家庭遠程監控報警系統的設計與實現

馬良川，張道信，朱 軍，丁海松

(安徽大學 電子科學與技術學院，安徽 合肥 230039)

隨著人們生活水平的提高和網絡的普及，尤其是近幾年全球移動通信系統GSM[1]短信技術的發展和居住環境的改善，促使人們對家庭安全防范的意識得到空前的強化。在此領域中，針對傳統家庭報警系統具有布線復雜、范圍受局限等諸多缺點，使用無線通信設備并將其安裝于室內，不但不會破壞房間原有布局，而且具有安裝過程便捷、投入少、組網快速等優點。本文所設計的系統是基于CC1110[2]的無線傳輸，利用GSM網絡對控制信息和報警信息進行發送和接收，用戶只要使用手機就可以實現遠程監控。系統主要由多個終端板和一個控制板組成。終端板可以安裝在門、窗、電氣設備上，通過終端板上的傳感器和執行機構對監控設備進行監控。當監控設備發生異常情況時，就會以短信的形式將特定的狀態信息和報警信息發送給用戶，實現對家庭的遠程控制。

1 系統設計

系統由終端板(數據采集端)、控制板(數據接收端)、GSM模塊組成，如圖1所示。終端板將采集到的數據進行初步處理后發送給控制板，控制板將接收到的數據經過分析處理后發到用戶手機上，用戶可以通過手機實時了解家庭情況?？刂瓢褰邮詹⒎治鲇脩舻闹噶?，把指令解析后發給指定的終端板，指定的終端板根據接收到的控制信息去控制執行機構，實現遠程控制。

2 系統的硬件結構

圖1 系統組成

終端板和控制板都采用CC1110芯片。終端板在無線通信模塊的基礎上增加了各種傳感器或執行機構。而控制板則在無線通信模塊的基礎上添加GSM模塊控制電路。

2.1 CC1110芯片的功能特點

CC1110芯片是美國TI公司的一款1 GHz以下頻帶的低功耗射頻(RF)片上系統解決方案。芯片內嵌多達32 KB的在系統可編程Flash存儲器、4 KB的SRAM存儲器、8通道8～14 bit A／D轉換器、1個16 bit定時器和 3個 8 bit定時器、2個 UART／SPI、21 個通用 I／O。基于 CC1110的高性能無線收發器工作于433 MHz頻段，頻率穩定性好、靈敏度高、無線數據傳輸最大速度可達500 Kb／s，同時采用低供電電壓(2.3 V～3.6 V)，從而降低了整個系統的使用功耗。

2.2 無線通信模塊硬件設計

CC1110芯片只要極少數外圍元件就能夠搭建穩定可靠且功耗低的片上系統，大大簡化了RF電路的設計過程。設計的傳感器節點工作在433 MHz頻段。圖2是CC1110的外圍電路設計，主要由CC1110芯片、射頻匹配電路和其他外圍元件組成。

2.3 GSM模塊連接電路

圖2 無線收發模塊

本系統GSM模塊設計選用西門子公司的TC35i[3]。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數據、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發及設計。TC35i在休眠狀態時的電流消耗為3.5 mA，空閑狀態時為25 mA。TC35i有40個引腳，通過一個ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出。這40個引腳可以劃分為五類：電源、數據輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。TC35i的數據輸入/輸出接口是一個串行異步收發器，固定的參數有：8 bit數據位和 1 bit停止位，無校驗位，波特率在 300 b/s～115 200 b/s之間可選。GSM與控制板的連接電路圖如圖3所示。

圖3 GSM與控制板的連接電路圖

3 系統的軟件設計

系統軟件由終端板程序和控制板程序組成。終端板程序通過傳感器對家用電器、門、窗等的當前狀態進行實時采集，根據命令把監控設備狀態數據發送給控制板或控制執行機構對監控設備進行準確的控制?？刂瓢宄绦蜇撠煂K端板發送的數據進行讀取、分析，并利用GSM網絡將結果實時地發送給用戶，讓用戶及時了解家居狀況；同時控制板接收用戶的控制命令，并將控制命令解析后及時地發送給指定的終端板，終端板通過執行機構對監控設備進行準確的控制。

3.1 終端板的軟件設計

終端板的程序流程圖如圖4示。首先CC1110進行I/O、無線模塊等系統的初始化。為了減少終端板的損耗，終端板每隔100 ms進行一次數據采樣，并在控制板查詢的時候把信息發送給控制板。

終端板采集事務時序如圖5所示。終端板每隔100ms進行一次數據采集，為了減少功耗，數據采集完成后，傳感器關閉。當需要采集數據時，傳感器再次打開。如圖 5所示，第一個100ms傳感器工作5ms后關閉，第二個100ms時，傳感器再次打開，工作5 ms后關閉。

圖4 終端板的程序流程圖

圖5 終端板采集事務時序

終端板發送的數據包格式如表1所示。

表1 終端板數據包

導言表示數據包開始，終端板的標識符包含終端板的識別碼，用于控制板區分哪個終端板發送的數據。終端板接收正確的數據包后，解析數據包，如果是查詢命令，終端板將設備的狀態信息發送給控制板；如果是控制命令，終端板控制執行機構，對設備進行控制，并將控制結果反饋給終端板。控制板把終端板返回的結果發送給用戶。

3.2 控制板的軟件設計

控制板的主程序流程圖如圖6所示，串口中斷程序流程如圖7所示。首先CC1110進行I/O、無線模塊、串口、GSM模塊的初始化。終端板每隔200 ms查詢一次終端板的數據，當監控設備異?；蛴脩舨樵儽O控設備當前狀態時，控制板將終端板的狀態信息或報警信息通過GSM網絡發送給用戶。當用戶需要控制監控設備時，將控制信息以短信形式通過GSM網絡發送給控制板，控制板分析處理命令信息后將控制指令發送給指定的終端，指定的終端通過控制執行機構實現對設備的控制。

圖6 控制板主程序流程圖

圖7 控制板串口中斷程序流程圖

控制板發送的數據包格式如表2所示。

表2 控制板發送數據格式

導言表示數據包的開始。時間信息用于終端板和控制板的時間同步。命令包含控制板對終端板發送的指令，其中還包括終端板的識別碼。結束標志表示一個數據包的結束。每個終端板的識別碼不相同，當終端板接收到數據包后，首先進行時間同步，然后解析數據包中的數據，判斷命令中的識別碼是否與自身的識別碼相同，如果相同則進行命令響應；不相同則在時間同步后放棄此數據包。

3.3 GSM模塊啟動和數據處理

GSM模塊的啟動：在GSM模塊上電后，必須給IGT一個大于100 ms低電平，模塊才啟動。本系統在不降低系統可靠性的前提下，使用軟件方法啟動，通過CC1110內部定時器給出大于100 ms的低電平，以降低硬件成本。GSM正常啟動后通過AT[4]命令進行操作。常用的AT命令如表3所示。

表3 短信發送常用指令

為了節省GSM的控制和短信發送的時間，ATE0命令表示在系統初始化后關閉回顯。AT+CMGF用來選擇發送短信的格式，當AT+CMGF=0時，用來發送中文短信，AT+CMGF=1時，用來發送英文短信。本文主要介紹發送中文短信如：

其中，AT+CMGS用來發送短信，AT+CMGS=23表示要發送23位十六進制數，發送的短信是用ASCII表示的十六進制，不包括初始的 2個0。等待 GSM模塊返回“＞”后，將短信輸出給GSM模塊，GSM將短信發出。短信發送格式如表4所示。

經過試驗驗證，本系統可以很好地實現家庭設施的控制和報警。終端板可以與各種傳感器和動作機構連接，具有很好的通用性。當要添加新設備時，只要加一個終端板就可以，整個系統有非常好的可擴展性。而且本系統不局限于家庭應用，針對移動設備，在控制板上外接一個GPS模塊，可將衛星定位信息實時地發給用戶，可以實現移動設備的控制和報警。此外，由于有覆蓋廣、性能穩定的GSM網絡的支持，可以確?？刂菩畔⒌目焖傩院蜏蚀_性。

表4 短信發送格式

[1]GSM 03.40.Technical realization of the short message service point-to-point[S].European Telecommunications Standards Institute(www.etsi.org).1994.

[2]Texas Instruments Incorporated.CC1110 datasheer[EB/OL].http：//focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc1110f32.html，2010-01-16.

[3]Siemens Corporation.TC35i hardware interface description[EB/OL].http：//www.siemens.com，2003-11-12.

[4]SiemensCorporation.TC35iATcommandset[EB/OL].http：//www.siemens.com，2005-09-09.

[5]GSM03.38.Alphabetsanslanguage-specificinformation[S].European Telecommunications Standards Instiute(www.etsi.org).1999.