基于GSM的远程家庭智能报警系统设计毕业论文

基于GSM的远程家庭智能报警系统设计毕业论文
目录
1 引言 (1)
1.1 国外现状 (1)
1.2 设计目的与意义 (1)
1.3 系统结构流程图 (2)
2 硬件设计 (3)
2.1 传感器的选型 (3)
2.1.1 MMA7455I加速度传感器 (3)
2.1.2 DHT11温度传感器 (7)
2.2 PT2262/2272无线收发模块 (11)
2.3 AT89S52单片机模块 (13)
2.3.1 AT89S52单片机概述 (13)
2.3.2 AT89S52单片机的典型功能 (18)
2.4 GSM模块 (20)
3 软件设计 (22)
3.1系统软件设计的总体思路 (22)
3.1.1主函数软件设计流程图 (22)
3.1.2 基于C语言的程序调试 (23)
3.2 系统各功能模块的软件设计 (29)
3.2.1 温度传感器DHT11的软件设计 (29)
3.2.2 加速度传感器MMA7455的软件设计 (29)
3.2.3 IIC通讯协议 (30)
3.2.4 液晶显示的软件设计 (31)
3.2.5 GSM模块中的AT指令 (32)
4 系统调试 (35)
4.1液晶显示 (35)
4.2 GSM的调试 (35)
4.3加速度传感器的调试 (37)
4.4 DHT11温湿度传感器 (38)
5 总结与展望 (40)
5.1总结 (40)
5.2展望 (40)
参考文献 (42)
致谢 (43)
附录一原理图 (44)
附录二程序 (45)
1 引言
1.1 国外现状
在目前国现代化居住格局日益封闭的情况下，财产安全问题显得尤为重要。

当前安全防及报警系统是确保住宅、财产安全的重要的途径之一，同时也是数字化家庭的重要组成部分。

当遇到盗窃、失火、煤气泄漏等紧急情况时，及时通过通信系统完成报警以及提示就显得尤为必要。

目前的、家居报警系统领域多用到开关振动、超声波、红外探测、门磁开关等类型的传感器，其在应用过程中暴露出诸多的缺点：首先，传感器价格昂贵，体积庞大，难以集成。

比如超声波传感器，体积大，市场价在8 元左右，操作复杂，易受干扰；其次，误报现象比较严重，困扰人们的生活，比如我们家里面电车或者汽车上常用的震动型传感器，在人不小心碰到时就会发出刺耳的警笛声，虽然起到了一定的报警作用，但是给人的生活带来很大困扰，并且当人距离报警声音传播围之外时，亦无法知道车辆的安全状况。

另外，市场上并没有一种专业的报警系统，能让人随时随地的知道家庭公司等安全状况，并能够显示警情位置，警情级别等。

同时大多数的报警系统采用红外传感器和门磁开关配合使用，而门磁开关主要由开关和磁铁两部分组成，开关部分由磁簧开关经引线连接。

定型封装而成；磁铁部分由对应的磁场强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体。

当两者分开或接近至一定距离后，引起开关的开断从而感应物体。

因而门磁开关只适合非铁质的门或窗，但现代家居设计中,大部分使用的都是铁质合金，门磁开关的应用围大大地受限。

1.2 设计目的与意义
基于单片机的智能家居防盗系统着重于对家中涉及安全的因素进行监控和报警,用到的传感器有加速度传感器、温度传感器、烟雾传感器；控制期间使用AT89S51单片机；并且采用无线网络GSM节点，采用直接发送短信或拨打的方式直接向户主报警。

使得报警更加快捷方便，同时不用布线，避免了维修的复杂性。

同时本设计介绍了一种由嵌入式报警主机、无线发射装置，手机终端，无线传感器网络节点构成的智能报警系统。

首先本系统采用新型的加速度传感器，能够将门窗的震动和移动两种状态区别开来，当门窗产生震动而没有发生位移时,通过程序计算没有达到位移门限就判断为没有异常情况发生。

当门窗发生移动时，说明家中可能已经被盗处以较危险的情况，此时告知户主，拉响警笛，这样就解决了传统报警系统给人们生活带来的干扰。

同时我们将温度传感器布防在厨房、客厅的等地方，通过无线通信技术形成一个传感器网络，与家庭嵌入式主机系统通信。

当某个传感器被触发时，就会向主机发送信号，主机通过接收到的信号判断警情地址，警情级别做出相应的判断后，通过GSM模块儿发送相应的信息，信息被手机捕获经软件分析后，发出语音告知机主。

1.3 系统结构流程图
本设计主要由三大部分组成，分别为：感知网络、控制主机、客户终端。

该框图详细的说明了该设计的工作流程，我们的产品分为两部分，有家庭传感器节点组成的感知网络，传感器信号经MCU分析后由2262配置一个唯一的地址，将信号发给家庭主机，经分析后经GSM模块向手机发射出相应的语音报警信息，告知机主。

2262
2262
图1-1 系统结构流程图
2 硬件设计
本系统的硬件主要是由传感器网路、PT2262/2267无线收发模块、MCU控制器、GSM 模块组成。

下图是总体硬件结构：
图2-1 系统硬件结构
传感器部分主要是采集家中安全信息，如温度、门窗的移动情况，而本设计最有特色的部分也在于传感器的选择，采用新型的加速度传感器，使防盗模块更完善；AT2262/2272是用于无线连接传感器与单片机的部分，此部分避免了防盗系统大量的布线工作；单片机主要是对采集信息的处理、判断并做出相应的处理过程，是整个系统的大脑；GSM模块主要是用于联系用户，现代在手机十分普及的背景下，采用GSM模块进行短息或语音通话直接通知户主家庭安全情况，会非常快捷，使得家中安全情况得到及时处理。

下面对各部分硬件进行详细说明。

2.1 传感器的选型
2.1.1 MMA7455I加速度传感器
2.1.1.1MMA7455工作原理及引脚功能
本设计使用的是飞思卡尔公司的MMA7455I，飞思卡尔公司有稳定的人员队伍。

该公司在全球30个国家拥有24000 多名研发和设计人员，人员结构知识化，年轻化，有稳定的教师和辅助人员队伍。

其中，天津飞思卡尔公司拥有 40 多名研发和设计人员，90%以上拥有研究生学历。

该公司在全球30个国家拥有多家公司。

飞思卡尔全球有9个全资生产工厂，一个合营生产设施，还有与第三方生产商建立的诸多合作关系等。

飞思卡尔根据轻资产
(asset-light)战略，有选择地将部生产能力集中在处于领先地位的细分化或专业加工工艺上，由第三方工厂提供标准工艺技术，作为部资源的补充。

1992 年，飞思卡尔公司开始在天津开展业务，包括在天津的封装和测试运行部门，、和天津3个研发中心，、和3个销售办事处。

天津工厂成立于 1992 年，是飞思卡尔拥有的两个大型芯片测试和封装工厂之一。

该工厂占地 400,000 平方英尺，从 2001 年开始投入生产。

工厂每周生产超过 900 万个微控制器、混合信号和射频设备。

该公司可提供生产实习、毕业设计的实习设备和场地。

飞思卡尔公司有坚实的科研和技术生产活动。

该公司的客户包括摩托罗拉的个人通讯事业部，以及一些其它消费和汽车电子厂商。

2006年，飞思卡尔在下列领域居于市场领先地位：汽车（全球汽车半导体产品市场份额位居第一）、网络（全球网络通信处理器市场份额第一；全球用于蜂窝基站的射频功率产品市场份额位居第一）、工业控制器、消费电子产品（微控制器和嵌入式处理器市场份额位居第二）和无线产品（无线通信应用专用标准产品市场份额位居第四；蜂窝手机数字基带半导体产品全球市场份额位居第四）。

公司为客户提供广泛多样的辅助设备，连接各种产品、网络和真实世界的信号(如声音、振动和压力等)。

产品包括传感器、射频半导体、功率管理及其它模拟和混和信号集成电路。

飞思卡尔全球现有1万个终端客户，其中包括由公司自己的销售队伍服务的100多家知名的原始设备生产商，以及通过数千个代理商网络服务的其他终端客户。

2004年，摩托罗拉半导体部成为飞思卡尔半导体。

例如，开发出了许多关键产品类别，包括通信处理器、微控制器、固态加速度传感器、蜂窝式半导体和模块等。

摩托罗拉半导体部一直引领加工工艺技术的发展，从率先使用200毫米硅片、铜连线技术、绝缘体上的硅芯片(SOI)到硅锗碳，为客户带来了性能更高、性能更低的产品。

因此选用飞思卡尔公司的传感器是十分可靠的选择。

MMA7455是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0g，以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。

0g 偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。

客户可使用指定的0g 寄存器和g-Select 量程选择对0g 偏置进行校准，量程可通过命令选择 3 个加速度围（2g/4g/8g）。

MMA745xL 系列具备待机模式，使它成为以电池为电源的手持式电子器件的理想选择。

MMA7455 数字三轴加速度传感器模块核心为飞思卡尔公司的MMA7455L数字三轴加速度传感器，该模块设计使用官方推荐设计，板卡线路经过高电磁兼容设计和优化，具有输出精确，体积小，工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点。

MMA7455L 芯片安装在带DIP 插脚的印刷电路板（PCB）上，
它允许客户将其集成到特定的设计应用对产品进行评估。

这样客户就能够在他们自己硬件和软件环境灵活地评估器件。

MMA7455I是三轴小量程加速传感器是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。

后面的图片示出了它们的关系。

各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下（0g），其输出为1.65V。

如果沿着某一个方向活动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压。

用单片机的IIC/SPI接口方式读取数值，就可以检测其运动和方向。

图2-2 MMA7455实物图
各引脚功能：
Pin:输入电压,同时可以接到单片机AD参考电压端；
Pin2:(可选)5V电源；
Pin3、GND:电源地；
Pin456、NC:悬空管脚；
Pin7、CS:SPI片选管脚，低电平有效；
Pin8、INT1：中断1/数据准备就绪；
Pin9、INT2：中断2；
Pin10、MISO：SPI管脚MISO；
Pin11、MOSI：SPI管脚MOSI；
Pin12、CLK ：SPI 管脚CLK ；
图2-3 MMA7455的外围电路
2.1.1.2用加速度传感器测量位移的原理与误差分析
MMA7455I 是一种差容式伺服加速度传感器，它采用先进的集成电路表面加工技术，将敏感元件和信号调理电路集成在单片集成电路上，组成一个完整的加速度测量系统.安装时使加速度传感器的敏感方向与门窗运动的方向平行，由于重力加速度g 的作用，当加速度传感器不运动时，其输出为1g ，即传感器的零点偏置不是0，此时加速度输出值现对于参考点的位置有正有负。

设a(t),v(t),d(t)和T 分别是门或窗运动的加速度、速度、位移和采样的总周期，g(t)为重力加速度。

当门或窗运动时，水平方向的加速度传感器的输出为：
A(t)=a(t) (2-1)
此时g(t)的变化是很小的,可看做是常数。

作零点校正一般采用测量前先存储零点值，计算时将测量值减去零点值的方法。

这里根据门窗运动的特点，提出一种简单方便的方法，用这种方法可以实现加速度传感器的动态零点校正。

由于加速度传感器的输出采用了零点校正，因而只需考虑门窗运动的加速度积分得门窗运动的速度。

⎰+=t
d a v t v 0
)()0()(ττ (2-2)
若将看成下始点的初始速度，则于是同样，位移可以通过对速度积分得到
⎰+=t d v d t d 0)()0()(ττ (2-3)
那么门窗的相对位移用加速度传感器测量位移的算法可简要表述为：
将一个周期的加速度的测量值减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的加速度积分得到速度,将所求速度减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的速度积分即得到相对位移。

2.1.2 DHT11温度传感器
本设计使用的是温湿度传感器DHT11，DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，线性温度传感器是线性化输出负温度系数（简称NTC ）热敏元件，它实际上是一种线性温度-电压转换元件，就是说通以工作电流（100ua ）条件下，元件电压值随温度呈线性变化，实现了非电量到电量线性转换。

并与一个高性能8 位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

图2-4 DHT11实物图
每个DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP 存中，传感器部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

产品为 4 针单排引脚封装。

连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

综上所述，DHT11可以测量相对湿度和温度，可以全部校准，并且直接转换成数字信号输出，此模块具有卓越的长期稳定性，无需额外添加部件，可以实现超长的信号传输距离，超低能耗，是四脚安装的，可以完全实现互换。

DHT11的应用围有暖通空调设备、汽车领域、消费品、气象站、湿度调节器、测试及检测设备、数据记录器、自动控制、家电领域、医疗器械等等。

在本设计中，DHT11主要是用来监测室温度状况，当家中有火灾发生时，居室中温度升高，当温度超过一定的温度阀值时，温度信号被传感器采集到发送给单片机，单片机经过处理、判断，执行报警，有效地避免灾情进一步发生。

表2-1 DHT11的性能说明
参数条件Min Typ Max 单位分辨率 1 1 1 ℃
8 8 8 Bit
重复性±1 ℃
精度±1 ±2 ℃量程围0 50 ℃
响应时间1/e(63％) 6 50 S
使用DHT11时需要注意避免结露情况下使用。

长期保存条件是在10-40℃，同时湿度需在60％。

超出建议的工作围可能导致高达3%RH的临时性漂移信号。

返回正常工作条后，传感器会缓慢地向校准状态恢复，要加速恢复进程。

在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。

表2-2 DHT11各管脚功能
Pin 名称注释
1 VDD 供电 3—5.5VDC
2 DATA 串行数据，单总线
3 NC 空脚，悬空
4 GND 接地，电源负极
气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。

因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。

如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将DHT11远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。

为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。

长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中会使性能降低。

DATA信号线材
质量会影响通讯距离和通讯质量,推荐使用高质量屏蔽线。

手动焊接，在最高260℃的温度条件下接触时间须少于10秒。

VDD VDD
图2-5 DHT11应用电路
此电路即为本设计中DHT11的应用电路。

当传输距离小于20米时使用5K 的上拉电阻，当传输距离大于20米时上拉电阻做相应的改变。

DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms 左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。

操作流程如下：
一次完整的数据传输为40bit ，高位先出。

数据格式：8bit 湿度整数数据+8bit 湿
度小数数据+8bi 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bi 温度整数数据+8bit 温度小数数据”所得结果的末8位。

1. 其通讯过程如下如所示：
图2-6 通讯过程
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。

DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束，然后发送80us 低电平响应信号。

主机发送开始信号结束后，延时等待
20-40us后, 读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。

用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。

从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。

采集数据后转换到低速模式。

图2-7 开始传送数据
总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us,准备发送数据，每一位数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定数据位是0还是1。

格式见下面图示，如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。

当最后一位数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高，进入空闲状态。

图2-8 数字0信号表示方法
图2-9 数字1信号表示方法
测量分辨率分别为 8bit（温度）、8bit（湿度）。

上面各图说明了DHT11在工作时的时序图，也有助于之后编程时调用延时的时间。

2.2 PT2262/2272无线收发模块
由于本设计成本和本人的能力有限，在本设计的实际硬件中没有用到此模块，但这一模块在原始设计的理念中是不可或缺的一部分，因为这一部分可以有效避免不必要的布线问题,同时也便于传输出现故障时进行有效快捷的维修。

因此，在此论文中对这一模块进行详细地说明是十分必要的，同时也可提高我的知识面。

PT2262/2272是普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空，接高电平，接低电平)，任意组合可提供531441地址码，PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。

编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。

当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz 的高频发射电路不工作。

当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。

图2-10 PT2262 无线发射模块
2262无线发射模块电路图，该电路由A0……A5可以配置该芯片地址，当2272的设置的地址与其相标配时，才能接收到信号。

控制D0……D7的高低电平配置可以发相应的数据，比如我们可以经D0口经过模拟电路与单片机相连，此时若P1^0口为高电平此时2262工作，并将D0高电平的信号发射出，经2272解码后将信息翻译处理来。

发射电路有DOUT口经驱动电路经红外发射头发出。

图2-11 PT2272无线接收模块
U12为一体化红外接收头，接收到信号后，经2272解码，将信息经D0……D3口输出，我们通过电路设置使不同的传感器电路，触发2262不同的数据I/O口，这样单片机通过采集2272的数据接口就可以知道报警传感器的位置，从而坐车相应的处理。

图2-12 PT2272 无线接收模块
设置地址码的原则是：同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。

PT2262/2272芯片的地址码的设定：在通常使用中，一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，例如将发射机的PT2262的第2脚接地第3脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要第2脚接地第3脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。

当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1～D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。

用户可将这些信号加一级三极管放大，便可驱动继电器等负载进行遥控操纵。

2.3 AT89S52单片机模块
2.3.1 AT89S52单片机概述
单片机是把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器、随机存储器、只读存储器、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口电路等集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。

通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。

而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控
制能力与控制的可靠性。

比较普通计算机和嵌入式计算机的差异，说明这是由于它们应用场合和应用环境的不同而造成的，而单片机则属于低端嵌入式计算机。

单片机的硬件简单，字长一般为8位，也有16位的，存储空间最小。

集成的片外设比较丰富。

由于硬件的局限性，导致软件上就不能太大，采集速度低。

难以完成复杂的实时运算。

单循环式，一般没有操作系统。

单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化。

它能方便地组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪表。

面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，从而获得最佳性价比。

抗干扰能力强，适应温度围宽，在各种恶劣条件下都能可靠地工作，这是其它机型所无法比拟的。

可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个系统的效率和可靠性大为提高。

单片机的应用场合也非常广泛，小巧灵活、成本低、易于产品化。

它能方便地组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪表。

面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，从而获得最佳性价比。

抗干扰能力强，适应温度围宽，在各种恶劣条件下都能可靠地工作，这是其它机型所无法比拟的。

可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个系统的效率和可靠性大为提高。

机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。

单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。

典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。

家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。

如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。

另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。

如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子还有分式系统的前端模块等等。

ATMEL公司生产的具有Flash ROM的增强型51系列单片机目前在市场上仍然十分流行，其中AT89S系列十分活跃。

AVR单片机是ATMEL在90年代推出的精简指令集RISC 的单片机，跟PIC类似。

使用哈佛结构。

是增强型RISC载Flash的单片机。

AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。

近年来单片机的发展非常快，纵观单片机的现状及历史，其发展趋势正朝着大容量、高性能化、小容量低价格化、外围电路装化、多品种化及增强I/O接口功能、降低功
耗等方面发展。

为满足不同的用户要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。

在CPU的功能上更加完善和强大，比如采用双CPU结构，提高处理能力，增加数据。