基于GSM短信模块的家庭防护报警系统的设计

卢启领　王欢

关键词：单片机；GSM模块；传感器

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）03-0100-03

1 绪论

现阶段电子技术的发展日新月异，各行各业在电子技术的加持下都变得更加智能、先进。室内安全一直是人们长期关注的问题。室内安全包括用电、用气安全以及防火、防盗等。轻则损失财产，重则可能祸及生命。一直以来，人们对自己以及家人的安全都非常重视。市面上也出现各种安全防護产品，比如，电子锁防盗、火灾报警器防火以及燃气泄漏器检测是否燃气泄漏。目前这些产品只能起到检测、报警的作用，并且还是人在的时候发出一些报警的声音，智能化较低。针对这些利用单纯的智能电子锁，火灾或者烟雾传感器采集数据进行上报的监控系统，虽然可以达到防护作用，但种类繁多，会给监控人带来不好的体验[1]。本论文提出的监控系统将以上数据信息采集全部集成，采集的信息经过单片机处理统一通过GSM 网络发送给用户。目前安防系统在信息传送方面分为电话拨号、集群系统以及以太网方式[2]。但是它们的缺点显而易见，例如电话拨号容易被干扰或者恶意占线；集群系统费电、不耐用；以太网方式容易被切断线路。所以GSM是最好的选择，不受以上几种情况的影响。GSM网络是第二代移动通信技术，就是人们常说的2G网络，最早的非智能手机，基本都是2G网络。虽然技术老旧，但是由于2G基础设施建设最为完整，所以在稳定性方面是毋庸置疑的。对于监控系统来说，并不需要花里胡哨的现场视频，只需要告诉用户是否异常，然后通知相关人员上门检查即可。

2 系统设计

对于一个监控系统，整体设计反映工作流程。好的系统设计决定工作效率以及可靠度。通过分析以上几种监控系统的优缺点，本论文设计了一套基于非常稳定的GSM网络为基础的监控系统。该系统可以解决以上提出的几种隐患，从而让家庭防盗、防火等更有保障。该系统整体是以AT单片机为核心，红外、燃气、烟雾这三种传感器分别承接前端的采集工作。消息处理完后将通过GSM网络推送给用户。系统设计框图如图1。

3 系统硬件设计

3.1 主控芯片介绍

主控芯片就是经常说的CPU，主要作用就是对传感器采集的数据进行收取，然后经过处理，将下发执行命令，包括动作或者显示。现阶段的微控制系统中，单片机借助自身的优点一直是行业首选的处理器[3]。单片机的型号有很多，分别有各自不同的特点，不同的领域，不同的需求，对单片机的选择也有所不同。本设计采用AT89S52作为主控制器，因为其具有接口简单、使用方便并且功能强大的特点。管脚排列如图2。

3.2 GSM 模块

GSM作为传统的2G网络，已经逐渐地被现在的4G、5G所淘汰。但是支持2G网络的基础设施还在，并且覆盖范围非常广泛。对于监控系统上传的报警信息而言，更需要的是稳定并不是多大的带宽。所以选择2G网络进行信息的传送是最佳的选择。GSM模块是用来当作通信的硬件设备，该模块包含基带处理，调制解调以及存储等功能[4]。当用户需要发送短信时，GSM模块会将输入的字符信号转换为数字信号，并且将这些数字信号储存至存储器中。若用户要拨打电话，GSM模块会将数字信号转换为模拟信号，然后通过天线发送到基站上。

3.3 铁电存储器

对于数字信息时代，存储器的出现实现了数据的永久储存，随时都可以调出任何时间的数据。不同的存储器有不同的性能。根据不同的应用选用不同的存储器进行数据的存储。有些存储器可以一直存储数据，即使断电也会及时保存相关信息，有些则受断电影响。针对家庭安防系统，对信息的存储、回看非常重要，同时也要求在断电时信息能够及时储存，因为万一出现各种安全事故，首先是要进行断电的，所以这个时候监控系统就不能被断电所影响。家庭安防对于信息的存储是非常重要的一项工作，常规的存储器由于掉电导致数据丢失，导致后续用户无法查询[5]。本系统所采用的是铁电存储器，即使掉电也不会丢失数据，大大地保证了系统的稳定性。并且相对于普通的存储器而言，该款存储器在写入次数、写入速度以及能耗方面都有近乎完美的表现。所以将该存储器利用到家庭安防系统中是非常合适的[6]。

3.4 实时时钟

对于家庭防护系统来说，实时上报家中情况是重中之重，要想使系统具有该功能，就必须采用实时时钟。本论文选用DS12887实时时钟芯片。该芯片具有集成度高、接口简单等优点，可广泛地应用在各个高精度的实时时钟场合[7]。并且内含锂电池，工作时间长久，数据保存稳定，同时可以很好地记录时间。

3.5 后备电源

电能是任何电子产品的原动力，即使安防监控系统功能再强大，也需要供电。一旦失去供电，再厉害的设备也会瘫痪。所以，为了防止窃贼切断电源，该系统一定要设置一个备用电源。一旦主电源被破坏，备用电源可以无缝衔接。对于备用电源的选择，本次设计采用铅酸蓄电池，因为其具有工作稳定、低维护频率以及放电性能优良等特点，是后备电源的不二之选[8]。但是同样该款蓄电池还存在一个缺点：过充和欠压问题，针对此问题，本论文根据滞回比较器的特性解决了过充和欠压问题，保证了该款蓄电池的正常工作。

3.6 传感器

对于一个监控系统，传感器是非常重要的一部分，要想实现对燃气、火灾以及盗窃的监控，就需要前端传感器的信息采集。对传感器选型的不同，带来的效果也不同。不管哪种传感器，对它们采集出来的信号进行处理都是相同的，因为输出的都是开关量。本论文主要选择红外、烟雾以及气体泄漏传感器进行监测[9]。

3.6.1 红外传感器

作为监测盗贼的主要工具，红外传感器分为主动式和被动式两种。本论文采用主动式传感器，相对于被动式传感器，主动式传感器在安装上具有更灵活的表现，它可以安装在窗户或者门上面，当有东西遮挡时便会触发[10]。同时由于安装在门窗位置，夜间主人的正常活动并不会受到影响，这就给用户带来了极大的便利性，并且降低了误报率。

3.6.2 烟雾传感器

对于烟雾传感器，市面上有各种类型，针对不同的环境，选择也不同。本论文选用离子式烟雾传感器进行信息采集。相比于传统的气敏电阻类的火灾报警器，该传感器最显著的特点是稳定性高。针对此特点，其被廣泛地应用到各种消防报警系统中。

3.6.3 气体泄漏传感器

气体泄漏是很严重的安全事故。对于家庭燃气的监测，传感器的选择是非常重要的。市面上的传感器多种多样。但是大部分都只能采集常规的CO或者SO2，局限性很大。本次设计选用的电化学型传感器不仅可以采集常规气体还能检测血液中的氧体积分数。在使用方面具有监控范围广、可靠性高的特点。

4 系统的软件设计

软件是一个系统的灵魂。决定这个系统工作的先后顺序，更决定这个系统的工作效率。好的算法可以将任务变得简单。通过多次的分析，在程序设计方面，本论文采用模块化的软件编程思想，将每一项功能独立开发，最后进行汇总。通过该方式提高了编程的效率，同时易于维护和升级。主程序流程图如图3。

该系统的软件设计，从功能上来说，主要是传感器采集数据经过模数转换将模拟信号转换为数字信号。该数字信号传至主控芯片，主控芯片对该数字信号与设置的阈值进行比较，如果偏大或者偏小，则主控芯片下达相关指令进行动作并且显示相关数据。

5 系统的仿真测试

Protel 99se 软件是一款性能非常强大的仿真软件，软件内部含有常用的芯片型号以及传感器。仿真时，只需要在该软件库里面找出相应的软件即可，但不是所有的器件都有。本文所设计的监控系统，主控芯片以及部分具体的传感器并不能在器件库里面找到，不过有相类似的型号可以选择。因为无法在具体环境中做实验，所以论文采用Protel 99se软件进行仿真。该仿真选用库中已有的MQ2传感器以及主控AT 芯片，通过仿真能够说明整体的监控系统设计是合理的，并且能够实现相关功能。仿真图如图4所示。

6 总结

家庭安全一直是人们关注的问题。本论文设计的监控系统是从目前家庭安防需求出发，具有应用价值。本论文所设计的系统从防盗，防火以及防燃气泄漏着手，将三种监测功能集成于一身。方便且快捷地对家庭的安全进行防护。该系统在设计的过程中，根据具体的情况设计了相对应的功能。如时间上报、信息存储等。信息传输方面，采用了最为稳定的GSM网络，确保报警信息稳定推送。该系统在设计的过程中兼顾了性能与成本。硬件方面，从主控芯片再到各种传感器，经过多次研究、实验最终选择了最合适的硬件。软件设计方面，尤其是对算法的研究上，经过多次局部测验，最终确定了最优的工作方式。虽然不能进行实景测试，但是依靠强大的仿真软件，全方位地模拟了该系统的工作状态。实验结果表明，该系统具有安全性高、可靠性强等特点并且软硬件的调试已经完成，性能良好。

【通联编辑：梁书】