基于GSM與單片機(jī)的宿舍防盜電子鎖的設(shè)計(jì)

上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院 王景夏 付睿云 徐棟梁 伍忠凱 辛紹杰

1.引言

學(xué)校宿舍經(jīng)常發(fā)生被盜事件，而學(xué)校從學(xué)生隱私考慮，并未在宿舍安裝監(jiān)視攝像頭來(lái)消除安全隱患。宿舍安裝的普通機(jī)械鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易被撬開(kāi)。為了增加安全保障，提出了一款基于GSM遠(yuǎn)程控制報(bào)警防盜器的設(shè)計(jì)方案。本方案以S12芯片為核心控制器，結(jié)合了TC35GSM模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊，設(shè)計(jì)制作了新結(jié)構(gòu)的防盜電子鎖。該防盜電子鎖由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。在使用之前需要使用防盜器專用設(shè)置軟件向控制器里面寫入需要的電話號(hào)碼，以及開(kāi)門指令，假設(shè)使用者在外地使用設(shè)置好的手機(jī)向GSM里面寫入開(kāi)門指令，GSM接收到信號(hào)向單片機(jī)發(fā)送開(kāi)門信號(hào)，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而打開(kāi)門。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖2 電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖3 單片機(jī)圖

圖4 報(bào)警器模塊

圖5 防盜器專用設(shè)置軟件界面

2.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置的報(bào)警功能通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)：防盜裝置開(kāi)啟，當(dāng)宿舍被非法入侵時(shí)，小偷撬開(kāi)門鎖或者自己開(kāi)門，無(wú)論何種方式宿舍門被打開(kāi)的話，一律視為非法入侵。小偷開(kāi)門的同時(shí)，裝置上的紅外線被阻擋，裝置內(nèi)的單片機(jī)開(kāi)始運(yùn)作，首先響起蜂鳴器，同時(shí)單片機(jī)上的gsm模塊開(kāi)始運(yùn)行，向預(yù)先設(shè)置的手機(jī)號(hào)碼上發(fā)送短信，提示報(bào)警。把手卡盤②卡在鎖的把手上面，當(dāng)短信發(fā)過(guò)來(lái)之后，信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其按照要求實(shí)現(xiàn)不同頻率的轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)螺母③隨電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行前后的移動(dòng)并用軟鋼絲與把手卡盤②連接，拉動(dòng)把手轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)門的打開(kāi)和關(guān)閉。安裝時(shí)，外殼⑥可以從右側(cè)面卸下，先卸下外殼，裝上螺母導(dǎo)軌⑦，再將移動(dòng)螺母③裝配上，固定住電機(jī)擋板⑤。然后組合上外殼⑥的右側(cè)。最后將自攻螺釘通過(guò)固定螺孔⑧固定在門上。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路包括：電源，單片機(jī)，GSM模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊。電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖6 程序流程圖

在使用之前需要使用防盜器專用設(shè)置軟件向控制器里面寫入需要的電話號(hào)碼，以及開(kāi)門指令，假設(shè)使用者在外地使用設(shè)置好的手機(jī)向GSM里面寫入開(kāi)門指令，GSM接收到信號(hào)向單片機(jī)發(fā)送開(kāi)門信號(hào)，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而打開(kāi)門。

3.1 電源

電源是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電源的選擇對(duì)整個(gè)方案至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)用電源220V，步進(jìn)電機(jī)采用12V電壓，單片機(jī)模塊和GSM模塊為5V電壓。為此，選用輸入電源170～264VAC，輸出電壓為12V，5V的電源，該電源外接220V交流電，輸出12V電壓為步進(jìn)電機(jī)供電，輸出5V為單片機(jī)和GSM模塊供電。

3.2 單片機(jī)

設(shè)計(jì)選擇的單片機(jī)型號(hào)為MC9S12XS128。該機(jī)有16個(gè)AD通道，可以配置8、10、12位精度；8路PWM；2路SCI接口；1路SPI接口；1個(gè)TIM模塊，可以配置8個(gè)輸入捕捉或輸出比較通道；4路周期中斷定時(shí)器（PIT）通道；1個(gè)CAN模塊；及其豐富的IO口，方便外部設(shè)備的接入。設(shè)計(jì)中使用SCI和上位機(jī)通訊。單片機(jī)如圖3所示。

3.3 GSM模塊

TC35是一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊，該模塊從3.3V到5.5V電源供電，工作頻段GSM900MHZ和DCS1800MHZ，發(fā)射功率2W。設(shè)計(jì)中采用TC35進(jìn)行短信的接收與發(fā)射，實(shí)現(xiàn)報(bào)警與遠(yuǎn)程開(kāi)門的功能。

3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)的控制器采用高性能步進(jìn)電機(jī)控制器2HD8080A，該控制器采用32bit數(shù)字處理器，引入控制理論中實(shí)時(shí)電流跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)。8路獨(dú)立的同相PWM無(wú)差拍輸出，獨(dú)立控制全橋的上下臂，電流控制更精確。同時(shí)加入200K的基頻，徹底消除次諧波，并加入電子阻尼技術(shù)以及實(shí)時(shí)矢量合成后的PWM輸出。使得電機(jī)的低頻、倍頻共振、高頻自激振動(dòng)、電磁噪音較傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)器有很大的改善。本系統(tǒng)中，采用2HD8080A控制器控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖的功能。

3.5 報(bào)警喇叭

報(bào)警喇叭用于在非正常開(kāi)門時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。采用了報(bào)警鈴聲的模塊，并用三極管9014對(duì)其信號(hào)進(jìn)行放大，來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭。電路如圖4所示。

4.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)功能是進(jìn)行門禁卡號(hào)的設(shè)置，短信號(hào)碼的設(shè)置，發(fā)送短信和顯示接收的短信。上位機(jī)的軟件基于labview編寫，通過(guò)串口修改GSM中的電話號(hào)碼，發(fā)送的短信內(nèi)容和指令動(dòng)作。界面如圖5所示。

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制軟件使用CodeWarrior5.0，并用BDM作為調(diào)試工具。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)由單片機(jī)初始化模塊，GSM初始化模塊和初始化模塊組成。程序流程如圖6所示。

程序啟動(dòng)時(shí)對(duì)單片機(jī)硬件初始化，對(duì)GSM模塊初始化，然后一直判斷是否有開(kāi)門指令，串口通訊指令和門正常打開(kāi)指令，如檢測(cè)到相關(guān)指令，進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。

5.結(jié)束語(yǔ)

基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信和單片機(jī)的控制功能，實(shí)現(xiàn)了宿舍防盜電子鎖的設(shè)計(jì)與制作，通過(guò)使用GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及報(bào)警。該設(shè)計(jì)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉、專用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性。

[1]樓苗然,李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[2]清源科技.Protel 2004電路原理及PCB設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.