激光家居防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

李旺昆 梁喜幸 聶紫懿

【摘 要】本課題設(shè)計(jì)一個(gè)可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)的防盜報(bào)警系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)的有效性的監(jiān)控，并且可以準(zhǔn)確地進(jìn)行聲光報(bào)警，在家中無人的時(shí)候可通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由信號檢測，單片機(jī)，功能模塊組成。其中信號檢測部分主要利用硅光電池來檢測激光信號并且控制單片機(jī)是否發(fā)送報(bào)警信號，單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對報(bào)警信號的采集、傳送以及接收，功能模塊可實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入，語音人機(jī)交互，GSM遠(yuǎn)程發(fā)送報(bào)警短信。

【關(guān)鍵詞】激光；家居防盜；單片機(jī)；模塊

1.引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民的生活水平有了很大的提高，同時(shí)也對生活質(zhì)量的要求越來越高，對個(gè)人安全、家庭財(cái)產(chǎn)安全意識也越來越強(qiáng)。而目前安防市場中知名品牌大多是進(jìn)口的有線型產(chǎn)品，有線型產(chǎn)品因?yàn)閷＞€專用、性能穩(wěn)定、不存在電源供應(yīng)不足等問題而較少產(chǎn)生誤報(bào)，其產(chǎn)品在整體結(jié)構(gòu)和局部都遇到嚴(yán)峻問題。

激光家居防盜系統(tǒng)主要以維護(hù)家庭住戶人身財(cái)產(chǎn)安全為目的，綜合運(yùn)用安全技術(shù)防范產(chǎn)品及其他相關(guān)產(chǎn)品而形成的以家庭住戶為單位的安全防范和防盜報(bào)警處理的電子監(jiān)控系統(tǒng)。建立和加強(qiáng)高科技防盜報(bào)警系統(tǒng)，是應(yīng)對目前日趨復(fù)雜的社會形勢尤其是對防范入室盜竊案件，提升家庭防控水平，促進(jìn)安全技術(shù)防范管理工作可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。激光家居防盜系統(tǒng)依托GSM模塊突破了傳統(tǒng)的防盜報(bào)警系統(tǒng)無法及時(shí)通知事主的瓶頸，建立了一個(gè)一體化的新型的家庭防控平臺，是目前家庭安全防范的一個(gè)最佳選擇。

2.激光家居防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)方案

2.1設(shè)計(jì)任務(wù)

本次設(shè)計(jì)的激光防盜報(bào)警系統(tǒng)主要是以STC89C52RC單片機(jī)為處理核心，使用硅光電池為激光信號接收傳感器，輔以語音模塊提示按鍵操作以及系統(tǒng)狀態(tài)；矩陣鍵盤用來方便的修改系統(tǒng)設(shè)置、輸入數(shù)字；GSM模塊用來進(jìn)行無線短信報(bào)警及密碼發(fā)送。

2.2設(shè)計(jì)方案

本課題以單片機(jī)為主要研究對象，通過硅光電池對激光做信號采集，并通過鍵盤、LCD顯示、語音模塊作為人機(jī)交互，使用GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信及密碼，使主人能及時(shí)了解家中安防情況。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖2-1所示。

2.3設(shè)計(jì)說明

在本設(shè)計(jì)中，核心控制部分使用了STC89C52單片機(jī)，主要是考慮到芯片的可編程性強(qiáng)以及成本低的優(yōu)勢。在輸入部分考慮到要體現(xiàn)友好的人機(jī)交互性，選擇了有0～9十個(gè)數(shù)字鍵數(shù)字的矩陣鍵盤；在激光信號接收部分選擇了硅光電池；顯示部分選用LCD12864模塊，因?yàn)榇四K擁有相對高的分辨率且內(nèi)置字庫，可顯示更多的信息；選用了WTD588模塊做為語音模塊，在操作系統(tǒng)的時(shí)候通過語音反饋拉近人機(jī)距離，使機(jī)器富有活力親和力。另外，本設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)就是在主人不在監(jiān)控區(qū)域的時(shí)候監(jiān)控設(shè)備可通過GSM模塊將報(bào)警信息發(fā)送至事先設(shè)置好的手機(jī)號上，使主人能及時(shí)的了解監(jiān)控區(qū)域的安全狀況。

3.系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與分析

3.1單片機(jī)

本設(shè)計(jì)中，對中央處理器選擇了宏晶公司的STC89C52RC單片機(jī)，此款單片機(jī)是宏晶公司推出的高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)。此款STC89C52RC單片機(jī)中包含了中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看門狗等模塊，同時(shí)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊。

3.2時(shí)鐘模塊

3.2.1 DS1302時(shí)鐘模塊介紹

根據(jù)設(shè)計(jì)安排，本設(shè)計(jì)需要在LCD顯示時(shí)間并且需要對傳感器和GSM進(jìn)行延遲控制，故在時(shí)鐘模塊上選擇DS1302時(shí)鐘芯片，其工作電壓寬達(dá)2.5V～5.5V，采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可以采用突發(fā)方式一次性傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302與單片機(jī)的連接僅需要三條線，即SCLK（7）、I/O（6）、RST（5）。DS1302由VCC2或VCC1兩者中的較大者供電，當(dāng)VCC2大于VCC1+0.2V 時(shí)，VCC2給DS1302 供電，當(dāng)VCC2小于Vcc1時(shí)，DS1302 由VCC1供電。

3.2.2 DS1302的復(fù)位

通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供了終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中置RST為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，并且I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc≥2.5V 之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK 為低電平時(shí)，才能將RST 置為高電平。

3.2.3 DS1032的數(shù)據(jù)輸入輸出

在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK 時(shí)鐘上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0 開始。同樣，在緊跟8 位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK 脈沖的下降沿讀出DS1302 的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位至高位7。

3.3激光接收模塊

在激光接收模塊上選用了硅光電池作為接收器件，當(dāng)有激光照射時(shí)，硅光電池輸出電壓，使晶體管導(dǎo)通。當(dāng)無光照射時(shí)，硅光電池?zé)o電壓輸出，晶體管截止不導(dǎo)通。由此使電路得到控制，硅光電池在其中起到一個(gè)自動開關(guān)的作用。

3.4語音模塊

WT588D（16P）是一款具有單片機(jī)內(nèi)核的語音芯片，功能強(qiáng)大，是一款可重復(fù)擦除抄寫的語音單片機(jī)芯片。WTD588（16P）在本設(shè)計(jì)中工作在一線串口控制模式下，通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送串口數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)控制聲音播放、停止、音量調(diào)節(jié)和直接觸發(fā)聲音等功能。一線串口只通過一條數(shù)據(jù)通信線控制時(shí)序，依照電平占空比不同來代表不同的數(shù)據(jù)位，先發(fā)拉低RESET復(fù)位信號5ms，然后置于高電平等待大于17ms的時(shí)間，再將數(shù)據(jù)信號拉低5ms，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。高電平與低電平數(shù)據(jù)占空比1：3即代表數(shù)據(jù)位0，高電平與低電平數(shù)據(jù)位占空比為3：1代表數(shù)據(jù)位1。高電平在前，低電平在后，數(shù)據(jù)信號先發(fā)低位再發(fā)高位，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無需先發(fā)送命令碼再發(fā)送指令。D0～D7表示一個(gè)地址或者命令數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中的00H～DBH 為地址指令，E0H～E7H 為音量調(diào)節(jié)命令，F(xiàn)2H 為循環(huán)播放命令，F(xiàn)EH為播放命令。

3.5 LCD模塊

為了更好的體現(xiàn)友好的人機(jī)交互，在LCD模塊的選擇上選用了LCD12864。帶中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64， 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。

3.6 GSM模塊

3.6.1 TC35 GSM模塊簡介

TC35是Siemeils公司推出的新一代無線通信GSM模塊。自帶RS232通訊接口，可以方便地與PC機(jī)、單片機(jī)連機(jī)通訊，可以快速、安全、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)（Short Message Service）和傳真，其工作電壓為3.3—5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2w（900M）和1w（1800M）。

TC35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊（ASIC）、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。作為TC35的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR、HR和EFR語音信道編碼；另外，模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式；第三，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過獨(dú)特的40引腳的ZIF連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。

3.6.2 單片機(jī)控制GSM的方法

TC35模塊的通訊全部采用AT+xxx完成。

AT指令的定義

char code AT_Tc35[]="AT+"； //連機(jī)

char code Bps_Tc35[]="IPR=38400"； //波特率

char code Text_Tc35[]="CMGF=1"； //文本模式

char code Read_Tc35[]="CMGR="； //讀信息

char code Erase_Tc35[]="CMGD="； //刪除信息

char code Send_Tc35[]="CMGS="； //發(fā)送信息

char code Creg_Tc35[]="CREG？"； //注冊

單片機(jī)串口設(shè)置成模式1（9600，N，8，1），依次將AT+xxx以ASCII碼形式輸出到UART口。

4.結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的激光家居防盜系統(tǒng)是通過各種器件聯(lián)合使用的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的，只有充分了解和掌握有關(guān)單片機(jī)、傳感器及其各部分之間的關(guān)系才能完成設(shè)計(jì)，如硅光電池作為接收端的工作原理、單片機(jī)控制GSM的方法。

整個(gè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是開發(fā)一個(gè)以STC89C52RC單片機(jī)位核心的激光防盜系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，入侵檢測，入侵報(bào)警，GSM模塊發(fā)送入侵報(bào)警短信等多項(xiàng)功能。通過整機(jī)調(diào)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，滿足了最初的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。信號檢測部分使用的是硅光電池，精度較高，但隨著激光管電源的消耗，激光管發(fā)射的激光亮度會減弱，最后導(dǎo)致系統(tǒng)無法檢測到信號，此時(shí)就要更換激光管電池，保證激光管發(fā)射的激光的持久性。在今后的研究中，可進(jìn)一步繼續(xù)改善家居防盜系統(tǒng)性能。

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作者簡介：

李旺昆（1981.11-），男，大學(xué)本科，助教，廣西柳州人。