基于TC35i的小区远程报警系统
2008-07-22
作者：邬春明1，艾 闯2，李 丹2
摘 要： 利用GSM移动通信网络的短消息" title="短消息">短消息业务，采用西门子公司生产的移动通信模块" title="通信模块">通信模块TC35i设计了小区远程报警系统" title="报警系统">报警系统，阐述了系统的基本组成以及相关的硬软件设计。系统具有实时性、界面友好、管理操作简单等优点，可以方便地移植到其他的报警监控系统中。
关键词： GSM TC35i AT指令 单片机 报警系统
随着人们生活水平的提高，各种智能化的小区拔地而起。与此同时，小区的安全防范问题提到了小区业主和物业公司的议事日程上来，于是设计实时、可靠、管理操作方便的小区远程报警" title="远程报警">远程报警系统是目前亟待解决的问题。本文利用GSM移动通信网络的短消息业务和移动通信模块设计了一种小区远程报警系统。
为了实现远程报警，报警终端与监控中心之间的通信联系是必不可少的。由于远程报警监控系统的特殊性，无线通信是最佳的通信方式" title="通信方式">通信方式。从系统对频率资源的利用及系统组网方式的角度考虑，报警系统所用的通信方式一般有以下几种:固定频率通信方式、集群移动通信方式和蜂窝移动通信方式。其中,前两种分别采用单一频率和共用频率进行通信，均有一定的缺陷。蜂窝移动通信方式的核心概念就是频率复用，即多个用户共用一组频率，同时，多组用户在不同的地方仍可以使用该组频率进行通信，从而大大提高了频率的利用率。因此，组建远程报警系统使用最广泛的是以TDMA方式为核心的GSM蜂窝网。
本文设计的远程报警系统，充分利用了GSM移动通信网络平台，采用短信息传输数据，能实时、自动、可靠、方便地实现远程报警和监控，而且具有小区业主信息管理、小区物业管理等功能，能满足智能小区对安全防范的基本要求，对其他远程数据传输和无人值守的场合也具有实用价值。
1 小区远程报警系统设计
1.1 系统组成与工作原理
小区远程报警系统由报警终端和监控中心两大部分组成。报警终端以AT89C52单片机为核心，实现对各路模拟输入量的数据采集和监控，采集到的警情信息经过单片机处理后，通过RS-232异步串行通信接口写入TC35i移动通信模块，移动通信模块再通过AT命令和GSM网络的短消息中心以短消息的形式与报警监控中心进行通信。监控中心在收到报警信息并依据协议对报警信息进行处理后，发出报警信号。
系统采用主从式结构，移动通信模块通过RS-232接口与计算机相联，构成监控中心，放在小区门卫值班室内，当有报警信息时发出报警信号，并在计算机显示器上显示报警点及其信息。而报警终端则放在需设置的报警点上（小区业主户内），主机（监控中心）和从机（报警终端）之间通过GSM移动通信网络进行通信。系统组成框图如图1所示。
1.2 TC35i移动通信模块及外围电路设计
由西门子公司推出的最新无线通信模块TC35i性价比很高，有国内的无线电设备入网证，功能上与 TC35 兼容、设计紧凑、大大缩小了用户产品的体积。TC35i与GSM2/2+兼容、双频(GSM900/GSMl800)、RS-232接口、符合ETSI标准GSM07.07和GSM07.05，且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。
TC35i模块内部结构如图2所示。它主要由四个部分组成：GSM基带处理器、GSM射频部分、电源ASIC (Application Specific Integrated circuit)、Flash。
GSM基带处理器是整个模块的核心，它由一个C166CPU和一个DSP处理器内核控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM射频部分包含一个单片收发器SMARTi，它由一个外差式接收器、上变频调制环路发送器、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器等四个功能块组成，共同完成对射频信号的接收和发送处理。GSM模块电流变化非常大，空闲时电流小于3.5mA，而在通话期间电流最大可达2.3A，这对供电电路提出了较高的要求。GSM模块电源ASIC使用线性电压调节器，把外部输入的电源电压Vbatt+进行稳压处理后供GSM基带处理器和GSM射频部分使用，此外，它还输出一个2.9V/70mA的电压供模块外的其他电路使用。GSM射频部分的功率放大器对电源电压要求不高，所以可直接使用外部的输入电压Vbatt+。Flash用来存储一些用户配置信息、电话本和其他信息。
TC35i共有40个引脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force)连接器引出。这40个引脚可以划分为五类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。第1～14脚为电源部分，其中,1～5为电源电压输入端Vbatt+,6～10为电源地GND,11、12为充电引脚，13为对外输出电压(供外电路使用)，14为ACCU-TEMP(接负温度系数的热敏电阻)；24～29为SIM卡引脚，分别为CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND；33～40为语音接口，用来接电话手柄；15、30,、31和32脚为控制部分，15为点火线IGT(Ignition)，当TC35i通电时必须给IGT一个大于100ms低电平，模块才能启动。30为RTC backup，31为Power down, 32为SYNC；16-23为数据输入/输出，分别为DSRO、RINGO、RxDO、TxDO、CTSO、RTSO、DTRO和DCDO。
TC35i的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，它符合ITU-TRS232接口标准，有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300b/s～115Kb/s之间可选，硬件握手信号用RTSO/CTSO，软件流量控制用XON/XOFF, CMOS电平，支持标准的AT命令集。通过这一接口可以用AT指令切换操作模式，可以使它处于语音、数据、短消息或传真模式。TC35i模块的外围电路简单连接图如图3所示。
1.3 报警终端电路设计
远程报警系统的报警终端主要由GSM模块TC35i及其外围电路、单片机系统(下位机)、传感器、A/D转换器等几部分组成。报警终端电路如图4所示。GSM模块负责短消息的编辑、存储、接收，单片机系统用来存储传感器传送来的数据，并控制GSM模块发送短信息。由于TC35i模块串口管脚的工作电平是CMOS电平，单片机串口管脚的工作电平是TTL电平，所以不能将它们的管脚直接相连，需要一个电平转换芯片MAX232来完成电平的转换。
TC35i采用AT指令，AT89C52可以通过正确的AT指令对TC35i进行初始化和短消息的接收与发送。对短消息的控制有三种模式：Block模式、PDU模式和Text模式。Text模式比较简单，可以实现数字和字符的直接收发，但Text模式不支持中文。目前广泛采用PDU模式，PDU模式是将GB2312的中文编码转换为Unicode编码，容易实现中文编解码。本设计主要传送中文信息，为了编程方便，使用PDU模式进行短消息的接收和发送。与短消息业务有关的AT指令如表1所示。
系统可以采集三种警情信号：非法入室、煤气泄漏和火灾。警情信号分别通过人体感应（热释红外线）传感器、煤气传感器、烟雾传感器采集到相应信号，但是这些信号不能直接送单片机系统，必须先经过A/D转换。现在市场上有各式各样的A/D转换芯片，因为设计的系统并不需要得到报警信号的准确值，只要能得到单片机可以识别的信号即可；另外，考虑芯片与单片机接口要简单，因此选用DS2450芯片。DS2450是美国达拉斯半导体公司(DALLAS)推出的符合单总线协议的四路A/D转换器。每个输入通道由各自的寄存器组来存储输入电压的范围、分辨率和报警门限值，当输入电压偏离指定范围值时，设置使能标志。DS2450与单片机的连接很简单，可直接相连，也可与PC机的RS-232串口经适配器转换后相连，且可挂上多个DS2450，使用极为方便，且只占用单片机的一个输入/输出端口线。报警终端程序流程图如图5所示。
1.4 监控中心电路设计
监控中心由TC35i模块及外围电路和PC机组成，当TC35i模块接收到报警终端发送来的短消息数据时，通过计算机上的管理软件对接收到的数据进行处理后发出报警信息，值班人员可依据报警信息采取相应措施消除警情。
2 小区远程报警管理系统监控软件设计
报警管理系统监控软件可以管理整个系统的所有报警终端设备，用来标定各报警点的原始信息(电话号码、位置、户主姓名等)、接收到报警信息时提示报警并将相关数据存储到数据库中、修改远端设备的运行参数等。管理软件还可以进行业主管理，查询各报警终端的当前数据和网络运行状态，并提供历史数据查询、打印、备份、删除等。
在串行通信上，Visual Basic提供了一个易于开发的平台，其中设计了一个功能强大的MSComm控件，该控件对串行通信对象即对RS-232串口进行了初级封装，用户以高级的BASIC语言即可利用RS-232接口与外界通信。由于该控件具有很多串口通信的属性、方法和触发事件，故在监控中心用Visual Basic语言编写管理软件。
3 系统的安全保障措施
作为一个安全报警系统，系统整体的可靠性是最重要的指标，也是该系统设计的难点和重点。以短消息进行报警信息的传输，系统虽然有方便简单等优点，但短消息自身的特性决定了建于其上的系统在可靠性方面会存在一系列隐患：(1)短消息的稳定性和移动网络信号、短信信道等因素有关，不确定因素较多。(2)短信延迟很常见，网络繁忙时不能保证短信及时到达。不管是短信丢失还是延迟，对安全报警系统都是致命的。(3)垃圾短信的存在很有可能导致系统出现故障。
为保证系统整体的实时可靠运行，采取了如下安全保障措施：(1)对警情信号进行多次采集验证，设置硬件复位等功能，报警终端内置硬件看门狗，确保终端正常工作，及时将警情信息发送出去且不发生误报警。(2)报警终端和监控中心之间实行应答机制，超时重发，确保正确发出警报信息。(3)在初始化、接收新短信、重发查询短信之前清空SIM卡，确保系统不受影响。
本系统是利用GSM移动通信模块及GSM短消息业务进行小区警情信息的远程监控，其通信距离基本不受限制，具有投资少、成本低、可靠性高等特点。另外，系统采用Visual Basic设计监控管理系统软件，具有界面友好、保密性强、易用性强等特点，操作人员经短期培训即可掌握,因而应用前景十分广阔。同时与现有其他类型的小区远程报警系统相比，本系统具有可靠、简单、实用等特点，基本能够满足各类小区对安全防范的要求，尤其对已建成且需增设报警系统的小区来说，基于GSM移动通信模块的小区远程报警系统更是首选。
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