基于GSM模块的远程控制和报警系统

摘要：介绍了一种基于GSM／GPRS网络的无线远程控制和报警系统，详细阐述了系统的组成结构和软硬件设计。该系统采用GSM／GPRS模块发送接收短消息和彩信，从而实现对家居安全状况的远程监控。选用多种传感器采集家居信息，通过无线收发模块传递到主控制器，运用信息融合技术，获得可靠的报警信息。业主接到报警信息后，回复短信可以控制和处理现场情况，达到保证家居安全和防盗的目的。
关键词：GSM；防盗；传感器；短消息；彩信

    随着通信、电子技术的迅速发展，智能家居日益进入人们的视野，所谓智能家居一般是指将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安保装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能控制系统上，以实现监视、控制和家庭事务性管理。基于GSM／GPRS网络的远程控制和报警系统充分利用GSM／GPRS网络覆盖区域广、保密性高、无距离障碍等优点，形成了集实时数据采集和远程控制为一体的智能家居系统。

1 系统的总体结构和工作过程
    远程控制和报警系统主要包括：GSM／GPRS模块、供电系统、无线收发模块、微控制器、拍照和存储模块、语音模块和用户手机。系统功能如图1所示。

    系统选用了多种传感器采集家居信息，通过无线收发模块传递到主控制器，运用信息融合技术，以期获得较为可靠的报警信息。当目标用户离开家，通过遥控器控制主控模块，触发布防按键后，语音模块发出“系统布防”的提示音，表明家中进入实时监控状态。通过热释电红外传感器、烟雾传感器、煤气传感器以及门磁开关对所需检测的区域进行安全监测。当有不法分子入侵所监测的区域时，相应的传感器会立即通过无线发射模块向单片机传递数据，单片机进行数据处理后，触发警笛，向不法分子示警；通过语音模块，进行电话录音；通过摄像头连续抓取图片，及时保存案发现场，为后续的破案工作提供证据；将现场的情况以彩信和短消息的方式发送给用户，方便用户做一些临时应急处理。如果家中的出现煤气泄漏或发生火灾时，煤气传感器和烟雾传感器会立即通过无线发射模块向单片机传递数据，单片机进行数据处理后，通过SIM300模块将现场情况以短消息的方式发送给用户，方便用户做临时处理，防患于未然。此外，如果目标用户想了解家中的情况，可以向系统发送短信，系统将家中的情况以短信和彩信的方式反馈给手机终端。最后，当用户回到家门口时，通过遥控器控制主控模块，触发遥控器上的撤防按键后，语音模块发出“系统撤防”的提示音，表明家中已解除了实时监控状态。整个系统通过人机远近程交流，使业主轻松了解家中情况，放心自由的生活。

2 系统的硬件设计
2．1 系统的硬件结构设计
    系统的硬件结构如图2所示。由传感器单元电路、单片机STC12C5A60S2、GSM／GPRS通信电路、语音模块、摄像头、拍照和存储模块、无线收发模块组成。
2．2 传感器
    本系统采用的数字式传感器，能够将非电量转换成数字量，不需要A／D转换，并且测量精度和分辨率较高，稳定性好，抗干扰能力强。温度传感器选用数字测温传感器DS18B20。热释电红外传感器、烟雾传感器、煤气传感器以及门磁开关，这几类传感器和无线发射模块进行连接，将接收到的信号发送给主控模块的无线接收模块，使单片机能够实时处理不同的数字信号。
2．3 GSM／GPRS模块
    GSM／GPRS模块是系统的通信模块，本设计选用的是SIMCOM公司的生产的SIM300模块，SIM300是一款三频段GSM／GPRS模块，可在全球范围内的EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz、PCS 1 900 MHz三种频率下工作，能够提供GPRS多信道类型多达10个，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案，内部集成了TCP／IP协议栈，并且扩展了TCP／IPAT、指令，使用户利用该模块开发数据传输设备变得特别简单、方便。单片机与SIM300模块之间的串口通信芯片采用MAXIM公司生产的MAX232，该芯片包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232C和V．28／V．24的通信接口。
2．4 语音模块
    本系统选用的语音模块是华邦公司新推出的单片优质语音录放芯片ISD1700系列的ISD1760模块，工作电压范围为2．4～5．5 V，可直接驱动麦克风和扬声器。只需要少量的电阻电容，再加上麦克风和扬声器就可构成语音电路的最小系统，功能电路结构简单。另外，可通过SPI协议对其进行操作，其工作电压也设定为3．3 V，与SD卡相同，因此，主机的SPI口可实现功能复用，简化了电路，提高了效率。
2．5 拍照存储模块
    本系统采用PTC08串口摄像头，存储芯片为SD卡。PTC08是广州市谱泰通信科技有限公司设计生产的一款集图像采集、拍摄控制、数据压缩、串口传输于一体的工业级图像采集处理模块。其内置的高性能数字信号处理芯片实现了对原始图像的高比例压缩。产品图像输出采用标准JPEG格式，可方便地兼容各种图像处理软件。SD卡高度集成闪存，具备串行和随机存取能力。可以通过专用优化速度的串行接口访问，数据传输可靠。接口允许几个卡垛叠，由SD卡系统规范定义。本系统读写SD卡采用SPI总线模式传输比特数据，该方案大大简化了主机的设计。

3 系统的软件设计
    系统主机程序主要包括无线数据传输程序、传感器数据采集程序、GSM／GPRS模块通信程序、图像的拍照和存储程序、语音报警程序、显示程序、看门狗程序、系统初始化程序、外事件处理程序等。主机的程序流程图如图3所示。

3．1 GSM短信息的收发设计
    GSM模块提供的命令接口符合GSM07．05和GSM07．07规范。GSM07．07中定义的AT Command接口，提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通行接口；GSM07．05对短消息作了详细的规定，在消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向GSM模块发送各种命令，该命令的实现是通过AT指令实现的。
    由于本系统接收和发送的数据都是基于中文的报警状况和命令字，为了更加方便用户使用，SMS的收发模式采用PDU格式。PDU模式收发短信可以使用3种编码：7 b、8 b和UCS2编码。7 b编码用于发送普通的ASCII字符，8 b编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符。一般的PDU编码由十三项组成，包括：短信息中心地址长度；短信息中心号码类型；短信息中心号码；文件头字节；信息类型；被叫号码长度；被叫号码类型；被叫号码；协议标识；数据编码方案；有效期；用户数据长度；用户数据。
3．2 彩信的发送和图像的存储
    SIM300模块集成了TCP／IP协议，并且扩展了TCP／IP AT指令，使用扩展的AT指令，可以很方便地进行彩信的发送。当有险情时，摄像头连续抓拍的图片存储在SD卡中，实时保留现场的情景。存储和发送的图片的格式均为JPEG格式。SD卡采用FAT16的文件存储系统，文件的创建时间和修改时间为实时拍照的时间，访问日期为拍照的年月日，文件名为拍照的时间加编号，可以使用PC机进行查看。
3．3 语音模块的功能
    ISD1760芯片根据振荡电阻的不同，可录放45 s，60 s等不同的时间长度，可以用其来录下提示音并进行播放。本设计又预留30 s作为报警时的现场录音，可做到监听案发现场。
    主控单片机STC12C5A60S2主要通过四线(SCLK，MOSI，MISO，SS)SPI协议对ISD1700进行串行通信。ISD1700作为从机，几乎所有的操作都可以通过这个SPI协议来完成。
    SPI(Serial Peripheral Interrace)是一种串行同步通信协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通信，从而完成数据的交换。通信时，数据由SDO输出，SDI输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI读入，这样经过8／16次时钟的改变，完成8／16位数据的传输。
3．4 LCD显示时间和温度的显示功能
    选用LCD1602显示时间和温度，液晶屏上第一行显示年月日及星期，下面一行显示时分秒。交替使用两个按键来调节时间，当调节第一个按键时，每按一次，光标移动一位，当光标移动到所要调整的时间位时，调节第二个按键，这样交替使用按键来精确调整时间。

4 结语
    采用上述方法开发的基于GSM／GPRS的远程控制和报警系统，具有系统硬件组成结构简单，可扩展性强，性价比高，人机交互简单等优点。系统充分利用GSM／GPRS移动网络资源，尽可能少地减少用户室内终端的投入，采用最直观的中文短信和彩信的形式，直接把现场情景反映到用户手机。此种模式可使业主根据不同的情况，采取相应的应急措施，较好地满足了用户对家居防盗的要求。系统采用太阳能、220 V交流供电、直流电源等多路交直流供电模式，使得系统的工作稳定可靠，而且所使用的能源更加清洁，符合低碳生活的发展趋势。系统采用无线收发模块，方便用户在家中进行安装，省去了布线的麻烦。该系统安装简单，使用方便，易于推广。