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1、东华大学 学 位 论 文 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 专业名称: 控制工稈 作者姓名:涂亚平 指导教师: 郑建立 学校代码: 10255 学号: 2141182 基于 GSM的远程防火防盗 报警系统 REMOTE FIREPROOFING AND ANTI-THEFT ALARM SYSTEM BASED ON GSM 学院:信息科学与技术学院 专业:控制工程 姓名:涂亚平 导师:郑建立副教授 2016年 5月 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:我恪守学术道德,崇尚严谨学风。所呈交的学位论 文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已明确注明和引用的内容外
2、,本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写,我对所写的内 容负责,并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年月日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 保密 ,在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名 : 指导教师签名 : 学
3、位论文承诺书 本人郑重声明:本人所提交的学位论文为根据答辩意见修改后的定 稿版本。因提交版本错误造成的后果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年月日 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 摘要 随着电子技术、计算机技术和网络通信技术的迅猛发展,各种家 用电器也得到了广泛应用,在物质生活丰富多彩的同时也带来了巨大 的火灾隐患。另外当前以防盗锁和防盗门为主的防盗方式虽然有一定 的防盗作用,但也增加了火灾发生时居民的逃跑难度,还会使住宅不 美观。虽然防火防盗报警系统随着科学技术的发展已经由人工操作阶 段进入到智能化时代,但目前大多数防火防盗报警系统结构复杂、成 本高,不适用于居民住宅区、办公室等
4、小型防火单位。 GSM无线 网络 因其技术成熟、覆盖面广的特点,利用 GSM网络技术的无线控制系统 被运用于各个领域。基于 GSM网络的远程防火防盗报警系统正是本课 题的研究内容。 本文通过查阅现有报警系统在国内外的发展状况,分析了其优劣 势,在现有产品的基础上做了诸多改进:添加了语音录放模块,这样 用户长期不在家时可以通过短信控制语音录放电路播放声音,模拟室 内有人的效果,使 盗贼打消盗窃念 头;系统使用单 片机内置的 EEPROM, 通过矩阵键盘可存储多个手机号码及系统参数,这样不仅 能够保证报警信息不被漏读,还增加了本系统的通用性;对 DS18B20 的多点测温功能进行改进,使用多个温度
5、传感器对室内厨房、客厅以 及卧室等多点监控,能够迅速取出最高的温度值作为判定值,检测出 火灾状况,这样能使用户即时掌握室内情况并迅速处理,减小用户的 I 财产损失。基于上述改进思路,提出了本系统的总体设计方案,分别 详细介绍了本报警系统的软硬件设计。在系统的硬件设计中,采用 STC89C52单片机为报警系统的主控制器,对报警系统各部分的硬件电 路进行设计,主要包括单片机系统电路设计、 GSM模块电路设计、按 键电路设计 、 DS18B20温度传感器电路设计、 MQ-2烟雾传感器电路 设计等;软件设计中,根据报警系统的功能需求,对各模块的处理流 程进行设计。最终通过系统的调试,包括各个模块独立测
6、试和联调, 基本上实现了报警系统的远程防火防盗的功能。 本文所设计的运行可靠、操作简单的防火防盗报警系统,具备防 偷盗、防火灾等功能。试验表明该智能火灾控制系统结构简单、使用 方便、报警准确,能够使用户及时了解家里的各种安全信息,使家庭 的财产安全得到更大的保证,具有一定的理论意义和实际应用价值。 关键 字:防火防盗系统, GSM, 单片机 REMOTE FIREPROOFING AND ANTI-THEFT ALARM SYSTEM BASED ON GSM ABSTRACT With the rapid development of electronic technology, compu
7、ter technology and network communication technology, all kinds of household appliances has been widely used, which has brought a huge fire hazard although enriched the material life. Modem families now mainly use the installation of safety doors or safety locks to ensure security of their house, whi
8、le this anti-theft mode not only makes it difficult to escape when fire occurs, but also affects the appearance of the house, while fire alarm system has entered from the era of manual operation to the era of intelligent operation, the structures of current fire alarm systems are complex and costly,
9、 which does not apply to residential areas, offices and other small fire units. Wireless control systems based on GSM network are widely used in various fields with the development of GSM wireless network technology. This topic is an application of wireless fire alarm system based on GSM network. In
10、 this paper, according to a review of existing alarm system in the development of domestic and international situation, its strengths and weaknesses are analyzed and many improvements have been made on the basis of existing products: the research adds voice recording circuit to simulate someone at h
11、ome when the owner is not in and let the thieves give up theft. The system uses a built-in single-chip EEPROM, a plurality of receiving numbers can be stored by matrix keyboard, which not only ensure the alarm information do not be missed, but also increase the versatility of the system. Also the mu
12、lti-point temperature measurement function of DS18B20 is improved. A plurality of temperature sensors is used on the indoor kitchen, living room and bedroom, then the highest temperature is taken as the final value so that the fire situation can be detected in time and allows users to instantly gras
13、p the indoor condition and deal with promptly which can reduce property loss. Based on the above improvement ideas the overall design of the system is put forward, and hardware and software design of this alarm system are described in detail. In the hardware design of the system, using STC89C52 micr
14、o-controller alarm system as host controller,the various parts of the alarm system hardware circuit are designed, including GSM system circuit design, buttons circuit design, GSM module circuit design, DS18B20 temperature sensor circuit design and IE MQ-2 smoke sensor circuit design. In the software
15、 design, according to the functional requirements of the alarm system, the process flow of each module is designed. Finally by system debugging include independent testing of each module and joint debugging, the function of a remote fire anti-theft alarm system is basically completed. The fire alarm
16、 system designed in this article works reliably, operate simply, and has the function of anti-fire and anti-theft. The purpose of this paper is to develop a fire alarm control system which not only is accurate and intelligent but also has a simple structure that is easy to use. This system can make
17、keep in touch with all kinds of security information at home, so the family property can be guaranteed, which has theoretical significance and practical value. Yaping Tu (Control Engineering) Supervised by Associate Professor Jian-Li Zheng KEYWORDS: Fireproofing and security system, GSM, Single Chip
18、 Microcomputer IV 目录 m . i ABSTRACT . Ill 第 1 章绪论 . 1 1.1研究目的与意义 . 1 1.2国内外研究现状 . 2 1.3研究内容与本文结构安排 . 4 第 2章 GSM网络体系和 SMS通信原理 . 6 2.1 GSM网络体系 . 6 2.1.1 GSM网络简介 . 6 2.1.2 GSM通信系统的组成 . 7 2丄 3 GSM通信系统的特点 . 9 2.2短消息业务 . 10 2.2.1短消息业务简介 . 10 2.2.2短消息业务的特点 . 11 2.2.3点对点短消息工作原理 . 11 2.3本章小结 . 12 第 3章系统硬件设计
19、. 13 3.1系统器件选型 . 13 3.1.1单片机选型 . 13 3丄 2显示模块选型 . 15 3丄 3烟雾传感器选型 . 16 3丄 4温度传感器选型 . 18 3丄 5热释电红外传感器 . 20 3.1.6 TC35 模块 . 21 3.1.7语音芯片选型 . 24 3.2单片机系统硬件电路设计 . 25 3.2.1单片机最小系统 . 25 3.2.2液晶显示电路 . 26 3.2.3烟雾检测电路 . 27 3.2.4温度采集电路 . 28 3.2.5 GSM模块电路 . 30 3.2.6语音录放电路 . 33 3.2.7按键控制电路 . 35 3.2.8蜂鸣器报警电路 . 36
20、3.3本章小结 . 36 第 4章系统软件设计 . 38 4.1主控程序设计 . 38 4.2显示模块软件设计 . 39 4.3烟雾传感器程序设计 . 40 4.4温度传感器程序设计 . 40 4.5热释电红外传感器程序设计 . 42 4.6 GSM模块软件设计 . 42 4.7语音录放程序设计 . 44 4.8矩阵键盘设计 . 44 4.9串口中断程序设计 . 46 4.10本章小结 . 47 第 5章系统调试及分析 . 48 5.1系统硬件的调试 . 48 5.2系统软件调试 . 49 5.2.1 GSM模块调试 . 50 5.2.2温度传感器调试 . 51 5.2.3烟雾浓度传感器调试
21、. 52 5.2.4液晶及按键电路调试 . 54 5.3关于调试的几点说明 . 56 5.4本章小结 . 57 第 6章总结与展望 . 58 6.1论文总结 . 58 6.2存在的问题及展望 . 58 参考文献 . 60 雜 . 63 研究生期间主要成果 . 64 附录 . 65 2 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 第 1章绪论 1.1研究目的与意义 当前,信息科技发展日新月异,这极大的提升了居民的生活水平,一个显著 的例子就是大多数家庭都开始使用高端家用电器。然而,居民经济条件在逐渐提 高的时候,许多不安全隐患也威胁着居民的日常生活。随着居民物质生活变得多 姿多彩,液化气和煤气进入了千家
22、万户,形形色色的家电也得到了普及,这些社 会发展的产物也带来了巨大的火灾隐患。万一突发大火,随之而来的是对居民产 生严重生命伤害和财物损害。而且由于很多犯罪分子利用大多数居民防盗观念不 强实施违法犯罪活动,这使得居民十分忧虑自身财物安全。之前的住宅环境已经 不能满足居民 的需求,他们转而对住宅和所属小区渐渐提出更多要求。 因此,为了避免火灾带来的损失,就必须对这些情况下的火灾情形进行报警 监测。当前人们亟待解决的一个重要问题是对住户密度大的居民区的火情和盗情 进行即时探测和预防警报,以便防患于未然。基于此需求,自动报警系统在日常 生活中展现的重要性与日倶增。然而,偷盗等人造的破坏活动和家用电器
23、状态不 正常以及燃气泄漏等非人造的灾害等都会给住户财物和人身安全带来威胁。现 在,线缆形式传送线路被大多数分布式报警消防系统所采纳。这是一种工程浩大、 安装调试繁琐、资金投入大的连接方 式。尤其是当今很多大型公共场合 (大商场、 酒店、博物馆、图书馆、办公楼和档案馆等 )对外在美观程度提出很多要求,在 墙体中隐藏线路电缆的设备安装方式工程浩大,会严重增加资金和人力物力投 入。基于此,当前市面上的报警系统只适合用在有限场合,比如大公司的关键部 门机构等。 众所周知,现在社会上的双职工家庭越来越多,这种家庭的表现是工作时间 家中没人,通过装备防盗窗、防盗门的方式来防范盗贼,这种基于机械设备的防 盗
24、方式会在实际用的时候暴露出很多缺陷,其一是防盗时间短,住户长时间不在 家时防盗效果不好;其二就是这种防 盗容易被破解并影响美观;其三是就是火灾 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 发生时不方便用户逃生。基于这些原因,当前已有几十个城市制定相关法律来减 少防盗金属网的使用。在欧美等发达国家,安防系统的使用程度已经达到 80%, 中国的相似安防产品普及率却不到 20%1,这巨大的反差说明我国这方面产品社 会认可度很低,市场也只处于起步阶段。因此我们需要采用新方法和新产品提供 一个更可靠的住宅环境。所以,现在摆在社会大众面前的一个难以回避并亟待解 决的严峻问题就是怎样强化家庭住宅的防盗防火报警系统,
25、使之更具智能化;如 何综合目前居民对住宅安全防范的需求和采用现代科学技术 (特别是信息和计算 机技术 )来预防违法犯罪。 1.2国内外研究现状 虽然我国的安防报警相关产品随着科技发展正变得越来越丰富多彩,但相对 于欧美国家,还存在着极大差距。当前普通住户家里的最重要防盗设施仅仅是防 盗门和防盗窗。现在市场上许多生产厂商大肆宣传自身产品具有防火防盗双重功 能,然而根据行业内专业人士的解释,严格意义上说国家在防火防盗产品并未制 定严格标准。早在 2004和 2006年 ,四川和上海制订了各自针对防火防盗门的地 方标准,但这些标准随着 2008年强制性防盗门标准和防火门标准的实行,几乎 作废了。目前
26、在中国,以一线城市为例,如北京、上海牵头,近期逐渐形成一股 智能化住宅的热潮。当前小区在建设部和公安部的要求下都必须要求有安全防范 系统。当然,家庭层面的安防自身用途就决定了不会像企业和政府等安防项目那 样规模宏大。也正是基于此,通常在乎产品性价比的住户极少在住宅安防系统上 花费大笔资金,这也就解释了为何进口品牌做的很高端,却一直以来都未能打开 国内市场的原因。 值得一提的是,关于 防火防盗报警系统 2含义的界定,当前国内和国外并未 达成统一意见,表现在定义五花八门。在国内科技工作者认为人们是为了实现一 定目的和获得更佳工作效果才实现防盗防火警报系统。一流的安防系统,以位于 大连市华乐一个环海
27、花园的住宅为例,采用不间断的相对独立的电源供电,这样 可以保证在发生断电时候,系统把提示和警报信息发送到中心。中心计算机会详 2 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 细记录下每户住宅的安防系统设防与否的信息,在室内重要位置装置了震动探测 器、红外微波双鉴式探测器及报警主机这三种重要设备 3。主机功能最为引人注 目,它可以进行输入信号接受分析、新密码设置、声光警报和凭借电话线发送信 息至用户手机。为保证系统在电源被破坏或断电时工作正常,系统还配备了备用 充电电池。需要注意的是,这些系统也有美中不足,具体表现在对用户和操作人 员的知识储备 (特别是计算机 )要求较高,价格高昂且存在较高的误报率。
28、M.D.Zisman是美国相关领域的知名教授,他对防火防盗报警系统定义如下: 防火防盗报警系统是一种组合了计算机技术、通讯技术、系统科学形成的一项综 合技术,因此这项综合技术十分重要,特别是在有效处理办公业务等工作方面。 这些年来国外的霍尼韦尔、艾礼富科立信、博世等知名公司已开发研制出能够凭 借无线或者有线形式达到求救和报警功能的安防产品,并已成功应用。 德国西门子公司 推出了 GuartoEasy新型安全防范体系 4,这是和住户自身需 求相结合的防范分散型小型建筑和小区住宅安全的典范之作。该产品具有如下特 点:把音频监听对讲、火情监测、报警防盗、有害毒气监测、视频监控等诸多报 警模式有机整合
29、;采纳总线式结构;区域防范全方位;满足安防系统暴露线最短 原则。由于采用适配器接通了电压触点等多种信息,该产品可以连上震动探测器、 火灾温度探测器、防盗探测器,因此能够应付种种突发情况和事件。同时,由于 线路设计上连接中继器被探测延深线路通过,该产品具有更好的环境适应性 5。 创始 于 1981年的 ITI公司是现今美国规模第一的无线警报系统的公司,具 体表现在其超过一亿美元的年销售额和占北美市面上 90%以上的无线警报需求 份额。我国的相关质检中心已经对其无线火情警报系统颁发了合格资质 6。它还 是一种科技含量很高的无线保安系统,具体表现在这种系统既可以用作火灾警报 系统,又可以用作安保系统
30、。 ITI创始人享有十来个专利,最特别的是他创造了 主动式数字拨号器和全监测式第一代无线警报体系。其实,美国的无线系统在 1983年之前并不可靠,但 ITI在采纳了数码传送鉴别技术等各种一般仅为军方使 用 的技术后,使得无线报警方法突破瓶颈并显著提升抗干扰性。最终, ITI在 1983 年推出第一代可靠性堪比有线的无线警报系统,并在随后的数十年时间在业界遥 遥领先,当前,该公司的第三代和第四代正在推出。 3 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 现在我国市面上占大部分份额的防火防盗报警系统都是外国公司推出的产 品,无论在技术和资金上这些厂商都具备极强的优势,这些优势无疑会对我国的 厂商形成极大碾
31、压从而阻碍它们的发展。因为我们知道,国内无论防火防盗报警 产品还是厂商发展都是极为短暂的,它们在二十一世纪特别是 2004年后才逐渐 起步,然而与以上国外知名厂家相比,它们企业规模和投资规模还是存在明显差 距。在保护民众财物不受损害这个领域,防火防盗报警装置正扮演着越来越重要 的角 色。据统计,我国的防盗防火报警装置使用范围相对而言是很窄的,而对于 使用率高达 80%的发达国家而言,存在着极大落差。因为中国的防火防盗报警行 当刚开始不久,显然比不上国外,必将引起居民对住宅安防系统的认可度低,普 及率自然也不会得到提高。目前在海内外,在拍摄监视、红外光等基础上研究设 计出来的各种防盗报警系统装备
32、发展中具有以下特点:被动化、单一化、复杂化、 多元化、人工化、综合化。而且这些防火防盗报警系统的功能在逐渐提升,可靠 性也在逐渐提高。 1.3研究内容与本文结构安排 本文主要完成的是利用 51单片机研究一种价格低廉、性能稳定、便于安装、 智能化、投资少的报警系统。立足于 GSM网络,该系统可以胜任远距离防火防 盗的任务,系统能够在用户不在家时检测室内的异常状况。系统的运作机理是由 检测装置检测到火情报警、入侵报警等信号,然后发出报警短信告知住宅的主人 有危险发生,利用 GSM网络,用户在接受短信通知时可根据提示信息进行相应 的灭火、故障排除等操作;同时客户也可主动查询室内状态,并且每个系统可捆
33、 绑多个号码。当出现状况时能够报警并且能够通过短信通知用户,使用户能够在 第一时间知 晓室内情况。其次,用户还能通过短信控制语音录放电路,播放事先 录好的声音,营造出住宅内有人的情景。具体工作安排如下: 第一章:论述了本课题的背景、研究目的、研究意义和研究现状,了解了目 前国内外防火防盗报警系统的发展并对其优缺点进行比较,最终确定本课题的解 决方案,设计一种易安装低价可靠智能化且投入少的报警系统。 4 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 第二章:主要介绍 GSM网络体系知识和短信息业务的概况。包括 GSM网 络的体系结构、短信息的特点及工作原理。确定以 GSM作为系统的通信平台。 第三章:主要
34、是系统的硬件设计部分。根据第一章的需求对系统所需元器件 选型,并以单片机为核心的控制模块及外围电路进行原理图设计。 第四章:根据各模块的硬件电路设计,设计各个模块的运行流程框 图,编写 各独立模块的相应代码。 第五章:完成系统的软硬件设计后,对系统进行调试。对各个模块及整个系 统调试发现问题并解决。 第六章:总结本课题所做工作,分析系统的优点与存在的问题,对今后的工 作提出了进一步的建议和设想。 5 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 第 2章 GSM网络体系和 SMS通信原理 2.1 GSM网络体系 2.1.1 GSM网络简介 广为人知的 GSM(Global System for Mobi
35、le Communication), 在移动电话中 使用普及率最高。作为蜂窝系统基础上成长起来的系统, GSM立足于分时多址 技术,且在同类系统中较为完备且使用最为普及 7。由于 GSM标准的广泛应用, 国际漫游在移动电话运营商之间签署 “ 漫游协定 ” 后,国际电话变得稀松平常。 GSM的音频和信令通道皆为数字式的,这也是它和以前标准最大的差别之一 8。 在历经数十年后移动通信网已覆盖全国,全球的通信客户也快速增长到第 二,并且持续多年年均增长数以千万。从以前的简 单语音通话业务以来,移动通 信业务逐渐成长成多元化交易结构,包含数据、短消息、预支和 VPN等业务。 GSM技术在历经长期的成长
36、后渐渐完善,现已成为主流移动系统的代表并兼具 普及而完备的使用根基。并且作为服务之一的短信息服务利用信道信令发送,无 需通过拨号产生关联,业务花销很低。 GSM蜂窝网络综合了网络技术、移动通信技术、计算机处理技术、数字信 号处理技术、信号有效可靠的传输 (发送与接收 )技术等方面的研究成果,现在很 流行。由于现在其技术较为成熟 (例如通话质量、保密性方面都较好,另外还提 供数据和语音传输服务,特别传输的距离不受限制 ),因此现在许多远程控制系 统都通过 GSM网络进行通信。 GSM的核心优点从使用者观点出发来看,重点在 使用者可以从低花费的短信和更好的通话性能中做出抉择。开放的 GSM标准实
37、现了更便捷的互操作特征,可以根据不同客户定制设备配置成为网络运营商的优 势。虽然 GSM通信在规定的一段频率范围内,但中转和交换设备的存在,使它 的传输脱离了空间局限。 全球超过 200个国家和地区超过 10亿人正在使用 GSM电话,有良好和广 6 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 阔的覆盖,并且 GSM技术成熟。另外相比于 3G/4G手机, GSM对手机性能要 求低,还具有在某些方面性能优异的特点:它除了提供标准化的列表和信令系统 外,还开放了一些比较智能的业务如国际漫游等。并且本文所述的小型防火防盗 系统的特点之一是成本低。因为所传输的信息量不多,为了降低成本,需要更为 廉价的通信模块,
38、 GSM网络虽然容量有限,但远远可以满足本文的火灾盗窃报 警信息的传输,相比 3G、 4G通信模块有低廉的价格,因此是更适用于本文防火 防盗系统。 2丄 2 GSM通信系统的组成 GSM通信系统从结构上看主要包括:网络交换子系统 (NSS)、 基站子系统 (BSS)、操作维护子系统 (OSS)和移动站 (MS)9,如图 2-1所示: 图 2-1 GSM网络的体系结构 (1) NSS(Network switch System,网络交换子系统) 网络交换子系统的主要功能是实现在基站网络上的移动电话漫游实现电话 交换和移动性管理。它允许移动设备与其他电话在更为广泛的公共交换电话网中 通信。网络互换
39、子系统分为如下 4个功能模块 :MSC(移动服务交换中心 )、 VLR(访 问位置寄存器 )、 HLR(归属位置寄存器 )、 AUC(鉴权中心 )。 MSC(Mobile-Services Switching Center, 移动服务交换中心 ): 完成通信 系统的电话交换任务。主要管控传呼建立、路由选择、操控和传呼终止,另外还 包含管控互换区里转换和增补业务并收集费用统计和账单情况,调和与稳定公有 7 基于 GSM的远程防火防盗报警系统 互换电话网相关的服务,达成公有信令和网络接口。 MSC可以供应与其它非通 话服务相互能正确互联所必要的服务,如公共分组互换服务。 VLR(Visitor Location Register,访问位置寄存器 ): 它是一个动态数据库, 存储所管辖区域中 MS(统称拜访客户)的来话、去话呼叫所需检索的信息以及 用户签约业务和附加业务的信息,例如客户的号码,所处位置区域的识别,向客 户提供的服务等参数。 HLR(Home Location Register,归属位置寄存器 ): 是管控机构用来管控 GSM使用者的数据库。任何移动使用者都需在其所属的位置寄存器进行登记。 HLR主要存储两
限制150内