采用GSM模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)形成集實(shí)時數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制的報警系統(tǒng)

隨著通信、電子技術(shù)的迅速發(fā)展，智能家居日益進(jìn)入人們的視野，所謂智能家居一般是指將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭安保裝置，通過家庭總線技術(shù)連接到一個家庭智能控制系統(tǒng)上，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理?；贕SM／GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制和報警系統(tǒng)充分利用GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域廣、保密性高、無距離障礙等優(yōu)點(diǎn)，形成了集實(shí)時數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制為一體的智能家居系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作過程

遠(yuǎn)程控制和報警系統(tǒng)主要包括：GSM／GPRS模塊、供電系統(tǒng)、無線收發(fā)模塊、微控制器、拍照和存儲模塊、語音模塊和用戶手機(jī)。系統(tǒng)功能如圖1所示。

系統(tǒng)選用了多種傳感器采集家居信息，通過無線收發(fā)模塊傳遞到主控制器，運(yùn)用信息融合技術(shù)，以期獲得較為可靠的報警信息。當(dāng)目標(biāo)用戶離開家，通過遙控器控制主控模塊，觸發(fā)布防按鍵后，語音模塊發(fā)出“系統(tǒng)布防”的提示音，表明家中進(jìn)入實(shí)時監(jiān)控狀態(tài)。通過熱釋電紅外傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器以及門磁開關(guān)對所需檢測的區(qū)域進(jìn)行安全監(jiān)測。當(dāng)有不法分子入侵所監(jiān)測的區(qū)域時，相應(yīng)的傳感器會立即通過無線發(fā)射模塊向單片機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，觸發(fā)警笛，向不法分子示警；通過語音模塊，進(jìn)行電話錄音；通過攝像頭連續(xù)抓取圖片，及時保存案發(fā)現(xiàn)場，為后續(xù)的破案工作提供證據(jù)；將現(xiàn)場的情況以彩信和短消息的方式發(fā)送給用戶，方便用戶做一些臨時應(yīng)急處理。如果家中的出現(xiàn)煤氣泄漏或發(fā)生火災(zāi)時，煤氣傳感器和煙霧傳感器會立即通過無線發(fā)射模塊向單片機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過SIM300模塊將現(xiàn)場情況以短消息的方式發(fā)送給用戶，方便用戶做臨時處理，防患于未然。此外，如果目標(biāo)用戶想了解家中的情況，可以向系統(tǒng)發(fā)送短信，系統(tǒng)將家中的情況以短信和彩信的方式反饋給手機(jī)終端。最后，當(dāng)用戶回到家門口時，通過遙控器控制主控模塊，觸發(fā)遙控器上的撤防按鍵后，語音模塊發(fā)出“系統(tǒng)撤防”的提示音，表明家中已解除了實(shí)時監(jiān)控狀態(tài)。整個系統(tǒng)通過人機(jī)遠(yuǎn)近程交流，使業(yè)主輕松了解家中情況，放心自由的生活。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。由傳感器單元電路、單片機(jī)STC12C5A60S2、GSM／GPRS通信電路、語音模塊、攝像頭、拍照和存儲模塊、無線收發(fā)模塊組成。

2．2 傳感器

本系統(tǒng)采用的數(shù)字式傳感器，能夠?qū)⒎请娏哭D(zhuǎn)換成數(shù)字量，不需要A／D轉(zhuǎn)換，并且測量精度和分辨率較高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。溫度傳感器選用數(shù)字測溫傳感器DS18B20。熱釋電紅外傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器以及門磁開關(guān)，這幾類傳感器和無線發(fā)射模塊進(jìn)行連接，將接收到的信號發(fā)送給主控模塊的無線接收模塊，使單片機(jī)能夠?qū)崟r處理不同的數(shù)字信號。

2．3 GSM／GPRS模塊

GSM／GPRS模塊是系統(tǒng)的通信模塊，本設(shè)計(jì)選用的是SIMCOM公司的生產(chǎn)的SIM300模塊，SIM300是一款三頻段GSM／GPRS模塊，可在全球范圍內(nèi)的EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz、PCS 1 900 MHz三種頻率下工作，能夠提供GPRS多信道類型多達(dá)10個，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四種GPRS編碼方案，內(nèi)部集成了TCP／IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)展了TCP／IPAT、指令，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得特別簡單、方便。單片機(jī)與SIM300模塊之間的串口通信芯片采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232，該芯片包含兩路接收器和驅(qū)動器的IC芯片，適用于各種EIA-232C和V．28／V．24的通信接口。

2．4 語音模塊

本系統(tǒng)選用的語音模塊是華邦公司新推出的單片優(yōu)質(zhì)語音錄放芯片ISD1700系列的ISD1760模塊，工作電壓范圍為2．4～5．5 V，可直接驅(qū)動麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器。只需要少量的電阻電容，再加上麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器就可構(gòu)成語音電路的最小系統(tǒng)，功能電路結(jié)構(gòu)簡單。另外，可通過SPI協(xié)議對其進(jìn)行操作，其工作電壓也設(shè)定為3．3 V，與SD卡相同，因此，主機(jī)的SPI口可實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用，簡化了電路，提高了效率。

2．5 拍照存儲模塊

本系統(tǒng)采用PTC08串口攝像頭，存儲芯片為SD卡。PTC08是廣州市譜泰通信科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款集圖像采集、拍攝控制、數(shù)據(jù)壓縮、串口傳輸于一體的工業(yè)級圖像采集處理模塊。其內(nèi)置的高性能數(shù)字信號處理芯片實(shí)現(xiàn)了對原始圖像的高比例壓縮。產(chǎn)品圖像輸出采用標(biāo)準(zhǔn)JPEG格式，可方便地兼容各種圖像處理軟件。SD卡高度集成閃存，具備串行和隨機(jī)存取能力?？梢酝ㄟ^專用優(yōu)化速度的串行接口訪問，數(shù)據(jù)傳輸可靠。接口允許幾個卡垛疊，由SD卡系統(tǒng)規(guī)范定義。本系統(tǒng)讀寫SD卡采用SPI總線模式傳輸比特?cái)?shù)據(jù)，該方案大大簡化了主機(jī)的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主機(jī)程序主要包括無線數(shù)據(jù)傳輸程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、GSM／GPRS模塊通信程序、圖像的拍照和存儲程序、語音報警程序、顯示程序、看門狗程序、系統(tǒng)初始化程序、外事件處理程序等。主機(jī)的程序流程圖如圖3所示。

3．1 GSM短信息的收發(fā)設(shè)計(jì)

GSM模塊提供的命令接口符合GSM07．05和GSM07．07規(guī)范。GSM07．07中定義的AT Command接口，提供了一種移動平臺與數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通行接口；GSM07．05對短消息作了詳細(xì)的規(guī)定，在消息模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示消息，數(shù)據(jù)終端設(shè)備可以向GSM模塊發(fā)送各種命令，該命令的實(shí)現(xiàn)是通過AT指令實(shí)現(xiàn)的。

由于本系統(tǒng)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)都是基于中文的報警狀況和命令字，為了更加方便用戶使用，SMS的收發(fā)模式采用PDU格式。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼：7 b、8 b和UCS2編碼。7 b編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，8 b編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。一般的PDU編碼由十三項(xiàng)組成，包括：短信息中心地址長度；短信息中心號碼類型；短信息中心號碼；文件頭字節(jié)；信息類型；被叫號碼長度；被叫號碼類型；被叫號碼；協(xié)議標(biāo)識；數(shù)據(jù)編碼方案；有效期；用戶數(shù)據(jù)長度；用戶數(shù)據(jù)。

3．2 彩信的發(fā)送和圖像的存儲

SIM300模塊集成了TCP／IP協(xié)議，并且擴(kuò)展了TCP／IP AT指令，使用擴(kuò)展的AT指令，可以很方便地進(jìn)行彩信的發(fā)送。當(dāng)有險情時，攝像頭連續(xù)抓拍的圖片存儲在SD卡中，實(shí)時保留現(xiàn)場的情景。存儲和發(fā)送的圖片的格式均為JPEG格式。SD卡采用FAT16的文件存儲系統(tǒng)，文件的創(chuàng)建時間和修改時間為實(shí)時拍照的時間，訪問日期為拍照的年月日，文件名為拍照的時間加編號，可以使用PC機(jī)進(jìn)行查看。

3．3 語音模塊的功能

ISD1760芯片根據(jù)振蕩電阻的不同，可錄放45 s，60 s等不同的時間長度，可以用其來錄下提示音并進(jìn)行播放。本設(shè)計(jì)又預(yù)留30 s作為報警時的現(xiàn)場錄音，可做到監(jiān)聽案發(fā)現(xiàn)場。

主控單片機(jī)STC12C5A60S2主要通過四線(SCLK，MOSI，MISO，SS)SPI協(xié)議對ISD1700進(jìn)行串行通信。ISD1700作為從機(jī)，幾乎所有的操作都可以通過這個SPI協(xié)議來完成。

SPI(Serial Peripheral Interrace)是一種串行同步通信協(xié)議，由一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備組成，主設(shè)備啟動一個與從設(shè)備的同步通信，從而完成數(shù)據(jù)的交換。通信時，數(shù)據(jù)由SDO輸出，SDI輸入，數(shù)據(jù)在時鐘的上升或下降沿由SDO輸出，在緊接著的下降或上升沿由SDI讀入，這樣經(jīng)過8／16次時鐘的改變，完成8／16位數(shù)據(jù)的傳輸。

3．4 LCD顯示時間和溫度的顯示功能

選用LCD1602顯示時間和溫度，液晶屏上第一行顯示年月日及星期，下面一行顯示時分秒。交替使用兩個按鍵來調(diào)節(jié)時間，當(dāng)調(diào)節(jié)第一個按鍵時，每按一次，光標(biāo)移動一位，當(dāng)光標(biāo)移動到所要調(diào)整的時間位時，調(diào)節(jié)第二個按鍵，這樣交替使用按鍵來精確調(diào)整時間。

4 結(jié)語

采用上述方法開發(fā)的基于GSM／GPRS的遠(yuǎn)程控制和報警系統(tǒng)，具有系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，性價比高，人機(jī)交互簡單等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)充分利用GSM／GPRS移動網(wǎng)絡(luò)資源，盡可能少地減少用戶室內(nèi)終端的投入，采用最直觀的中文短信和彩信的形式，直接把現(xiàn)場情景反映到用戶手機(jī)。此種模式可使業(yè)主根據(jù)不同的情況，采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，較好地滿足了用戶對家居防盜的要求。系統(tǒng)采用太陽能、220 V交流供電、直流電源等多路交直流供電模式，使得系統(tǒng)的工作穩(wěn)定可靠，而且所使用的能源更加清潔，符合低碳生活的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)采用無線收發(fā)模塊，方便用戶在家中進(jìn)行安裝，省去了布線的麻煩。該系統(tǒng)安裝簡單，使用方便，易于推廣。