无线多功能家庭安全系统设计new

1、2006年首届ST-EMBEST杯嵌入式电子设计大赛入门组A430设计报告无线多功能家庭安全系统摘要：本报告就“数字家庭”这一研究热点中的“家庭安全”方面设计了一套无线多功能家庭安全系统。该系统分为报警信号采集和控制部分和人机交互部分，前一部分实现了对家庭中各种安全隐患，例如：煤气泄漏，非法入侵等进行监控报警，并通过无线数传模块将报警信号传给人机交互部分，由其进行报警处理，针对不同的报警源分类进行语音报警，并通过GSM网络发送短消息进行远程报警。本系统信号传递利用无线方式，省去了布线的麻烦，操作简单，适合老人和孩子使用，具有一定的使用价值。一、 引言以前，传统的家庭安全防范的概念，就是装上坚固

2、而又笨重的防盗门、栏、锁，把自己关在一个“笼”内，以这个“笼”的坚固来抵御外来入侵者。道高一尺、魔高一丈。随着犯罪分子作案手段的多样化、智能化和狡诈性、先进性，传统的实体防护手段已难以适应现代家庭安全防范的需要。而且，一旦发生诸如煤气泄漏、火灾等意外事故，“牢”门“兽”窗反而成了居民逃生的屏障。因而现代家庭迫切需要高科技的家庭安全防范系统，来“保护”我们生命和财产的安全。 近年，国内许多城市都在大力兴建“智能小区”，将家庭安全系统落实到户。但其安全防范系统存在许多不足和缺陷，如系统繁杂，操作不便等。有些报警系统甚至还存在错报或漏报现象，从而给家庭安全带来隐患。同时，由于系统繁杂，家中老人和儿童

3、不易掌握，因而给生活带来许多不便。因此，我们计划设计并制作基于微控制器的，集家电监控、煤气泄漏报警、GSM远程报警等多功能于一体的无线多功能家庭安全系统。二、 功能简介本系统主要实现对家电的实时监控，煤气泄露报警，防盗自动报警和人工呼叫的高度统一。并利用GSM网络，在需要时，以短消息的形式向外界发出警告或求助信息，以尽快得到帮助。整个系统大致分为两部分：一个是对各类报警源信号采集和控制部分，另一个是对接收到报警信号进行处理的人机交互部分，其间通过无线射频信号联系，所以基本不需要复杂的布线。主要实现功能：1. 自定义工作模式本系统为用户提供了自定义安全工作模式：当主人在家，可以设置关闭防盗报警（

4、因为防盗报警是针对运动物体的红外监测），以免发生误报；当主人外出办事时，可设置“无人在家”模式，开启各类报警以及GSM远程提示。系统用指示灯表示相应的报警源，主人可通过人机界面来选择系统的当前工作模式。2. 自动报警当启动各类报警功能后，传感器检测模块便处于工作状态，一旦检测到相应的干扰信号，例如：煤气泄漏并超过一定浓度、主人在外而红外监测模块检测到屋内有人活动，信号采集部分接收到这些报警信号后，便会触发发射模块发出高频调制的编码信号，由位于人机交互部分上的无线模块接收，并经滤波、整形传送给微处理器。一方面发出报警声，阻吓闯入者；另一方面按照设定好的模式，采取相应的措施。3. 远程提示该项功能

5、是可以选择的。若启用后，有非法进入者时，便通过通讯装置，利用GSM移动通讯网络将指定的紧急通知短信逐一发送至设定好的联系手机，可以是户主、邻居或是朋友，通知他们有人闯入居室，以便尽早采取相应的措施。当然如果小区物业有开通该项服务，就可直接联系警卫。其中的通讯装置，可以选用专用的GSM模块，也可以借用普通手机的GSM部分，并通过专用的数据线与MCU连接；具体实现方式可利用AT指令集，由软件编程完成。4. 密码功能整个家庭安全系统的开启需要输入密码，另外在拿钥匙开门前也需要输入进门密码。如果输入三次密码都错误，则系统还是会报警，防止钥匙的意外丢失。当然密码是可多次重新设定的，但在确定新号码之前必须

6、输入原来的号码，增加可靠性。而且在设定联系的手机号码时，也需先输入旧的密码，拒绝任意的篡改。5. 求救功能主要用于当室内由于暴力入侵主人受到威胁时，或主人因身体严重不适需求助时，可按动报警求救按钮，系统在发出警告声的同时，一并通知自己的亲朋好友。求助信息也以短消息的形式发出，具体内容和接收对象都需事先设定好。求救功能通过一键触发，大大降低操作的复杂性，便于老人和孩子使用。6. 掉电保护最基本的解决方案是装好备用电池，当发生断点异常时能及时切换到备用电池供电方式，并同时又使指示灯亮起提示主人更换新电池。在编制程序时，设定当系统在正常运作状态将需要保存的参数存放在flash，发生掉电情况时不致遗失

7、相关数据。当再次启动时初始化值可从从flash直接得到。7. 简易语音门铃功能 门铃功能主要分三种模式：当主人在家，不希望受到他人打扰时，可选择“请勿打扰”模式，此时按门铃不起作用；主人如外出即归时，可选择“请稍候”模式，以语音提示；主人外出办事时，可选择“出门在外”模式，按门铃后以语音告知主人不在家，免得来访者久等。这些工作模式设置都可在人机交互部分中进行设置。8 数据记录和查询 如有需要本系统还可以通过串口和本地计算机相连，进行报警历史记录，并且可以进行记录的查询。三、系统原理及框图 整个系统大致分为两部分：一个是对各类报警源信号采集和控制部分，另一个是对接收到报警信号进行处理的人机交互部

8、分。信号采集和控制部分是由数据采集、数据处理、数据发送和电源四个模块组成：1. 数据采集包括各类传感器，针对煤气泄漏的电阻式半导体气体传感器，针对防盗的红外监测模块；2. 数据处理模块采用的是低功耗的MSP430单片机；3. 数据传输采用无线数传模块CC1100；4. 电源采用TPS79333为处理器和无线数传模块提供稳定的电压。人机交互部分是由处理器模块、无线数传模块、语音模块、GSM模块、LCD模块和键盘控制电路组成。1. 处理器模块选用基于ARM7内核的STR710处理器；2. 无线数传模块仍是CC1100，并通过串口和处理器相连；3 .语音模块采用ISD4004语音芯片构成语音报警和提

9、示电路，处理器通过SPI接口和语音电路连接；4. GSM模块欲采用西门子公司TC35模块，并通过串口和处理器连接；5. LCD模块采用点阵字符型液晶屏；6. 键盘控制电路采用周立功公司ZLG2790芯片作为键盘电路的控制芯片，通过IIC总线和处理器相连。系统结构框图如下图所示：图一 系统硬件结构图四、芯片选型及其性能参数信号采集和控制部分芯片参数：1. 数据采集模块采用的传感器：电阻式半导体气体传感器采用TP-4型空气污染物传感器，对低浓度空气污染物如氢气,碳氢化合物,酒精,一氧化碳,苯残余物等气体灵敏；红外监测模块采用红外传感器ST188，其特点是采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶

10、体管组成，采用非接触式检测方式.ST188的检测距离很小，一般为4-15mm；2. 数据处理模块采用MSP430单片机系列的MSP430F133：该芯片是16位，低功耗单片机，供电电压只需1.8V-3.6V，16位精简指令体系，8KB+256B Flash Memory,256BRAM，两个串口控制器，一个SPI接口；封装采用64脚（QFP）；3. 数据收发模块采用CC1100无线数传模块：CC1100是一款多通道RF收发器，采用44mm 20引脚QFP封装，允许用户利用工作在2.4GHz和1GHz以下频率相同的系统固件，同时CC1100功耗很低，还包括广播叫醒功能；4. 电源模块采用TPS7

11、9333稳压芯片：该芯片输出电流为200mA，输出电压为3.3V，输出电容为2.2uFC，响应时间快速。人机交互部分芯片参数：1. 数据处理模块采用STR710系列中的STR710FZ2芯片：该芯片为16/32位ARM7 RISC CPU;有256KB Flash和64KBSRAM;拥有丰富的片内外设：4个标准定时器，每个定时器有一个带有7位预分频比例因子的16位计数器，至多两个输入捕获、输出比较功能，一个脉冲计数功能及一个带可选频率的PWM通道；实时时钟RTC，由低功耗的32kHz的振荡器驱动，其可作为通用的基准时间使用，也可用于时钟、日历或报警；4个UART允许实现与外部设备的全双工异步通

12、信，其接收Rx和发送Tx的数据传输率可单独编程设置，最高可达625kb/s；2个SPI，可与外部设备进行全双工同步通信。主/从通信在主模式和从模式下的通信速率分别可达5.5Mb/s和4Mb/s；48个通用I/O口；最多有14个外部中断可被用户使用；2. 无线数传模块仍是采用CC1100模块：具体参数见上；3. 语音模块采用ISD4004语音芯片构成语音报警和提示电路：ISD4004 语音系列芯片是美国ISD公司推出的产品，具有多次重复录放，存储时间长，可达8-16分钟，使用时不需扩充存储器，所需外围电路简单等特点；4. GSM模块采用TC35模块：该模块是西门子公司推出的新一代GSM通信模块。

13、它设计小巧、功耗很低，支持EGSM900和GSM1800双频，模块的工作电压为3.35.5V，数据速率在CSD状态下最大速率14.4kbps，模块尺寸大小是54.5 x 36 x 6.7mm，管脚为40pin；5. LCD模块采用点阵字符型液晶屏JHD162A：该模块采用5V供电，显示内容16 字符x 2 行，字符点阵5 x 8点驱动方式1/16D；6. 键盘控制电路采用周立功公司的ZLG7290芯片：该芯片利用IIC总线和处理器连接，并提供键盘中断信号方便与处理器接口，可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键，可控扫描位数可控任一数码管闪烁，提供数据译码和循环移位段寻址等控制，有8个功能键可检测任一键的连击次数，无需外接元件即直接驱LED可扩展驱动电流和驱动电压，提供工业级器件多种封装形式DIP24，SO24；8五、软件设计流程软件完成各部分硬件的控制和协调。这里列出了主要的软件运行的流程，这只是初步的设计，在将来具体实现中可能还会发生变化。图二 人机交互系统软件设计流程图三 中断处理流程图四 信号监控系统软件流程参考资料【1】沈建华等编著 STR71x系列ARM微控制器原理与实践 北京航空航天大学出版社 2006.9【2】STR