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文档简介

、绪论1.1课题研究背景和意义党的十九大报告指出,努力提高社会治理的社会程度,专业化的水平,法治化,智能化。其中,最为重点指出社会治理的智能化,安防系统,智能家居,智能手表,人脸支付,智能机器人,自动驾驶等等,这些都需要快速的发展,当下智能家居系统发展尤为突出。自从人们生活水平逐渐提升,智能家居也相应进入大众的视野里,智能家居的出现尤其是小米公司为代表,小米公司旗下生态链出现了智能家居后,打破了市场对智能家居的定位,从高端市场转向大众,价格低廉且与普通家居价格相仿。当然有了智能家居自然也要有相对应的安防措施。伴随着实体经济的极速发展,二胎的政策,城市人口的极速增长,入室抢劫、偷窃等案件的增多,给社会带来了很大的影响,同时生活环境的转变,除了996的生活方式外,还有照看老人、小孩、宠物等琐碎的事情让很多人压力剧增入室偷窃、火灾、煤气泄漏、老年人的安全、儿童的顽皮导致的家庭事故等等这些情况都是现在家庭共同面临的问题。家庭防盗报警设备出现越来越普及,各种通信设备与防盗报警系统相组合,极大的提升了家庭安全措施,以GSM短信模块,或者GPRS模块为主,电子设备可以通过这些模块,监控并且管理家庭安全措施。1.2.课题研究现状及趋势随着时代的发展,20至30岁左右的青少年,都倾向于智能家居,就连许多大龄男女夫妻也都把家居换成了智能家居,配备智能安防报警系统。基本上现在新建的房子,1,2线沿海城市基本上配备智能家居,这是一种大趋势,配合党的十九大,社会发展的智能化要重点把握。 传统的家庭防盗报警系统会由专门的公司上门安装,而且必须订购安保公司的监控摄像头业务(一般月费大约20R-30R/1个月),让安保公司的监控中心系统进行全天候监控。当警报触发时,紧接着家居报警系统会发送message到监控中心,接着让监控中心的工作人员判断筛选、并且联系当地的公安/消防/医院等。而连接监控中心的方式一般有三种:固定电话连接(landline):较为传统,但是假如被剪断电话线路的话就会失去功能;手机连接(cellular):避免了电话和网络弊端,而且连接速度更快,但在手机信号不好的地方用不上;宽带连接(broadband):比固定电话连接,但是没有手机通信连接靠谱,因为假如电源被切断、光纤断了,路由器没电就会失去作用。智能家居在我国好几年前就已经出现,最开始都是以让消费者接受成都最高的安防系统为主,这是由于国情决定。由于系统设计的不同,造价也有高有低,随着小米智能家居出现,智能家居出现了井喷,从智能家庭防盗报警系统到娱乐和电器方面,只要一块控制板,或者声控那种功能就可以,靠着一张嘴或者遥控器操控家居,电脑,灯光。也有能通过电话控制家里电器开关。尤为甚者,在外地有信号的地方,可以对自家进行监控。小米发展的生态链旗下智能家居,打破了市场对高低端的消费,趋向于大众,智能防盗报警系统,作为群众接受能力最高的家居布置,出现了爆发性的突破。相对来说,智能家居有好几种设计,我设计了基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统,此系统可以解决传统的那种固定电话线连接的弊端,让家庭防盗报警系统更能准确的,快速的发送信息,反应到手机上。1.3论文的主要内容第一部分:介绍了课题研究当前的背景及其意义,以及接下来的研究方向及现状。第二部分:介绍了系统整体设计方案,以及功能是怎么样实现。第三部分:介绍了整个系统的硬件以及参数。第四部分:介绍了系统各个功能模块的程序编写。第五部分:介绍了最终实物图的功能以及遇到的困难于解决的方法。第六部分:做完整个系统后的总结。

2、系统整体设计方案2.1设计要求本设计由STC89C516单片机、电源电路、后备电源电路、RST复位电路、11.0592MHz晶振电路、GSM模块、adduino红外数字避障传感器模块(红外对射传感器,光电类)、MQ-7烟雾(气敏)传感器模块、火焰(光电类)传感器模块构成预计可以实现以下几个功能:当有窃贼进入门窗,红外数字避障传感器触发进入低电平,紧接着会让GSM通信模块执行发送短信“有人闯入” 。当家里厨房燃气泄漏时候,MQ-7会检测到一氧化碳,然后触发进入高电平,紧接着GSM通信模块执行发送短信“燃气泄漏”。当厨房以外的地方出现明火,火焰传感器检测到火焰,然后触发进入高电平,紧接着GSM通信模块执行发送短信“火灾出现,快灭火”。2.2设计方法使用keil5软件建立工程编写C代码,生成二进制文件。设计硬件方面的连接。最终是用烧录软件,看选择的芯片AT系列用AVR烧录器,STC芯片用STC在线烧录,把二进制HEX文件烧录到8051单片机中调试。3、系统硬件设计3.1系统总体结构本设计的系统流程图如下3-1所示:图3-1整个系统流程图3.2单片机原理及其接口技术STC89C516是51单片机中52型号的芯片,相对于C51芯片来说更加强大,接口明了,容易理解。程序可以用C也可以用汇编。因此,本系统采用了STC89C516芯片作为MCU。3.2.1STC89C516的主要性能1)低电压,高性能CMOS8位单片机2)8Kbytes的可反复擦写的flash只读程序存储器3)256bytes的随机存取数据存储器(RAM)4)采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产、兼容标准MCS-51指令系统5)STC89C516芯片包含40个引脚6)32个外部双向输入/输出(I/O)端口7)2个外中断,共6个中断源,3个15位可编程定时计数器8)2个全双工串行口,2个读写口9)始终频率0-24Mhz10)较低的功耗还有掉电机制,软件方面可以设置睡眠功能;11)有PDIP,PLCC,TQFP,PQFP等几种封装,以适应各种产品的要求。3.2.2STC89C516功能特性描述STC89C516单片机为8位的通用型MCU,拥有较低的功耗,较高的性能,采用标准的8051单片机内核驱动,拥有8K的FLASH存储器,程序不必放到RAM中,可以直接闪存内运行。在内部功能以及引脚排列上与通用的C52芯片相同,封装都是8051系列封装。52系列芯片有自带的3个定时/计数器中断,2个外部interrupt,一个串行口interrupt。STC89C516主要引脚为:18,19引脚接晶振,配合2个电容组成一个时钟电路,一般为12MHz,如果是串口通信,一般为11.0592MHz,因为初值的原因,12MHz,发送信息会乱码,一般波特率位9600时候,11.0592Mhz初值为256-3,9引脚为复位RST引脚,外接电阻电容再配合一个独立按键开关组成一个RST复位电路。这就是拼接成了一个单片机最小系统。剩下的P20引脚为VSS,也可以是GND,为电源的负极,P40引脚为VCC,电源的正极。P0引脚何P3引脚为通用I/O口,可由用户自行使用。P0口需要接上拉电阻,就算是I2C通信,虽然不能直接使用,但是也可由用户自行模拟出来,时序也非常简单。P1.0到P1.7引脚,有3个LSTTL门负载能力。P3.0至P3.5为中断串口,P3.6和P3.7为外部数据存储器的接口。P0口和P2口可以使用数字口和模拟口通用,DO/AD。3.2.3STC89C516引脚排列 图3-2.3STC98C516引脚图3.3GSM模块原理技术3.3.1SIM800C的综述SIM800CMINI模块可以适用4频的GSM/GPRS,工作的频段为:GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900MHz。 模块的具体尺寸只有17.6*15.7*2.3mm,娇小可爱,天线也是软天线,几乎可以适合所有用户硬件测试中的空间尺寸的要求。模块的物理接口为42引脚的SMT焊盘,提供了模块的大部分硬件接口。串口(一路三线串口于一路全功能串口)USB接口,便于用户调试、下载软件音频接口,包含语音输入和话筒输出可编程的通用输入输出接口(GPIO)SIM卡接口支持BT功能(需要软件版本支持)SIM800C采用节能省电技术设计,在睡眠模式下耗电可以低至0.6毫安。引脚图,硬件图如下图3-3.1(1),3-3.1(2):图3-3.1(1)SIM800C引脚图图3-3.1(2)SIM800C硬件图3.3.2SIM800C主要特性特性说明供电电压范围:3.4V~4.4V省电SLEEP模式下的耗流为0.6毫安(AT+CFUN=0)频段四频:GSM850,EGSM900,DCS1800、PCS1900,可以自动搜寻四个频段。也可以通过AT命令来设置频段。符合GSMphase2/2+GSM类型小型移动台发射功率class4(2W):GSM850、EGSM900class1(1W):DCS1800、PCS1900GPRS连接特性GPRS时隙缺省为等级12GPRS时隙class8,10,12可选GPRS移动台等级B温度范围工作温度:-40°C~+85°C存储温度:-45°C~+90°CGPRS数据特性GPRS数据下行传输:最大85.6kbpsGPRS数据上行传输:最大85.6kbps编码格式:CS-1,CS-2,CS-3和CS-4支持通常用于PPP连接的PAP(密码验证协议)协议内嵌TCP/IP协议非结构化补充数据业务(USSD)支持非结构化补充数据业务(USSD)短消息(SMS)MT,M0,CB,Text和PDU模式短消息(SMS)存储设备:SIM卡SIM卡接口支持的SIM卡:1.8V,3V天线接口天线焊盘音频特性语音编码模式:半速率(ETS06.20)全速率(ETS06.10)增强型全速率(ETS06.50/06.60/06.80)自适应多速率(ARM)回音消除噪声抑制串口和USB接口串口:默认支持一路标准的全功能串口可以通过串口发送AT命令和数据支持RTS/CTS硬件流控,并且可以通过软件打开或者关闭流控功能支持符合GSM07.10协议的串口复用功能支持从1200BPS到115200BPS的自动波特率检测功能软件升级USB接口:1)用于调试于软件升级通讯录管理支持类型:SM,FD,LD,RC,ON,MCSIM应用工具包支持SATclass3GSM11.14Release99实时时钟(RTC)支持定时功能通过AT命令设置物理尺寸尺寸:17.6*15.7**2.3mm重量:1.3g软件升级通过全功能串口或者USB口升级软件(推荐使用USB接口升级软件)3.3.3GSM模块的主要性能1)拨打电话2)发送短信3)接受短信控制开关4)TCP/UDP通信3.3.4GSMSIM800C通信的硬件接口1)SIM卡底座(SIM_CARD)该卡座用于安装SIM卡。支持移动卡,不支持电信/联通卡。一般来说建议适用2g卡,但是现在2g卡被取代,现在移动营业厅办理的都是3g/4g/5G卡,目前的3g/4G/5G卡,可以完全兼容以前的GSM/GPRS功能。2)模块开关机PWK引脚以及GND短路1S以上然后松开,可以开机,也可以关机。不过可以用杜邦线把GND和PWK自接短路,达到自动开机状态,因为电压小的原因,所以不必担心拔掉电源会损坏元器件。3)模块状态指示灯(NET_STA)通过led灯的闪烁情况,我们可以很轻易的判断SIM800C模块的工作状态。当1s不停的闪烁说明在寻找信号,当3S闪烁一次信号就接通了。可以发送信息了。4)手机锂电池接口该引脚可以外界电池,当外部电源切断的时候,可以由电池供电在不使用电池的情况,该接口也可以用来给外部供电(4V),或者外部给模块供电(范围:3.4V~4.4V)。3.4传感器技术首先,我们想要实现家庭防盗报警系统,就必须要有传感器,传感器具体是什么?传感器是非电信号转换成电信号输出的元器件,传感器遍布我们生活,包括手机指纹模块,传感器主要是由传感元件和转换元件构成。传感元件包括敏感元件。敏感元件也是传感器的核心器件。传感器在不同的技术领域范围,检测技术领域又被称为检测器,医学领域称之为换能器等等名称。以下是本次设计所需要的传感器,有光电传感器以及气敏传感器,火焰传感器。3.4.1红外对射传感器这次设计所用的防盗传感器是arduino里面红外数字避障传感器,属于一种光电传感器,这种传感器是低配版的对射传感器,只有一条光束。顶尖的对射传感器能发射多条检测射线,覆盖的范围广,能减少很大都误报率,相对于被动热释红外,无死角的扫描,有了很大的提升,当然被动热释红外是专门检测人体的红外,但是作为测试来说,误报率稍微大了一点,所以用对射式传感器极大的加快了测试进程。红外接近开关是一种集合发射与接收一体化的光电传感器。数字信号TTL的输出伴随传感器自带的led灯的亮灭作为判断条件,检测距离可以根据要求进行调节,旋转2个螺帽即可调节检测距离。该传感器具有探测距离远、自然光干扰小、价格廉价、装配轻松,使用方便。可以用于机器人避障,也可以用于智能家居等等功能。改硬件图如下3-4.1(1):图3-4.1(1)红外模块信号类型:数字输出工作电压:5VDC电流:<100mA探测距离:3~80cm探头直径:18mm探头长度:45mm/50cm(新版)电缆长度:45cm/70cm(新版)接口类型:杜邦3Pin1)这种对射式避障传感器,相对来说比,能减少传感器的误报,被动式热释红外传感器,无死角的四面八方的接受信号,误报率太大。2)这种可以安装在门窗等附近,放置多对红外传感器,可以避免体积稍微小的增加误报率,当多对红外对射传感器同时触发,就可以确定有人闯入。3.4.2烟雾传感器本次实验项目,用的是MQ-7烟雾传感器,烟雾传感器实际上是气敏传感器,这个传感器所使用的传感元件是电导率略低的二氧化锡(sno2),这是一种缺氧n型半导体,吸入烟尘可以发生加热,采用的高低温循环检测的方法,低温(1.5V)检测CO,传感元件的电导率随空气中的CO碳浓度增长而增长,高温(5V)清洗低温吸附的杂散气体。它的特点,在较宽的浓度范围内对co气体有良好的灵敏度,使用寿命长,成本廉价。原理图和实物图如下3-4.2(1),3-4.2(2),3-4.2(3):图3-4.2(1)烟雾传感器图3-4.2(2)烟雾传感器图3-4.2(3)MQ-7模块这种传感器用于检测燃气泄漏,天然气中成分有一氧化碳少部分,其中甲烷占据绝大多数,但是MQ-7这种传感器稍微一点CO,就能接受到信号触发进入低电平。相对来说,有些家庭也使用煤气,主要组成是一氧化碳。这种传感器用于家庭里面不管是使用天然气还是使用煤气,都能有很好的检测效果。3.5火焰传感器本次设计是家庭安防系统,自然包括火灾。火灾产生虽然可以释放出不完全燃烧而出现的co。但是火焰自然也需要火焰来对付,我所使用的火焰传感器为KY-026,这种火焰传感器能对太阳光和火焰接受到信号,一般不会放在厨房那里,厨房有co传感器配备,火焰传感器可以调整接受范围,使得只接受整个屋子里的明火,一般来说顶尖的火灾传感器远远不是这种小型廉价的火焰传感器能比的,不仅可以检测火焰还可以扫描烟雾,而且不会对太阳光造成误报。以下是KY-26的模块具体信息:可以检测火焰或者波长在760纳米~1100纳米范围内的光源2.探测度数为60°上下,对火焰类型光谱非常敏感3.灵敏度可调(下图的蓝色电位器)4.火焰的检测范围:敏感度和火焰大小,也就是强度有关,一般10dm范围适用(用普通的防风打火机即可测试,不能太靠近,5dm内能够触发)5.工作电压3.3V-5V6.输出形式:AD为模拟量,DO为数字口:TTL,TTL输出(0和1)7.设有固定螺栓孔,方便安装8.尺寸大小:3cm*1.6cm8标准双面板,整体布局良好,美观原理图和实物图如下3-5(1),3-5(2):图3-5(1):火焰传感器图3-5(2):火焰传感器实物模块图Ky-026型号的火焰传感器(光电类)对火焰是最敏感的,对自然光稍微有反应,一般作为火焰报警等用途。3.6后备电源为了防止突发状况,停电,断电,亦或者小偷进入私宅先后切断电源,安防系统必须有能够在电源被切断后,提供一个独立的电源。本次设计采用移动电源,或者电池作为后备电源。但是有一个设计缺陷,51单片机相对来说,工作电压在5V左右,5V以下基本上处在低电压左右,无法执行,只能保持弱电压状态。因材料受限,所以本次设计采用双端都以USB接口供电,因为USB接口为5V左右,稳压管导通电压为0.7V或者为0.3V,用1W稳压二极管,型号为1N4728A,3.3V,作为后备电源的切断另一端。

4、系统软件设计整个小实验由软件和硬件相结合。前面几章主要描述了整个系统的电路方面硬件设计。4.1主程序流程图开启/关闭开启/关闭4.2主程序模块设计总的来说,整个流程图非常的清晰,易懂。除了用到串口中断,没有用到其他定时器和外部中断,本程序无需外部清零复位,和计时,定时功能。首先,本次程序附加了一个RGB灯作为测试程序运行的调试。触发传感器其次开始为初始化RGB灯。共阴极一般低电平为灭,高电平为亮。红外数字避障传感器是低电平触发,火焰传感器和烟雾传感器特殊点,有DO和AD口,我所采用的是DO数字口,只需要高低电平就可,无需模拟口,火焰传感器传感器是高电平触发,烟雾传感器触发进入低电平后,会被强制进入低电平5S。每个模块触发后,RGB灯会依次点亮并且闪烁,当闪烁结束后,会运行各个模块所封装的短信函数,流程图如下4-2(1),4-2(2),4-2(3)所示:触发传感器if(infrared==0)//红外传感器触发进入低电平 {if(infrared==0)//红外传感器触发进入低电平 { for(i=0;i<11;i++){ led0=~led0;//红灯取反不断闪烁 delay_ms(300); } led0=0;//闪烁结束,让红灯进入低电平熄灭 sendMessage2();//发送短信 } elseif(infrared==1){//如果没触发 led0=0;//红灯常灭 }图4-2(1)红外传感器流程图if(smoke==0){ if(smoke==0){ //烟雾传感器低电平触发 for(i=0;i<11;i++){ ed1=~led1;//触发后绿灯取反 delay_ms(500);//触发后强制进入低电平5S以上 } led1=0; sendMessage3();//发送短信 }elseif(smoke==1){//不触发时候,绿灯常灭 led1=0;} 图4-2(2)烟雾传感器流程图if(fire==1){//高电平触发 if(fire==1){//高电平触发 for(i=0;i<11;i++){ led2=~led2;//取反,闪烁 delay_ms(300);//延时 } led2=0; sendMessage4();//发送短信 } elseif(fire==0){ led2=0; }图4-2(3)火焰传感器流程图接下来是短信的发送,通信模块主要是介入串口通信RXD,TXD接口,短信发送程序主要是GSM模块有特定的写的函数或者头文件,所以配合GSM上封装的函数,因为是keil5工程软件,所以厂家不会给动态库和静态库,直接给未封装成库的函数,自行使用即可。至于每个模块发送不同的短信是需要进行二次封装编写短信内容,因为是厂家的GSM块自带的封装代码,代码大家可以自行去找厂家要。紧接着还有个布防系统的启动和关闭,因为考虑到短信话费的原因,所以当各种意外发生的时候,如果触动超过一定次数,会自动关闭布防,这时候家庭已经出现非常紧急的以外了,所以当布防关闭,业主就可以打相关部门电话了。不过也还有开启布防功能,有时候业主在家,不想因为其他原因误报,所以可以手动关闭,也可以手动开启,流程图如下4-2(4)布防流程图voidex_isr()interrupt0{voidex_isr()interrupt0{//外部中断0,初始化复位,重启布防 count=0;count1=0;count2=0; led3=~led3;//每开启一次外部中断 delay_ms(50);//LED灯闪烁一次 led3=~led3;}voidex_isr2()interrupt2{//外部中断1,关闭布防count=5;count1=5;count2=5; led3=~led3;//同理开启一次,闪烁一次 delay_ms(50); led3=~led3;}if(count<3){//部分代码//超出三次自动关闭布防 if(infrared==0) {count++; for(i=0;i<11;i++){ led0=~led0; delay_ms(300); } led0=0; sendMessage2(); }/* elseif(infrared==1){ led0=0; }*/}整个程序下来,最为简单,但是很致命的一个代码是,延时代码,延时代码在keil5中没有封装好,所以也需要自己编写,具体程序就不在这展示了。4.3软件开发流程图本系统设计采用了KEIL5软件,程序语言用C语言,高级语言,相对来说可移植高,保密期高。软件开发流程如下:5.结果分析5.1系统测试实物图图5-1该设计系统实物图上图为家庭防盗报警系统整体实物图,具体硬件解析已经在前几章介绍。5.2实物测试过程实物测试并不仅仅那么几个模块,尽可能的买多点材料,以备不时之需,首先肯定测试点亮led灯,测试芯片好坏。接着当然按照一个模块一个模块做,因为proteus上很多模块都没有,所以做实物都是要非常小心,模块触发这种,一定要用蜂鸣器或者led灯响应,不然调试很困难,也很容易出bug。一定要看好模块的接口,有的接口不显示,如那个红外避障数字传感器,看好手册上,GND,VCC是哪根线。这里面我放弃了一些材料和想法,首先是继电器这种,制作后备电源,芯片只有一个,最小系统也是pcb板子,没有多余的东西,所以再不了解的情况下,我以最为熟悉的方式,稳压管正向导通来制作后备电源,就算是反向击穿,由于是稳压管,所以就算击穿也会维持弱电压3.3V。不能所有模块连好线后,测试功能,首先,红外模块触发配合短信做好,接着做烟雾模块,然后剩下的布防系统,关闭开启,自动关闭布防。等一个个模块都成功后,开始拼接完整的电路,编写完整的代码。红外模块触发配合GSM通信模块,发送短信到手机上:有人闯入。烟雾传感器触发配合GSM通信模块,发送短信到手机上:燃气泄漏。火焰传感器触发配合GSM通信模块,发送短信到手机上:发生火灾。首先所有模块需要预热30S,才能正常工作。以下是实物工作状态图:5-2(1)实物图5-2(2)GSM通信模块接收短信图通过实验测试,布防开启和关闭由外部中断程序来操作,确定本系统可以通过传感器的触发,远程发送信息到手机上,并且后备电源也可以正常使用,当双电源供电,USB烧录器上供电减去0.7V电压,是截止状态。当电源线关闭后,USB接口导通开始供电。完全的实现了所有功能。5.3困难及解决方案首先在开始时候,仿真软件原因,浪费不少时间,其次是仿真软件没有里面模块,也浪费不少时间。最主要是缺乏材料。但是因为夏老师的慷慨大方,给与了不少的帮助。并且给了我更多的时间来完成毕业设计。还有个很多琐碎的困难,材料的收集,还有资金的缺乏,让我心有余而力不足,我遇到一个唯一一个困难的问题至今没有解决,keil5工程软件,往往代码写到一定量,没有报错,但是就是不能生成二进制文件,后来了解到可能跟keil5,里面code有关系,code这个东西是程序存储区,具体跟局部变量申请堆栈,以及代码区常量区不太一样,这方面也不是很了解,最终花了几小时优化了代码,才勉强完成缩减代码。单片机想要精通是非常难的。不光说是引脚问题,就光配合相关模块,而且模块不仅仅是GSM模块,芯片手册也不仅仅是STC89C516芯片。所以这些东西只要会用就即可,这是我明白的一个道理。效率永远是最优先。学无止境,专精往往比杂学更好一点。总结本次设计实验,刚开始做的时候,认真思虑过家庭安防系统到底需要哪些东西,到底如何做,从我在网上查询了我所需要的资料后,我非常迅速的做好了初步设计,中途也遇到了很多困难,但是作为一个非常熟悉C语言和C++的预备程序员,程序设计往往是最快做好的,至于模块方面,尤其是GSM芯片手册这种,只要是keil5软件往往厂家不会给你动态库和静态库,只会给你一个测试程序以及半封装到h头文件里面的功能函数。这时候想要理解如难上加难,只能理解会用,但是具体程序属实不太理解,耗费了我很长时间。本次设计基于GSM模块的系统,改系统用于家庭的安防措施,面对安防系统的各个方面设计的一款系统。整个设计,考虑了各个方面可能出现的家庭安保问题。例如,火灾,天然气或者煤气泄漏,小偷或者入室抢劫。此次系统MCU为51单片机中51芯片,AT89C516,借助了最完善都GSM模块,SIM800Cmini,芯片强大,体型小,还有强大的GPRS功能。整个设计包含了四个部分。第一部分为备用电源,防止窃贼切断电源,第二部分为各种传感器,防止出现的各种意外,第三部分是布防系统,可以手动开启关闭布防,第四部分就是GSM通信模块系统,当意外发生可以自动发信息到业主手机上。可靠性非常强。本次设计基本上

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