基于GSM的家庭安全防护系统

摘要：设计一款家用安全防护系统，能对家庭中燃气泄露、火灾和盗窃等突发事件进行实时监测和信息传输。系统由主机和从机两部分组成，红外遥控开关控制整个系统的开闭，通过从机单片机实时地采集和处理燃气、烟雾、人员入室等事故信息，并由NRF24L01无线模块发送给主机；主机通过NRF24L01接收事故信号，处理后将报警信息通过GSM通讯模块以短信形式第一时间发送至用户手机。系统具有成本低康、功耗低、操作简单等特点，应用前景广阔。
关键词：单片机；NRF24L01无线模块；GSM模块；安全智能居家

    随着电子技术的飞速发展，报警系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化方向发展。而各种防盗报警系统之间的主要区别在于分机与主机、分机与用户之间进行通讯的方式。手机作为信息爆炸时代的产物已经成为人们日常最为便利的通讯工具。据悉，我国手机用户已达7．4亿，手机使用成本特别是短信息成本逐渐降低。如果能把报警装置以短消息的形式与手机之间建立远程控制，人们会在第一时间收到消息，并做出迅速反应，大大减少悲剧的发生。本文基于此思想设计了一种基于GSM网络的新型家庭安全检测系统，可通过手机实时接收到故障及报警信息。

1 总体结构与工作原理
    该系统以广泛使用的GSM网络为通信媒介，用于家庭安防，可实时检测室内气体(燃气，烟雾)浓度以及人体移动情况，实现防火，防气体泄漏和防盗等功能。该装置由主机和分机两部分组成，从机用于检测家庭室内燃气、烟雾浓度和是否有人员进入室内，并负责把检测信息无线传送给主机，主机对信息进行实时判断和处理，若有异常情况，则通过GSM网络将报警信息以短信形式通知用户。

    系统总体结构如图1所示。主机和从机系统均采用51兼容内核的STC单片机作为控制器。从机系统由控制器、普敏烟雾气体传感器、人体红外传感器、A／D转换器、NRF24L01无线模块等模块组成。普敏烟雾气体传感器内部是一个气敏电阻，当“闻”到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，燃气达列一定浓度，即电阻达到一定水平时，传感器就发出报警信号。人体红外传感器模块采用双元探头，探头的窗口为长
方形，双元位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时，红外光谱到达双元的时间、距离有差异，差值越大；感应越灵敏。如果有人体在其感应范围内活动。其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平。以上的报警和信号变化经单片机采集、数据分析后，由无线模块将相关信息发送至主机，交与主机做进一步处理。主机主要由控制器、遥控开关、稳压电源、EEPROM、液晶显示器、键盘、GSM手机模块TC35及NRF24L01无线模块组成。
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2 系统硬件电路设计
2.1 从机
    1)气体传感器：半导体普敏型气体传感器MQ-2具有广泛探测范围、高灵敏度、快速恢复响应、寿命长及驱动电路简单等特点，适用于液化气，甲烷，丙烷，丁烷及烟雾的检测。此传感器有两个电压输入，加热电压和电路电压，本方案均采用直流5 V。传感器基本工作原理是在传感器内炉丝加热后传感器阻值会随外部气体的浓度而变化，阻值变化范围3～30 kΩ，基本工作电路如图2所示。该传感器用于家庭安防中检测燃气的泄露，极大程度地减免了意外发生。

    图2中ADIN接A／D输入端口，监测气体浓度变化通过负载R3上的分压值来体现。由于本方案对A／D精度要求不高，故采用8位单通道逐次逼近式A／D转换器ADC0804。
    2)红外传感器：人体红外感应模块HC-SR501，感应角度≤100度，感应距离≤7 m，灵敏度高，可靠性强，可通过调节负载电位器调节其灵敏度。该模块可以检测到房间里人的存在，进而通过短信告知用户，以防失窃等事故发生。用户配置有遥控，可根据需要对主机进行设置，屏蔽其功能，以防误报。
    3)通讯模块：NRF2401无线模块为工作在2.4～2.5GHzISM频段的无线收发模块，其传输距离约100m，低电压(1．9～3．6 V)，低功耗，可直接与单片机IO口连接。发射模式下无线发射速率1Mbps或2Mbps，抗干扰能力强。模块内置硬件CRC检错和点对多点通信控制，并有自动应答和无应答自动再发射功能，内部寄存器可设置发射无回应重复发射次数，若超过该值则产生中断由IRQ引脚输出，发送或接受完毕后也产生中断由IRQ输出，可避免单片机查询，节约单片机资源及简化程序设计。模块与控制器间采用SPI总线接口通信，用以配置及读写数据，数据率取决于单片机的接口速度，以单片机的低速接口写入数据后高速发射，以实现低功率，同时减少数据无线传输时间，增强抗干扰性。由于51单片机无专用SPI总线接口，故采用通用IO口模拟。连接电路如图3所示。除VCC、GND及IRQ外，其余引脚均与单片机通用IO口连接，用于SPI串行通讯；IRQ与单片机的外部中断引脚连接。

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2．2 主机
    1)GSM手机模块：西门子TC35是目前市场上广泛使用的低成本、高性能手机模块，工作在EGSM900／GSM1800双频段，工作电压为直流3．8～5 V。模块提供ZIF接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。采用AT指令传输指令和数据(AT+XXXX=XXXX)，数据口设置为可选波特率300 bps～115 kbps，或自动波特率1．2～115 kbps。本方案采用自动波特率设置，单片机串口工作于方式1，波特率9．6 kbps，数据格式为1起始位，8数据位，1停止位，无校验位。TC35与单片机及SIM卡连接电路如图4所示。TC35数据接口(CMOS 3．3V)经电平转换后可与单片机进行数据传输，单片机RXD接口可识别3．3VCMOS电平，可直接连接；而在单片机TXD接口和TC35的RXD接口间采用74HC系列逻辑门芯片转换电平；IGT接口用于上电配置后由单片机加脉冲启动模块；SYNC接口为状态指示接口，接LED指示灯，启动后等间隔(600 ms间隔亮灭)闪烁表示无SIM卡或者未接入网络，不等间隔闪烁(75 ms亮，3s灭)表示接入网络。

    2)通讯模块：同从机。
    3)电源部分：由于TC35模块对电源要求严格，其短信发送峰值电流可达1．5 A，且若电源部分有超过400 mV压降会自动关闭，本方案采用LM2576(5 V，3 A)作为稳压芯片，并在VCC和GND之间并入1 000μF电解电容以维持电压稳定，可使模块及外围器件正常工作。无线通讯模块及起电平转换作用的74HC系列逻辑芯片采用ASM1117(3．3 V，1 A)供电。
    4)EEPROM存储器：AT24C02为采用IIC串行总线的电可擦写存储器，容量256B，主要用以存储用户号码配置。
    5)矩阵键盘及液晶模块：本方案采用1602液晶用以显示工作状态或辅助键盘输入设置，4x4矩阵键盘用来输入用户号码等配置信息。
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3 系统软件设计
    软件采用模块化设计方法，主要由主程序、键盘扫描、液晶驱动、SPI总线读写、IIC总线读写、短消息发送、数据采集及处理等模块组成。采用C语言编写，编译环境为Keilμvision3，使用部分环境库函数。系统程序流程如图5所示。

    1)启动与配置
    主机上电后会有10秒的等待设置时间，用户此时可按SET键设置或Q键退出设置。按SET键后，会出现用户列表(User0-User3)，最多支持4用户发送，此时可使用数字键选择相应用户设置号码。若10秒无按键按下，主机自动进入初始化。先检查用户状态，若所有用户号码为空，则提示用户配置，重复以上过程。用户设置完毕后，单片机启动TC35并配置无线通讯模块，开始接入GSM网络，用户可通过液晶显示或状态指示灯了解是否接入网络。此后，主机给从机发送握手信号，检测从机是已经正常工作，若一切正常，主机进人工作状态；若从机未开启或不在主机无线信号范围内，则提示用户检查从机后再开始。
    从机上电后将无线通讯模块配置为接收状态，待收到主机握手信号后启动检测程序，其中对于人体的检测程序两分钟(可设定)后启动，以免对用户自身误报。
    2)工作状态
    主机进入工作状态后，将TC35置于低功耗模式，无线通讯模块配置为接收状态。从机不断地采样检测，采样频率50 Hz，以定时器中断方式进行。对红外传感器的检测仅需对其高低电平进行检测；对A／D采样数据以每采样10次取平均值的方法进行运算后，与阈值比较，单片机内部设置三个阈值，分别对应燃气或烟雾浓度的低、中、高水平。当判断有火灾、燃气泄漏或人员进入时，从机即刻将相应报警代码经无线通讯模块发送给主机(程序都设置为仅一次触发)，主机此后唤醒TC35读取EEPROM中号码将报警短信发送给用户。

4 结论
    实际应用时可根据需要放置主机和从机的位置。实验调试时，将主机和从机分别置于两间相邻的室内，分别开启并设置报警号码，进入工作状态后，当人进入房间时，用户手机可在短时间内收到短信；采用向从机附近释放少许烟雾及可燃气体(为安全起见，此处以打火机丁烷实验)，也可以及时收到报警短信。系统实物和部分实验结果如图6所示。实验结果表明本套方案具有报警及时准确、操作简单、方便实用等特点。

    随着人们生活水平和质量的不断提高，家庭智能安防将越来越受刭人们的关注。本方案的主要创新点是能将家庭无人时的突发事件信息第一时间以短信的形式告知主人，起到了实时防灾防盗的作用，有着广阔的应用前景。