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基于GSM家庭防盗报警系统的设计说明
基于GSM家庭防盗报警系统的设计
摘要：
随着超大规模集成电路、通信技术、单片机技术的迅猛开展和人们保安意识的日渐增强，利用单片机与其它外围芯片实现自动报警已成为可能，而且是一种开展趋势。
它不仅有体积小、安装方便、功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，因此应用前景广泛。
但是现有市场上的家用报警器都有一些缺乏之处，所以在现行产品的根底之上研制一种新型的家用智能防盗报警器，进一步完善报警器的功能，提高它的可靠性，具有实际意义。
这对于保障居民的生命财产平安，提高公安、消防、医疗、保安等部门的快速反响能力，有着重要的价值。
本文在现有的家庭报警器根底之上，将无线通信模块引入报警系统，使系统可通过固定线和无线通信模块向外界报警，这样就克制了报警器因线被恶意剪断而失去报警功能的问题。
采用模块化的设计思想，系统功能划分为三个局部：
主模块、移动通信模块、警情采集模块。
用户可以根据自己的需要和经济承受能力，购置相应的模块组合成满意的家庭报警器。
主模块是系统的核心模块，其它局部作为功能模块。
在主模块中预先留有各个功能模块的接口，并且将它们相应的软件驱动程序存入主模块之中，可以实现即插即用。
本文对以上三个局部的软硬件设计作了详细的阐述，详细介绍了核心芯片的选择，外围电路的连接，芯片与芯片之间的连接电路，程序设计方法和相应的软件，并给出了关键软件的程序源代码。
根据项目的要求研制了一款家庭报警器，满足用户要求。
本文在最后指出了家庭报警器的开展方向。
关键词：
报警器，双音多频，GSM
第1章绪论
1.1课题来源与研究意义
随着超大规模集成电路、通信技术、单片机技术的迅猛开展和人们保安意识的日渐增强，利用单片机与其它外围芯片实现自动报警已成为可能，且是一种开展趋势。
它不仅有体积小、安装方便、功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，因此应用前景广泛。
但是现在市场上的家用报警器都有明显的缺乏之处，所以在现行产品的根底之上研制一种新型的家用防盗报警器，进一步完善报警器的功能，提高它的可靠性，具有实际意义。
这对于保障居民的生命财产平安，提高公安、消防、医疗、保安等部门的快速反响能力，有着重要的价值。
1.2报警器开展历程和研究现状
报警器的开展与微电子技术的开展息息相关，它大致可分为三个开展阶段，对应着三代产品[1]：
第一代是利用纯别离元件组成的产品，其特点是电路组成复杂，功能单一，可靠性较差，体积较大。
第二代是利用集成芯片（IC）和别离元件组成的产品，其特点是电路组成较复杂，但是可以实现多种功能，可靠性比第一代产品高。
第三代是以单片机为核心，外加其它集成芯片和别离元件组成的产品，其特点是功能齐全，可靠性高，具备一定的智能化功能，但电路组成较复杂。
现在市场上主要以第三代产品为主，前两代产品由于功能单一的原因根本己经被淘汰。
第三代报警产品又可分为两类，一类是适合单个家庭应用的独立报警器，另一类是适合小区联防报警的联网报警系统。
作为单个家庭用的报警器，产品己经比较成熟，而且功能也比较齐全。
多数产品采用单片机作为控制核心局部，通过线实现向外界报警功能。
但是这种报警器有着自身的缺乏之处，作为一个独立的系统，它缺乏与外界联系的有效手段，虽然它可以通过固定与外界联系，但是一旦线被恶意剪断，那么将失去报警功能。
第2章总体方案设计
现行家用报警器的功能虽然己经比较齐全，但是并不完善。
一个明显的缺乏之处是：
因为它们是通过线实现向外界报警功能，所以当线被恶意剪断时那么失去向外界报警的功能。
因此，本文将提出一种整体设计方案，以求解决原有家用报警器的缺乏，完善其功能，提高其可靠性。
根据产品功能要求和产品的性价比，决定采用单片机技术与移动通信技术进展总体方案设计。
2.1报警器的功能要求
根据用户提出的实际要求，本文所研制的报警器的功能要求如下[2-3]：
（1）可实现非法侵入、火灾、煤气和家庭紧急情况多种报警。
（2）可通过固定与网络联接，报警时能迅速拨打存储的。
（3）可通过移动与移动网络连接，实现向外界报警。
（4）可预先存储10组，且掉电不丧失。
（5）可录下20s报警资料，可以更改，且掉电不丧失。
（6）传感器采用无线数据通信。
（7）有报警记忆功能。
（8）可实现异常情况的自动复位。
2.2总体设计方案
根据系统功能的要求和系统构成的需要来设计报警器，其总体设计方案如图2.1所示。
采用单片机作为控制中心，配有双音多频〔DTMF〕收发电路、移动通信模块、语音录放电路、警情采集电路、看门狗电路、声光报警电路[4-6]。
当警情采集电路采集到警情信号时，单片机立即接通报警驱动电路实现声光报警，与此同时单片机测试双音多频收发电路，如果该电路正常，那么通过该电路拨打预先设置好的，向外界报警，如果该电路不正常（例如线被恶意剪断），那么单片机接通移动通信模块，通过无线调制解调器接入数字移动通信系统（GSM）向外界报警，通过以上任何一种方式，当检测到呼叫方摘机后，单片机接通语音电路，告知呼叫方与警情相关的信息，完成自动报警。
图2.1报警器总体设计方案框图
看门狗电路用来实现三种功能，第一是低压报警，第二是防止系统的程序跑飞，第三是存储。
2.3双音多频收发电路
双音多频收发电路采用双音多频（DTMF）传输技术。
DTMF可实现快速可靠地传输，具有很强的抗干扰能力和较高的传输速度，在通信系统得以可广泛的应用。
但绝大局部是用作的音频拨号，也可以在数据通信系统中用来实现各种数据流和语音等信息的远程传输[7-8]。
DTMF是用两个特定的单音频组合信号来代表数字信号以实现其功能的一种编码技术。
两个单音频的频率不同，代表的数字或实现的功能也不同。
这种机常有16个按键，其中有10个数字键0~9和6个功能键*，#，A，B，C，D。
由于按照组合原理，一般应有8种不同的单音频信号。
因此可采用的频率也有8种，故称之为多频，又因它采用从8种频率中任意抽出2种进展组合来进展编码，所以又称之为“8中取2〞的编码技术。
根据CCITT的建议，国际上采用的多种频率为697Hz，770Hz，852Hz，941Hz，1209Hz，1336Hz，1477Hz和1633Hz等8种。
用这8种频率可形成16种不同的组合，从而代表16种不同的数字键和功能键，具体组合如表2.1所示。
表2.1双音多频组合功能
低频群
〔Hz〕
高频群（Hz）
1209133614771633
697123A
770456B
852789C
941*0#D
2.4GSM数字移动通信系统
移动通信模块采用的是基于GSM数字移动通信系统的通信模块[9]。
通信就是信息交流。
随着社会的开展，人们对通信的要求越来越高，希望无论何时何地都能与时可靠地实现与任何人之间的通信。
因此，传统的固定通信手段已不能满足人们的需要，移动通信就是在这种要求下开展起来的。
移动通信就是指通信的双方，至少有一方是在移动中进展的通信。
例如，固定点与移动体（车辆、船舶、飞机）之间、移动体之间、活动的人与人之间以与人与移动体之间的通信都属于移动通信的畴。
要使通信的一方或双方在移动中实现通信，就必须采用无线方式。
当前所使用的无线频段主要为VHF频段的150MHz和UHP频段的450MHz，800MHz，900MHz。
最近已经出现使用1.8GHz频段的GSM数字蜂窝移动系统。
GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来，并在蜂窝系统的根底上开展而成。
GSM系统是1982年欧洲电信主管部门会议为开发第二代数字蜂窝移动系统而成立的机构，后来，欧洲的专家们将GSM有关的技术职能交给了欧洲电信标准协会。
同时，为维护GSM网络运营者、设备制造商和用户的共同利益，各国的运营者和制造商共同发起并成立了GSMMOU（谅解备忘录）组织。
MOU组织1991年在欧洲开通了第一个系统，同时为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统〞（GlobalSystemforMobileCommunications）。
从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。
同年，移动特别小组还制定了1.8GHz频段的公共欧洲电信业务的规，名为DCSI800系统。
该系统与GSM900具有同样的根本功能特性，它只占GSM协议的很小一局部，仅将GSM900和DCSI800之间的差异加以描述，二者绝大局部是通用的，均可通称为GSM系统。
1992年，大多数欧洲GSM运营者开场商用业务。
到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50%。
l993年，欧洲第一个DCSI800系统投入运营。
到1994年已有6个运营者采用了该系统。
GSM系统技术规中只对功能和接口制定了详细规，而未对硬件做出规定。
这样做的目的是尽可能减少对设计者的限制，并使各运营者有可能购置不同厂家的设备。
1991年中国在市建立和开通了我国第一个GSM引示系统，并于1993年9月正式开放业务。
目前，我国GSM用户数量已超过1亿，成为世界上GSM手机量最多的国家。
GSM系统的主要技术有以下6个特点：
（1）由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡等技术，使系统的频谱效率高。
（2）具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，容量加大。
（3）除开放话音业务外，还可开放承载业务、补充业务和与ISDN相关的业务。
（4）提供开放性接口，可与各种公用通信网互连互通，任何厂家提供的GSM系统都能互连。
（5）通过鉴权、加密和临时移动用户识别（TMSI），可以到达平安的目的。
（6）在SIM卡根底上实现自动漫游功能，全部GSM移动用户都进入GSM系统而与国别无关。
2.5单片机的软件开发工具C51语言
本报警器的主机采用AT89C51单片机来实现。
采用高级语言工具C51来进展软件设计。
美国Archimedes公司和FranklinSoftware公司在20世纪90年代初专门为基于51系列单片机开发了高级语言工具C51。
利用该工具编写的代码简单高效、结构清晰，尤其是后来不同类型的微处理器与其更新产品的开发工具根本上都支持C语言，因此用C语言编写的程序容易移植和维护。
现在C51主要有两个版本：
一个是Archimedes公司的C51V4.05A，另一个是FranklinSoftware公司的C51V3.20。
两个版本都支持ANSI标准，同时为满足MCS51单片机的特殊需要又扩展了一些关键字，如bit，code，data，idata，sfr，reentrant等。
但是对于单片机89C51的应用，只有FranklinSoftwareC51V3.20编译器提供C语言编程的方法。
该编译器对局部变量与传递参数使用RAM覆盖技术，使其部RAM的利用效率提高，因此C51完全可以和汇编语言相比较。
同时，该编译器还可以产生Intel格式的目标文件。
FranklinC51V3.20有以下5个特点[10]：
（1）存储模式上FranklinC51支持SMALL，COMPACT，LARGE模式。
当缺省存储类型时，存储模式将自动决定变量的默认存储类型，不能位于RAM中的参数、传递变量和无明确存储类型说明的局部过程变量也将保存在默认的RAM区域。
（2）存储类型FranklinC51支持89C51微处理器与结构，可完全访问其硬件系统的所有局部，每个变量可准确地赋予不同的存储类型，如表2.2所示。
表2.2C51存储类型与89C51存储空间的对应关系
存储类型对应存储空间
data直接寻址片数据存储区，访问速度快〔128字节〕
pdata分页寻址片外数据区〔256字节〕MOVXR0访问
xdata片外数据存储区〔64k〕MOVXDPTR访问
code代码存储区〔64k〕MOVCDPTR访问
（3）数据类型。
FranklinC51支持的数据类型为bit，signedchar，unsignedchar，signedint，unsignedint，long，unsignedlong，float指针等。
变量可以组合为结构和联合，也可定义为多维数组，同时还可以通过指针访问变量。
另外，FranklinC51还有两个特殊的数据类型sbit和sfr，用来简化对89C51微处理器的特殊功能存放器（SFR）的访问，如表2.3所示。
表2.3C51的特殊数据类型
数据类型长度围
sbit1位1or0
sfr1字节0~255
sfr162字节0~65535
（4）指针。
FranklinC51支持一般三字节指针和基于存储器的指针，其中基于存储器的指针由C源代码中存储类型决定并在编译时确定，用这种指针可以高效访问对象并且只需一至二字节。
例如，用于访问部RAM或外部PRAM的字节指针和用于访问外部RAM或ROM的二字节指针（指针之间可以相互转换），从而实现对存储器的高效访问，如表2.4所示。
表2.4C51的指针类型
指针说明长度指向
float*p33字节所有89C51存储空间的“float〞
chardata*dp1字节“data〞存储区中的“char〞
longpdata*pp1字节“pdata〞存储区中的“long〞
charxdata*xp2字节“xdata〞存储区中的“char〞
（5）中断和重入。
FranklinC51支持对中断的所有方面的控制和存储器组的使用，从而创立高效的中断效劳程序，产生最适宜的代码，它使用关键字interrupt声明中断过程，用using声明使用的存储器区，函数的重入需要使用关键字reentrant（重入函数的使用效率要低得多）。
使用C源程序直接开发中断过程的函数语法如下：
返回值函数名（[参数]）[模式][再入]
Interruptvector[usingbank]interrupt后的数值vector为89C51控制器的多中断。
中断与入口地址如表2.5所示。
表2.5C51的中断向量表
中断类型中断向量
0：
外部中断0003H
1：
定时器/计数器0中断000BH
2：
外部中断10013H
3：
定时器/计数器1中断001BH
4：
串行端口中断0023H
第3章主模块设计
本章详细介绍主模块的硬件和软件设计。
主模块包括主机、双音多频（DTMF）收发电路、语音电路、看门狗电路和声光报警驱动电路。
详细说明芯片选择的比较，所选用芯片的部组成、功能特点、外围电路与其接口电路，并设计出具体的硬件电路。
根据硬件连接和模块的功能要求，提出软件的设计方法并编程。
3.1主机
报警器的主机采用AT89C51单片机来实现。
单片机是将中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器与输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
现在世界上已经有很多大公司能够生产单片机，随着超大规模集成电路的迅猛开展，单片机的功能也日渐强大，运算速度日益提高，相继出现了32位和64位单片机，但根据实际系统的需要和产品的性价比，本文选用ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51作为系统的主机。
AT89C51是ATMEL公司采用CMOS工艺生产的低功耗、单片机，与MCS-51单片机兼容，其功能特点为：
（1）4k字节闪烁存储器（FLASH），可进展1000次写、擦除操作。
（2）静态操作，外接0Hz~24MHz晶振。
（3）三层程序存储器。
（4）128字节部数据存储器（RAM）。
（5）32根可编程输入/输出线。
（6）两个6位定时/计数器。
（7）六个中断源。
（8）一个可编程串口。
（9）支持低功耗模式和掉电模式。
根据系统设计的需要，本报警器的主机由一片AT89C51单片机和一片U0扩展芯片8255A组成[11]，主机电路如图3.1所示。
图3.1主机电路图
图3.1中，电容：
C1=30pF，C2=30pF，C3=22µF，晶振：
F=12MHz，电阻：
R1=1kΩ。
这里只给出了AT89C51单片机的主要外围电路和输入输出口的扩展电路，有关单片机其他引脚的连接，将在以后的相应章节中给出。
对于单片机编程语言主要有：
汇编语言、PL/M语言、BASIC语言和C5l语言。
本文的软件设计采用C51语言。
C51语言的兼顾了C语言的特点，很适合程序的模块化设计，本文充分利用这一特点，将软件划分为功能相对独立的模块，与相应的硬件电路一起设计。
这一节介绍主程序和8255A初始化程序。
所谓主程序就是C语言中的main（）函数。
根据系统实现的功能，本文的主程序其流程图如图3.2所示，其主要完成以下功能：
（1）程序初始化，包括AT89C51两个部定时/计数器、双音多频电路和移动通讯模块的初始化。
（2）循环检测警情。
（3）警情处理包括警情纪录，声光报警，固定报警或移动报警。
8255A是INTEL公司生产的单片机输入/输出（I/0）扩展芯片，8255A部有一个控制存放器和三个数据存放器即：
PA，PB，PC口。
本系统将PA，PB，PC都规定为一般的输入输出方式，其中PC接键盘输入，PA接警情采集电路。
图3.2主程序流程图
在图3.1所示的主机硬件电路设计中，8255A的控制存放器、PA口、PB口、PC口的基地址分别为：
0003H，0000H，0001H，0002H。
因为三个数据存放器都工作在方式0，且PC的高四位用于输出，低四位用于输入，PA，PB口用于输出，所以控制命令字为：
81H。
8255A的初始化程序见附录源程序1。
3.2双音多频收发电路
双音多频是一种的拨号方式，它用8种频率组成的16个键。
现在市场上己经有多种芯片可以完成双音多频信号的收发功能，例如：
WE9188，UM91215，MT8880。
其中MT8880以其功能齐全，外围电路简单，与单片机接口方便而受到了用户的青睐。
本文研制的报警器选用MT8880芯片来设计双音多频收发电路[12-13]。
MT8880是MITEL公司生产的DTMF发送与接收芯片，它是一种功能较强的DTMF发送与接收器。
它的部存放器和控制接口、数据总线器，便于实现与微处理器的直接接口和对电路进展工作模式控制，获得更多的功能和灵活性。
通过微机接口可以由Φ2，RSO，R/
，
，D0~D3等信号选择部存放器，并控制电路的工作状态或工作模式。
MT8880的管脚如图3.3所示。
图3.3中，OSC1，OSC2是时钟或振荡器输入和输出端。
通常两端外接3.579545MHz晶振，与片振荡器产生基准时钟信号。
IN+，IN-是运放的同相和反相输入。
GS是增益选择端，VREF是基准电压输出端，它由VDD，VSS产生，通常为VDD/2，作为运放输入的偏置。
TONE是发送DTMF信号的输出。
R/
是读写控制信号输入，与TTL电平兼容。
是片选信号输入，假设
为TTL低电平，那么此电路被选中。
RSO是存放器选择输入，与TTL电平兼容。
CLK2是系统时钟输入，与TTL电平兼容。
DO~D3是控制DTMF信号发送和DTMF译码的4位数据输
入/输出，与TTL电平兼容，当
=0H时，DO~D3呈高阻。
/CALL-对微处理器的中断请求信号，为开漏输出。
假设控制存放器数据设定电路处于CALL模式和中断使能状态，那么该端输出代表运放输入的方波信号音。
EST是初始控制输出，ST/GT是控制输入/时间监测输出，VCC是电源正极，MT8880的工作电压为+5V，VDD是地。
MT8880部包含5个工作存放器，它们是发送数据存放器（TDR）、接收数据存放器（RDR）、状态存放器（SR）、控制存放器A和B。
用户可以分别通过RSO，R/
的不同时序组合将数据写入TDR或A，B，来控制选择MT8880的不同工作模式和数据读写。
MT8880共有6种工作模式。
（1）DTMF模式。
电路发送或接收DTMF信号。
数据通过TDR，RDR以与状态存放器SR，可以完成DTMF信号的发送与接收。
（2）呼叫处理（CALL）模式。
电路可以从输入信号中检测呼叫过程中的各种信号音，并由
/CALL端方波输出。
（3）突发（BURST）模式。
该模式下只能发送DTMF信号而不能接收。
（4）单/双（S/D）音产生模式。
电路可产生单音或DTMF信号，用于测试和监测。
（5）测试（TEST）模式。
使电路从DTMF接收局部得到延迟监测信号，并从
/CALL端输出。
（6）中断模式。
该模式可工作在DTMF状态条件下或BURST模式条件下，一旦有信号出现，那么
/CALL端输出低电平。
表3.1控制存放器A的功能
比特位置名称符号功能
B0信号音输出TOUT低电平有效，突发与非突发模式均可
B1模式输出MC低电平时为DTMF方式，高电平时为CALL模式
B2中断允许IRQ高电平有效，使电路工作于中断模式
B3控制存放器选择RS高电平时，下一个写周期选控制存放器B，继而写周期返回选A
表3.2控制存放器B的功能
比特位置名称符号功能
B0突发模式BURST低电平有效
B1测试模式TEST高电平有效
B2单/双音产生S/D低电平设定电路产生DTMF信号；高电平设定行或列〔由b3决定〕单音信号输出
B3列/行单音产生C/R在b2为高电平的情况下，假设b3为高那么选择列单音频率，为低那么选择行单音频率。
有关RSI，R/
的时序组合来选择不通的部存放器如表3.3所得到不同的工作模式。
此时，状态存放器（SR）的作用尤为重要，因为有关数据读写的状态标志要从SR中得到。
SR每一位的定义见表3.4。
表3.3RSI与R/
时序控制
RSIR/W功能
00数据写入TDR
01数据从RDR读出
10数据写入控制存放器A，B
11数据从SR读出
表3.4状态存放器SR的功能
比特位置名称状态标志设定状态标志去除
B0中断模式中断发生，b1，b2被中断禁止，SR读出数据后
设定去除
B1突发模式下暂停时间已完，准备发SR读完数据后或当非突发
TDR为空生新的数据模式下进展去除
B2RDR满RDR中已有有效数据SR读完数据后去除去除
B3延迟控制设定无DTMF信号进展有效DTMF信号检测功能
有效检测功能
MT8880与AT89C51的接口电路相比照较简单，并且加上相应外围电路就可以实现DTMF信号的收发功能。
但是MT8880是专门为MOTOROLA公司的68系列单片机设计的，所以，它们的时序配合能通过硬件完成，而AT89C51没有硬件电路来满足MT8880的工作时序，需要通过软件实现，实现过程将在软件设计中介绍，其接口电路和外围电路如图3.4所示[12]。
图3.4MT8880与单片机的接口
MT8880的CP引脚和AT89C51的T0连接，用以完成对线上各种信号引得判断。
因为本系统采取循环检测的方式，所以MT8880的中断引脚不需要与AT89C51的中断引脚相连。
由MT8880产生的DTMF信号不能直接与线相连，因为该信号与线所传输的信号不匹配，我国线上所传输的信号遵守GB7732标准，按照该标准规定，MT8880产生的DTMF信号先要经过放大，然后才能与线连接。
放大电路如图3.5。
图3.5信号放大电路
图3.5中，电阻：
R1=100kΩ，R2=2.4MΩ，R3=82kΩ，R4
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