于第2代（2G）蜂窝移动通信技术。2代的说法是相对于应用于80年代的模拟蜂窝移动通信技术以及目前正逐渐进入商用的宽带CDMA技术。模拟蜂窝技术被称为一代移动通信技术，

11、宽带CDMA技术被称为三代移动通信技术，即3G。2.无线电接口GSM 是一个蜂窝网络，也就是说移动电话要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单元区域。GSM网络运行在多个不同的无线电频率上。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。蜂窝半径范围根据天线高度、增益和传播条件可以从百米以上至数十公里。实

12、际使用的最长距离GSM规范支持到35公里。还有个扩展蜂窝的概念，蜂窝半径可以增加一倍甚至更多。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线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。2.1.4频率配置1、GSM 900MHz频段GSM 900MHz频段双工间隔为45MHz，有效带宽为25MHz，124个载频，每个载频8个信道。GSM900 ：上行（MHz）890-915；下行（MHz）935-960（GSM最先实现

13、的频段，也是使用最广的频段）GSM900E ：上行（MHz）880-915；下行（MHz）925-960（900MHz扩展频段）2、中国GSM900使用频率中国移动上行频段：890-909 MHz 下行频段：935-954 Mhz中国联通上行频段：909-915 MHz下行频段：954-960 Mhz3、DCS1800MHz频段GSM 1800MHz频段双工间隔为95MHz，有效带宽为75MHz，374个载频，每个载频8个信道。GSM1800 ：上行（MHz）1710-1785；下行（MHz）1805-1880（适用于对信道容量需求大的市场，应用范围仅次于900M。）4、中国DCS1800使用

14、频率中国移动上行频段：1710-1720 MHz下行频段：1805-1815 MHz中国联通上行频段：1745-1755 MHz下行频段：1840-1850 MHz2.1.5市场状况到2004年全球有超过10亿人使用GSM电话，GSM电话占到全球移动电话市场份额的70%。GSM的主要竞争CDMA（主要在美国和加拿大使用）尽管有好的前景但是有限，被作为3G标准过渡的CDMA没有展现出全部的功能。还有，因为W-CDMA网络建设的推迟，导致至少在高密度通话这块市场GSM的消亡速度还很慢，但是那是迟早的事情。在1998到2000年之间导致GSM用户增长的主要原因是移动运营商推出预付费电话服务。它允许那

15、些不能或者不想跟运营商签署合同的的人们拥有移动电话。这种服务在欧洲的移动运营商之间竞争也比较激烈，即使没有长期的签证，人们也可以从运营商那里以很低廉的价格买到一款手机。2.1.6系统结构1.GSM系统结构GSM系统主要由移动台（MS）、移动网子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作支持子系统（OSS）四部分组成。2.移动台（MS）移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。移动台的类型不仅包括手持台，还包括车载台和便携式台。随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持台的用户将占整个用户的极大部分。3.基站子系统

16、（BSS）基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。当然，要对BSS部分进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接。4.移动网子系统（NSS）移动网子系统（NSS）主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通

17、信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成，整个GSM系统内部，即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7 协议和GSM规范的7号信令网路互相通信。5.操作支持子系统（OSS）操作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。2.1.7安全水平GSM 被设计具有中等安全水平。系统设计使用共享密钥用户认证。用户与基站之间的通讯可以被加密。UMTS的发展提供了一个选择，就是USIM，它使用更长鉴别密钥保证更好的安全以及网络和用户的双向验证。GSM只有网络到用户的验证.虽然安全模块提供了保密和鉴别功能，但是鉴别能力有限而且

18、可以伪造。GSM为了安全使用多种加密算法。A5/1和A5/2两种串流密码用于保证在空中语音的保密性。A5/1是在欧洲范围使用的强力算法，而A5/2则是在其他国家使用的弱强度算法。在两种算法中严重漏洞都已经被发现，例如一个单一密文攻击可能实时的中断掉A5/2. 但是系统支持多个不同算法，这样运营商就可以换一个安全等级更强的。2.1.8技术特点1.GSM使用上直观的特点：GSM系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低、机卡分离。2.其主要技术特点如下：1.频谱效率。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语

19、音编码技术，使系统具有高频谱效率。2.容量。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用栽干比要求降低至9dB，故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小（模拟系统为7/21）；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比TACS系统高35倍。3.话音质量。鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。4.开放的接口。GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且报刊网络直接以及网络中各设备实体之间，例如A接口和Abis接口。5.

20、 安全性。通过鉴权、加密和TMSI号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口，由SIM卡和网络AUC的密钥决定。TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。6.与ISDN、PSTN等的互连。与其他网络的互连通常利用现有的接口，如ISUP或TUP等。7.在SIM卡基础上实现漫游。漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。GSM系统可以提供全球漫游，当然也需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。2.2 HRH GSM MODEM介绍由于HRH GSM Modem 内嵌高可靠性的GSM 引擎（GSM Ce

21、llular Engine）和51 单片机系统（MCS51），标准串行接口和精简的软件接口协议将用户从繁杂的GSM 通信标准解析和调试中解脱出来，使用方便，而且公网的数据传输具有通信范围广（GSM 网络基本覆盖全国），传输稳定、可靠等特点。因此本设计选用HRH GSM Modem来进行通信。2.2.1 GSM Modem 的主要功能a.收发短信；b.借助短信实现远程小批量数据传输；c.语音通话（GSM 电话）；d.数传模式实现无线实时数据通信；e.无线上网（自动应答型）。2.3 GSM Modem的硬件接口模块要求12V/500mA供电，与计算机或单片机通过串口通信，波特率9600bps，通过

22、SIM卡座来安装SIM卡。2.4 HRH GSM Modem 的软件协议 aA表示ASCII 字符A，00 或00H 表示16 进制数据00。b 帧结构：帧头（固定为0AAH）指令码数据2.4.1 设置短信中心号 以北京地区为例，短信中心号为：+8613800100500，应向GSM MODEM 下发数据帧：AA 09 2B 38 36 31 33 38 30 30 31 30 30 35 30 30 （16 进制数据）如果设置成功，GSM MODEM 应答 AA 09 “+8613800100500”，如果设置不成功，GSM MODEM 应答 AA 09 ERROR短信中心号设置后，保存在S

23、IM 卡上，只需设置一次；也可以在手机上把短信中心号设置好后再装入GSM Modem，以后就不用再设置。2.4.2 利用GSM MODEM 向普通手机发短信 以向手发中文信息“测试”为例：首先计算或查表得到“测试”的UNICODE 编码为：6D4B（测） 8BD5（试）；向GSM MODEM 下发数据帧：AA 02 31 33 36 36 31 31 37 34 36 30 32 6D 4B 8B D5GSM MODEM 可能返回以下信息：AA 01 ERROR短信未从GSM MODEM 送出，可能是未登陆网络或SIM 卡故障。AA 01 OK 短信已从GSM MOD

24、EM 送出，但未送达短信中心，可能是信号质量差或天线连接不好。AA 01 SEND OK 短信已送达短信中心，并且短信中心已经下发给接收方。AA 01 SUCCESS 0304111023123203041110231532接收方已经收到短信（注意仅当接收方手机已经设置短信自动应答时才会返回；GSM MODEM 已设置成短信自动应答）。AA 01 FAILURE0304111023123203041110331532短信中心未能将短信送达接收方或接收方已经收到短信，但其给短信中心的回应短信中心没有收到（注意仅当接收方手机已经设置短信自动应答时

25、才会返回）。一般情况下，由于短信不保证实时性，所以从发送到对方接收到短信可能有5-10 秒的延时，使用中建议设置短信超时定时器长度在20-30 秒左右。短信发送成功的返回信息：先返回 AA 01 SEND OK31；如果接收方手机设置了短信自动应答，则在对方收到后返回AA 01 SUCCESS 0304111023123203041110231532。短信发送失败的几种可能返回信息：a. AA 01 ERRORb. AA 01 OKc. AA 01 SEND OK32 后； AA 01 FAILURE：03041110231232030411

26、10331532第3章 键 盘 显 示 为了实现系统发生紧急情况时能够向指定的号码发送短信息的功能，则必须有键盘和LED显示，来对防盗报警系统进行电话号码的预设，本设计选用HD7279作为键盘显示驱动，3.1 HD7279键盘显示芯片该芯片支持64键盘和8位数码管动态显示，与传统的键盘显示芯片8279相比，外围芯片少，与CPU仅有4线串行通信，大大的节省了CPU I/O口的资源；HD7279内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有两种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如左移、右移、闪烁、消隐、段寻址等；HD7279具有片选信号，可方便的实现多于8位的显示或多于64键的键盘接

27、口。3.2 HD7279的典型应用电路： 第5章 实时时钟为了实现发生警情时，对发生警情的时间进行记录，且为了保证系统的可靠运行，要求系统进行自检并定时上报系统运行状态，因此需要系统具有实时时钟功能。本设计选用了DS12887实时时钟芯片。5.1 DS12887功能与特点介绍DS12887采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部。采用DS12887芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口。DS12887芯片具有微轼耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。其主要功能如下：1内含一个锂电池，断电情况运

28、行十年以上不丢失数据。2计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能。3二进制数码或BCD码表示时间、日历和定闹。412小时或24小时制，12小时时钟模式带有PWM和AM指导，有夏令时功能。5MOTOROLA5和INATAEL总线时序选择。6有128个RAM单元与软件音响器，其中14个作为字节时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM，所有ARAM单元数据都具有掉电保护功能。7可编程方波信号输出。8中断信号输出(IRQ)和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。5.2 时间、日历和定闹单元时间和日历信息通过读相应的内存字节来获取，时间、日历

29、和定时闹钟通过写相应的内存字节设置或初始化，其字节内容可以是十进制或BCD形式。时间可选择12小时制或24小时制，当选择12小时制时，小时字节高位为逻辑“1”代表PM。时间、日历和定闹字节是双缓冲的，总是可访问的。每秒钟这10个字节走时1秒，检查一次定闹条件，如在更新时，读时间和日历可能引起错误。三个字节的定闹字节有两种使用方法。第一种，当定闹时间写入相应时、分、秒定闹单元，在定时允许、闹钟位置高电平的条件下，定闹中断每天准时起动一次。第二种，在三个定闹字节中插入一个或多个不关心码。不关心码是任意从C到FF的16进制数。当小时字节的不关心码位置位时，定闹为小时发生一次由于相线小时和分钟定闹字节

30、置不关心位时，每分钟定闹一次；当三个字节都置不关心位时，每秒中断一次。5.3 DS12887引脚定义 注：DS12887应用程序见附录第6章 遥 控 器 为了实现用户在进入防区前或离开防区后能对系统的布、撤防状态进行改变，本设计选用了315M调幅遥控器，该遥控器具有以下优点：工作在业余频段，不用花钱购买频点；有效距离远，一般可达2001000米；有丰富的地址码供用户选择，由于遥控器和遥控器接收板上应用的PT2262/PT2272编解码芯片对都提供8位三态的编解码状态，也就是说有3的8次方地址码可供用户选择，足以满足小区内所有用户的防盗报警布、撤防应用。发射、接收电路无解码电路图分别如下：第7章

31、 传感器要实现防盗、防火、防燃气泄漏，相应的传感器是必不可少的，而无论是哪种传感器，其最终输出的都是开关量。7.1 红外传感器对于防盗传感器，本系统采用主动式红外对射传感器，它相对于传统的被动式热释红外传感器有以下优点：1.主动式对射红外传感器安装于门窗及一切需要设防的位置，采用多光束综合判断，当有一定体积的障碍物遮挡时，才被触发，极大的降低了传感器的误报；2.由于其安装在门窗等位置，使夜间主人的正常活动不受限制，这给用户提供了极大的夜间布防的可能。7.2 烟雾传感器本设计选用离子式烟雾传感器，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏

32、电阻类的火灾报警器。7.3气体泄漏传感器本设计选用电化学型气体传感器，电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压，除了能检测CO，NO，N02，02，S02等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数已电化学式气体传感器主要的