基于GSM网络报警系统设计.docx

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基于GSM网络报警系统设计

作者姓名：

XXXXXXXXXXXX

专业名称：

通信工程

指导教师：

XXXXX

摘要

自2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。

物联网打破了之前的传统思维。

过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开，一方面是机场、公路、建筑物，另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。

而在物联网时代,钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球。

本文主要阐述了物联网的报警部分功能，设计了一种基于单片机的智能导航系统。

系统采用TI公司低功耗单片机，通过各种传感器采集信息，然后经由单片机综合分析后，利用GSM模块通过GSM网络将各种报警信息发送到拥有权限的用户手机。

本系统在设计中重点注意软硬件设计方法和系统的安全性。

论文主要做了以下几个方面的研究：

1、TC35I的调试方法和与MCU之间的通信。

2、密码锁的解锁与密码的修改。

3、基于128x64液晶的菜单显示设计。

实验结果表明该系统运行稳定，能够达到解锁与密码设定功能，通过GSM网络发送报警信息，正常的显示三级菜单和防区的布防与撤防功能。

关键词：

TC35IMSP430单片机菜单设计密码锁

Abstract

SinceAugust2009,PremierWenJiabaoputforwardthe"ExperienceChina"InternetofThingswasofficiallylistedasanationaloneofthefiveemergingstrategicindustries,towritethe"GovernmentWorkReport"InternetofThingsinChinahasbeenthegreatconcernofthesocietyasawholedegreeofconcernisunparalleledintheUnitedStates,EuropeanUnion,aswellasothercountries.Internetofthingstobreakthetraditionalthinking.TheideasofthepasthasbeenthephysicalinfrastructureandITinfrastructure,ontheonehand,airports,roads,buildings,ontheotherhand,thedatacenter,PC,broadband.Intheeraofthings,reinforcedconcrete,thecablewillworkwiththechip,broadbandintegratedintoaunifiedinfrastructure,inthissense,theinfrastructureismorelikeanewEarth

ThisarticlefocusesonthealarmfunctionoftheInternetofThings,todesignamicrocontroller-basedintelligentnavigationsystem.TI'slow-powermicrocontroller,throughavarietyofsensorstocollectinformation,andthenthroughthemicrocontrollerofacomprehensiveanalysisofvariousalarmmessagessenttomobilephoneusershavepermissionthroughtheGSMnetworkusingGSMmodule.Thesystemdesignisimportanttonotethehardwareandsoftwaredesignmethodsandsystemsecurity.

Thepaperismainlythefollowingaspects:

1、TheTC35IdebuggingmethodsandwiththeMCUcommunication.

2、clock,unlockandpasswordchanges.

3、Thedesignof128x64LCDmenu.

Experimentalresultsshowthatthesystemisstable,unlockandpasswordsettingscanbeachievedthroughtheGSMnetworktosendalarminformation,thenormaldisplaythreemenuandthearminganddisarmingofthezone.

Keywords:

TC35I, MSP430 microcontroller, menu, passwordlock

前言

当前,人们的安全防范意识大大提高,自我安全保护意识逐渐加强,给安防市场带来无线商机,这就是人们所说：

“花钱买平安”是全世界最大的经济趋势！

再则,中国主司安防产业的政府部门,如中央政法委、各省（市）公安厅科技处、技防办等等,均拟定策略性的发展纲要,以高新安防科技来维护社会治安的稳定,对安防素质的提升不遗余力！

国家规定，新建设的楼房不允许安装防盗窗或防盗网；因为影响市容，而且在发生火灾事件时，造成人员无处可逃，导致人员伤亡的事故发生！

随着经济的不断发展，人们的生活水平得到了显著提高；尤其是物质生活水平的提高，安全方面的问题越来越引起人们的重视。

为了保障自家的财产安全，许多楼房住户都在自家地下室和住房的门、窗上安装了防盗门和防护栏等。

然而，这些设备在防盗的同时，也带来了许多弊端：

比如防盗门钥匙丢失，会给户主带来很大的麻烦；家中遇到紧急情况，这些防盗设备也会给逃生及消防救援带来诸多不便。

随着科学技术的不断进步，尖端科学技术应用的普及，许多智能化的报警系统也应运而生，它们将更便捷、更可靠地保障住户的财产安全。

在本文中，笔者设计了一种基于GSM的住宅智能报警系统，该系统满足了现代住宅防盗的需要。

根据题目要求确定方案：

以MSP430单片机为核心外加独立工作的传感器模块（如温度、煤气、红外等），通过外围输入设备（4*4矩阵键盘）对传感器参数进行设置，最后将设置信息以及传感器状态等参数实时的反映到输出设备（128x64液晶显示器）当传感器采集到数据满足参数要求时MSP430单片机通过串口控制GSM（TC35I）模块并且像GSM模块写入报警信息以提醒住户。

这种方案能实现对外围传感器状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

本设计采用MSP430系列中的MSP430F2617单片机。

以MSP430F2617为控制核心，利用温度传感器检测室内温度并且对室内温度进行实时监控，同时该系统具有可兼容信好的特点兼容上升沿触发的传感器，可以很容易的建立较大的传感器网络。

TI公司的MSP430系列单片机是一个超低功耗类型的单片机，它能够实现在1.8V～3.6V电压、1MHz的条件下运行，耗电电流在0.1uA～400uA之间。

16位的数据宽度，125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的某些算法。

它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。

1概述

1.1GSM原理及功能实现

GSM手机电路由无线收发信机、基带信号处理电路、基带控制电路、存储电路、键盘、显示器、外部接口等部分组成。

射频单元：

射频单元的发信通路将基带单元产生的270.833kbit/s的TDMA帧数据流。

信号接：

GMSK调制方法形成I、Q信号，再调制到900MHz或1800MHz射频信号，经射频开关：

由天线发射出去，收信通路将天线接收的信号经低噪声放大、解调，产生基带I、Q信号，通过解调和均衡将模拟的I、Q信号进行数字化，恢复出数字基带信号，送基带电路处理。

射频单元的本振信号通常从时基电路获得基准频率，然后采用锁相环技术实现频率合成。

基带芯片与基带信号处理电路：

GSM基带芯片是通信终端产品的关键部件，现在比较流行的一般有单IC封装和双IC封装两种形式。

多家公司可以大量供应成套的芯片组，如TI、ADL/TIP、Lucent、VLSI等。

这为国产手机基带芯片设计提供了有益的参考。

基带电路包括信道编/译码，加密/解密、TDMA帧形成/信道分离及基准时钟电路、话音编/译码、码速适配器等。

送话器的话音信号经过8kHz抽样及A/D变换，成为均匀量化的数据流，经话音编码、信道编码、交织、加密等处理，形成270.833kbit/s的TDMA帧数据流，送调制器发送。

在接收通道执行与发信通道相反的过程。

帧及信令控制以时钟基准部分提供统一帧号、时隙号、1/8bits时钟等基础，实现同步。

控制器：

控制器实现对手机系统的控制，包括协议处理、射频电路控制、基带电路控制、键盘输入、显示器输出、SIM卡接口及数据接口等功能。

SMS（ShortMessageService）短信息服务是GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）系统中提供的一种GSM终端（手机）之间，通过服务中心（ServiceCenter）进行文本信息收发的应用服务，其中服务中心完成信息的存储和转发功能。

短信息服务作为GSM网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。

以GSM网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类应用，如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等。

典型的应用有：

变电站、电表、水塔、水库或环保监测点等监测数据的无线传输和无线自动警报；远程无线控制高压线路断电器、加热系统、防洪拦阻系统或其它机电系统的启动和关闭；车队交通管理和控制指挥系统；控制和监测香烟、食品和饮料自动售货机的运行状态和存货水平等等。

由于GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用。

同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费用高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。

比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速的普及。

利用GSM短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。

本文的报警系系统就是根据GSM的SMS远程数据传送功能完成其远程控制的。

而短信精灵是为了解决手机短信输入麻烦而编制的。

下面简要的介绍一下这两个系统。

手机短消息的收发都是通过GSMModel的通用AT命令来实现的。

AT命令是主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP共同为GSM研制的，其中包含对SMS的控制。

AT命令在此基础上演化并被加入GSM07.05标准，以及之后的GSM07.07标准。

本文的两个系统都是以AT命令为基础开发的。

1.2GSM网络结构

GSM标准中定义的点-点短消息服务使得短消息能在移动台和短消息服务中心之间传递。

这些服务中心是通过称为SMS-GMSC的特定MSC同GSM网络联系的。

图1.1SMS管理协议

SME：

ShortMessagingEntity，短消息实体。

它可以接收或改善短消息，位于固话系统、移动基站或其他服务中心内；

SMSC：

ShortMessageServiceCenter，短消息服务中心，负责在基站和SME间中继、储存或转发短消息；移动台（ME）到SMSC的协议传输来自移动台或朝向移动台的短消息，协议名为SMTP（ShortMessageTransmissionProtocol）；

SMCGWMS或SMCGMSC：

SMS-GatewayMSC，SMS网关。

接收由SMSC发送的短消息，向HLR查询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心；

HLR：

HomeLocationRegister，归属位置寄存器。

用于永久储存管理用户和服务记录的数据库，由SMSC产生。

SMS网关与HLR之间的协议使前者可以要求HLR搜索可找到的用户地址。

它与MSC与HLR之间的协议一起，能在移动台因超出覆盖区而丢失报文、随后又可找到时加以提示；

MSC：

MobileSwitchingCenter，移动交换中心。

负责系统切换管理并控制来自或发向其他电话或数据系统的拔叫；

VLR：

VisitorLocationRegister:

，访问位置寄存器。

含有用户临时信息的数据库。

交换中心服务访问用户时需要这些信息；

2方案设计与论证

2.1主控系统选择

2.1.1基于ARM处理器的主控系统

采用32位高性能嵌入式系统，比如ARM、DSP。

此类芯片功能强大，运行速度快，可嵌入大型操作系统如手机、MP5等便携式设备。

如果采用此方案，可以很好的解决数据处理和控制功能，但开发难度大，芯片价格较高。

2.1.2基于51单片机的主控系统

采用传统8位51单片机，内部12分频，运行效率较低，内部存储空间小，控制端口有限，内部资源少，无片内可读写ROM。

2.1.3基于MSP430的主控系统

采用TI公司的MSP430，它是16位的超低功耗混合型单片机，寻址指令丰富，8MHz时钟晶振指令周期125ns，集成硬件乘法器，可实现高速运算，运行效率高，存储空间大，片内外设丰富，方便进行扩展设计，而且MSP430最小系统电路构成简单，外部只需加上少量元件就可以独立工作。

考虑到方案的可实行性和性价比，本设计采用MSP430F2617单片机，采用RISC精简指令集，可实现高速运算，存储空间大，低功耗，外围引脚丰富，片内资源多价格低廉，性价比极高。

2.2传感器选择

2.2.1采用模拟温度传感器AD590

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

但是AD590使用的时需要外扩I-V转换电路，并且需要ＡＤ转换器将对应的电压转换问相应的温度，如此一来必将会增加电路复杂度造成系统工作稳定，同时也会增加系统的设计成本。

图2.1AD590电路图及实物图

2.2.2采用数字温度传感器DS18B20

DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器是DALLAS最新单线数字温度传感器，同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。

DS1822的精度较差为±2°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C。

而且DS18B20在3.3V和5V电压下均可正常工作，如果采用AD590还需要单独设计12V电源而且DS18B20省去了模拟部分与AD590相比系统复杂程度会大大降低。

图2.2DS18B20实物及电路

2.2.3DS18B20与AD590对比

表2.12种温度传感器性能对比

DS18B20与AD590各项参数对比

AD590

DS18B20

需要模拟转数字电路

只需要一个元件

成本高点

成本低

精确度低

精确度高

测温点数量少

单总线可同时连接很多温点

电路繁多

电路简单

对线阻有要求

信号线距离远

综上所述根据系统的使用场合并不是在要求精度非常高的环境中因此本方案采用DS18B20。

2.3电平转换芯片选择

2.3.1采用MAX232

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用5V单电源供电，可以实现计算机的±12V的电平转换为可以有MCU（单片机）能够识别的TTL或者CMOS电平。

因此采用MAX232进行电平协议转换时芯片需要外接电容，而且由于本系统设计到两种电平3.3V和5V电平因此转换时需要两片MAX232。

图2.3MAX232实物及电路

2.3.2采用缓冲器74HC245

74HC245总线驱动器，典型的CMOS型三态缓冲门电路。

由于单片机或CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。

TC35I不能够识别MSP430单片机的3.3V电平但是MSP430单片机可以识别5V电平，而74HC245外围电路简单，因此本方案采用74HC245实现电平转换。

图2.474HC245实物及电路

2.3.3电平转换后的通信流程

74HC245电平转换后的通信流程。

其原理为：

MSP430单片机的3.3V电平经过74HC245电平转换芯片后被转变为5V电平这样GSM模块TC35I就可以识别来自MSP430单片机的3.3V电平信号，同样GSM模块TC35I返回的数据被74HC245电平转换芯片转变为5V电平信号同样可以被MSP430所识别。

图2.5单片机与GSM模块通信

2.4液晶显示模块

2.4.11602液晶

图2.61602液晶

市面上出售的1602液晶普遍采用此种封装。

1602液晶一共能够显示32个字符型数据共两行，每行16个。

在本次设计中由于用户界面设计中采用了菜单操作，因为1602液晶不能显示汉字如果采用该液晶模块将会给程序设计和用户操作带来极大的不便。

2.4.2FDM12864液晶

图2.7128x64液晶

128x64液晶分辨率为128*64是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：

8-位并行及串行两种连接方式。

具有多种功能：

光标显示、画面移位、睡眠模式等鉴于12864的这些功能完全符合本系统中菜单设计的要求，因此本次设计采用FM12864液晶模块。

表2.2128x64引脚功能说明

引脚

名称

方向

说明

引脚

名称

方向

说明

VSS

—

电源负极

DB4

I/O

数据4

VDD

—

电源正极

DB5

I/O

数据5

—

LCD偏压输入

DB6

I/O

数据6

RS（CS）

H/L

数据/片选

DB7

I/O

数据7

RW（SID）

H/L

读写信号/串行数据

PSB

H/L

H并L串

E（SCLK）

H/L

使能信号

—

空

DB0

I/O

数据0

/RST

H/L

复位

DB1

I/O

数据1

—

空

DB2

I/O

数据2

BLA

—

背光正极

DB3

I/O

数据3

BLK

—

背光负极

图2.8128x64封装尺寸

图2.9液晶写数据时序

图2.10液晶读数据时序

表2.3128x64部分指令

指令名称

控制信号

控制指令

执行时间

R/W

1.6m

清除显示

72us

设定点

I/D

72us

显示开关

72us

移位控制

S/C

R/L

72us

功能设定

0/R

72us

设CGRAM

72us

设DDRAM

72us

上表为FDM12864液晶的部分操作命令，注意在进行液晶程序设计的时候需要注意液晶的执行时间，如果需要提高指令的操作效率可以每次在进行读操作或者写操作的时候需要判断D7位为0或者1，为1表示忙需要等待。

2.5GSM模块

2.5.1采用GSM方案

采用GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。

因此可以采用GSM模块将CPU采集到的信息经过处理后，发送至目标手机。

2.5.2采用GPRS方案

GPRS模块，是具有GPRS数据传输功能的GSM模块。

GPRS模块就是一个精简版的手机，集成GSM通信的主要功能于一块电路板上，具有发送短消息、通话、数据传输等功能。

GPRS模块相当于手机的核心部分，如果增加键盘和屏幕就是一个完整的手机。

普通电脑或者单片机可以通过RS232串口与GPRS模块相连，通过AT指令控制GPRS模块实现各种基于GSM的通信功能。

由于本系统不涉及实时动态数据的传输因此采用GSM模块，GSM模块采用西门子公司生产的TC35I。

2.5.3TC35I简介

TC35i新版西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块,工作在EGSM900和GSM1800双频段,电源范围为直流3.3～4.8V,电流消耗——休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA（平均），2.5A峰值；可传输语音和数据信号,功耗在EGSM900（4类）和GSM1800（1类）分别为2W和1W,通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。

SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率300

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