基于GSM短信模塊的家庭防護報警系統的設計

盧啟領　王歡

關鍵詞：單片機；GSM模塊；傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0100-03

1 緒論

現階段電子技術的發展日新月異，各行各業在電子技術的加持下都變得更加智能、先進。室內安全一直是人們長期關注的問題。室內安全包括用電、用氣安全以及防火、防盜等。輕則損失財產，重則可能禍及生命。一直以來，人們對自己以及家人的安全都非常重視。市面上也出現各種安全防護產品，比如，電子鎖防盜、火災報警器防火以及燃氣泄漏器檢測是否燃氣泄漏。目前這些產品只能起到檢測、報警的作用，并且還是人在的時候發出一些報警的聲音，智能化較低。針對這些利用單純的智能電子鎖，火災或者煙霧傳感器采集數據進行上報的監控系統，雖然可以達到防護作用，但種類繁多，會給監控人帶來不好的體驗[1]。本論文提出的監控系統將以上數據信息采集全部集成，采集的信息經過單片機處理統一通過GSM 網絡發送給用戶。目前安防系統在信息傳送方面分為電話撥號、集群系統以及以太網方式[2]。但是它們的缺點顯而易見，例如電話撥號容易被干擾或者惡意占線；集群系統費電、不耐用；以太網方式容易被切斷線路。所以GSM是最好的選擇，不受以上幾種情況的影響。GSM網絡是第二代移動通信技術，就是人們常說的2G網絡，最早的非智能手機，基本都是2G網絡。雖然技術老舊，但是由于2G基礎設施建設最為完整，所以在穩定性方面是毋庸置疑的。對于監控系統來說，并不需要花里胡哨的現場視頻，只需要告訴用戶是否異常，然后通知相關人員上門檢查即可。

2 系統設計

對于一個監控系統，整體設計反映工作流程。好的系統設計決定工作效率以及可靠度。通過分析以上幾種監控系統的優缺點，本論文設計了一套基于非常穩定的GSM網絡為基礎的監控系統。該系統可以解決以上提出的幾種隱患，從而讓家庭防盜、防火等更有保障。該系統整體是以AT單片機為核心，紅外、燃氣、煙霧這三種傳感器分別承接前端的采集工作。消息處理完后將通過GSM網絡推送給用戶。系統設計框圖如圖1。

3 系統硬件設計

3.1 主控芯片介紹

主控芯片就是經常說的CPU，主要作用就是對傳感器采集的數據進行收取，然后經過處理，將下發執行命令，包括動作或者顯示?，F階段的微控制系統中，單片機借助自身的優點一直是行業首選的處理器[3]。單片機的型號有很多，分別有各自不同的特點，不同的領域，不同的需求，對單片機的選擇也有所不同。本設計采用AT89S52作為主控制器，因為其具有接口簡單、使用方便并且功能強大的特點。管腳排列如圖2。

3.2 GSM 模塊

GSM作為傳統的2G網絡，已經逐漸地被現在的4G、5G所淘汰。但是支持2G網絡的基礎設施還在，并且覆蓋范圍非常廣泛。對于監控系統上傳的報警信息而言，更需要的是穩定并不是多大的帶寬。所以選擇2G網絡進行信息的傳送是最佳的選擇。GSM模塊是用來當作通信的硬件設備，該模塊包含基帶處理，調制解調以及存儲等功能[4]。當用戶需要發送短信時，GSM模塊會將輸入的字符信號轉換為數字信號，并且將這些數字信號儲存至存儲器中。若用戶要撥打電話，GSM模塊會將數字信號轉換為模擬信號，然后通過天線發送到基站上。

3.3 鐵電存儲器

對于數字信息時代，存儲器的出現實現了數據的永久儲存，隨時都可以調出任何時間的數據。不同的存儲器有不同的性能。根據不同的應用選用不同的存儲器進行數據的存儲。有些存儲器可以一直存儲數據，即使斷電也會及時保存相關信息，有些則受斷電影響。針對家庭安防系統，對信息的存儲、回看非常重要，同時也要求在斷電時信息能夠及時儲存，因為萬一出現各種安全事故，首先是要進行斷電的，所以這個時候監控系統就不能被斷電所影響。家庭安防對于信息的存儲是非常重要的一項工作，常規的存儲器由于掉電導致數據丟失，導致后續用戶無法查詢[5]。本系統所采用的是鐵電存儲器，即使掉電也不會丟失數據，大大地保證了系統的穩定性。并且相對于普通的存儲器而言，該款存儲器在寫入次數、寫入速度以及能耗方面都有近乎完美的表現。所以將該存儲器利用到家庭安防系統中是非常合適的[6]。

3.4 實時時鐘

對于家庭防護系統來說，實時上報家中情況是重中之重，要想使系統具有該功能，就必須采用實時時鐘。本論文選用DS12887實時時鐘芯片。該芯片具有集成度高、接口簡單等優點，可廣泛地應用在各個高精度的實時時鐘場合[7]。并且內含鋰電池，工作時間長久，數據保存穩定，同時可以很好地記錄時間。

3.5 后備電源

電能是任何電子產品的原動力，即使安防監控系統功能再強大，也需要供電。一旦失去供電，再厲害的設備也會癱瘓。所以，為了防止竊賊切斷電源，該系統一定要設置一個備用電源。一旦主電源被破壞，備用電源可以無縫銜接。對于備用電源的選擇，本次設計采用鉛酸蓄電池，因為其具有工作穩定、低維護頻率以及放電性能優良等特點，是后備電源的不二之選[8]。但是同樣該款蓄電池還存在一個缺點：過充和欠壓問題，針對此問題，本論文根據滯回比較器的特性解決了過充和欠壓問題，保證了該款蓄電池的正常工作。

3.6 傳感器

對于一個監控系統，傳感器是非常重要的一部分，要想實現對燃氣、火災以及盜竊的監控，就需要前端傳感器的信息采集。對傳感器選型的不同，帶來的效果也不同。不管哪種傳感器，對它們采集出來的信號進行處理都是相同的，因為輸出的都是開關量。本論文主要選擇紅外、煙霧以及氣體泄漏傳感器進行監測[9]。

3.6.1 紅外傳感器

作為監測盜賊的主要工具，紅外傳感器分為主動式和被動式兩種。本論文采用主動式傳感器，相對于被動式傳感器，主動式傳感器在安裝上具有更靈活的表現，它可以安裝在窗戶或者門上面，當有東西遮擋時便會觸發[10]。同時由于安裝在門窗位置，夜間主人的正?；顒硬⒉粫艿接绊?，這就給用戶帶來了極大的便利性，并且降低了誤報率。

3.6.2 煙霧傳感器

對于煙霧傳感器，市面上有各種類型，針對不同的環境，選擇也不同。本論文選用離子式煙霧傳感器進行信息采集。相比于傳統的氣敏電阻類的火災報警器，該傳感器最顯著的特點是穩定性高。針對此特點，其被廣泛地應用到各種消防報警系統中。

3.6.3 氣體泄漏傳感器

氣體泄漏是很嚴重的安全事故。對于家庭燃氣的監測，傳感器的選擇是非常重要的。市面上的傳感器多種多樣。但是大部分都只能采集常規的CO或者SO2，局限性很大。本次設計選用的電化學型傳感器不僅可以采集常規氣體還能檢測血液中的氧體積分數。在使用方面具有監控范圍廣、可靠性高的特點。

4 系統的軟件設計

軟件是一個系統的靈魂。決定這個系統工作的先后順序，更決定這個系統的工作效率。好的算法可以將任務變得簡單。通過多次的分析，在程序設計方面，本論文采用模塊化的軟件編程思想，將每一項功能獨立開發，最后進行匯總。通過該方式提高了編程的效率，同時易于維護和升級。主程序流程圖如圖3。

該系統的軟件設計，從功能上來說，主要是傳感器采集數據經過模數轉換將模擬信號轉換為數字信號。該數字信號傳至主控芯片，主控芯片對該數字信號與設置的閾值進行比較，如果偏大或者偏小，則主控芯片下達相關指令進行動作并且顯示相關數據。

5 系統的仿真測試

Protel 99se 軟件是一款性能非常強大的仿真軟件，軟件內部含有常用的芯片型號以及傳感器。仿真時，只需要在該軟件庫里面找出相應的軟件即可，但不是所有的器件都有。本文所設計的監控系統，主控芯片以及部分具體的傳感器并不能在器件庫里面找到，不過有相類似的型號可以選擇。因為無法在具體環境中做實驗，所以論文采用Protel 99se軟件進行仿真。該仿真選用庫中已有的MQ2傳感器以及主控AT 芯片，通過仿真能夠說明整體的監控系統設計是合理的，并且能夠實現相關功能。仿真圖如圖4所示。

6 總結

家庭安全一直是人們關注的問題。本論文設計的監控系統是從目前家庭安防需求出發，具有應用價值。本論文所設計的系統從防盜，防火以及防燃氣泄漏著手，將三種監測功能集成于一身。方便且快捷地對家庭的安全進行防護。該系統在設計的過程中，根據具體的情況設計了相對應的功能。如時間上報、信息存儲等。信息傳輸方面，采用了最為穩定的GSM網絡，確保報警信息穩定推送。該系統在設計的過程中兼顧了性能與成本。硬件方面，從主控芯片再到各種傳感器，經過多次研究、實驗最終選擇了最合適的硬件。軟件設計方面，尤其是對算法的研究上，經過多次局部測驗，最終確定了最優的工作方式。雖然不能進行實景測試，但是依靠強大的仿真軟件，全方位地模擬了該系統的工作狀態。實驗結果表明，該系統具有安全性高、可靠性強等特點并且軟硬件的調試已經完成，性能良好。

【通聯編輯：梁書】