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1、 “挑战杯”2011河北省大学生课外学术科技作品竞赛家居安全助手作 者：专 业：电子信息工程单 位：东北大学秦皇岛分校东北大学秦皇岛分校电子信息系家居安全助手摘要：该报警器是一种以单片机作为控制核心的自动报警装置。利用多种类传感器（烟雾传感器、红外传感器、煤气传感器）采集不同信息，通过无线收发模块传输这些信息到控制核心单片机,单片机收到信息后控制GSM模块向目标号码拨号报警。该报警器设计新颖,功能齐全,可靠性高,操作方便，是居家环境实现即时安全防范的有效设备。关键词：多点布防；即时报警；无线模块；GSM模块；传感器一、设计背景改革开放以来,在城市大发展的过程中,大量外地人口涌入城市,给社会治安
2、带来很大压力。工厂、机关和居家失盗、失火、抢劫事件时有发生;个别地方尤为严重,损失惊人。近年实例如下：据河北省消防部公布的数据显示，2010年上半年河北省就发生火灾2390起，造成64人死亡，21人受伤，造成直接经济损失6643万元。12月22日，南宁市中华路一家铺面的卷闸门被人撬坏。铺面老板表示，这已是该店近来第二次遭遇窃贼了，损失了上万元。燕赵都市网保定电，11月29日清晨，河北省保定市望都县大西堤村一黄姓农户家中发生了一起煤气中毒事件，由此引起火灾，家中一对60岁左右的夫妻不幸在家中双双丧命。家居安全问题已经引起公安部门的高度重视和社会各届人士的普遍关注。为了应对这些安全问题，人们也采取
3、了很多积极措施例如居民小区开始派人白天守卫、夜间巡逻,居民们也纷纷购置防护铁门、铁栏杆等,将主人装在铁笼子中以求安全。一旦发生警性（如火警或煤气泄漏）才发现，铁笼子将消防人员隔离在在事故现场之外,难以即时救助,实为弊端。于是利用科技手段来保护人们生命财产安全显得尤为重要。市面上虽也出现了不少报警系统，但是这些系统经常出现误报错报情况，且功能单一。鉴于此，一个快速、有效、连动的，兼具防火、防盗、检测煤气泄漏功能的装置应运而生。二、研究目的目前市面上的家居报警产品大多只具有火灾报警功能，煤气泄漏报警功能或防盗报警功能中的某一种，单独安装一个并不能全面保障家居安全。并且现有的报警器在险情发生时只会发
4、出报警警告，一旦家里没有人，就不能立即知道险情的发生，并及时采取措施。而且现有的很多报警器经常出现因为报警系统主机可靠性差、误报错报现象，使用户难以准确判断信息，给用户带来许多不便，严重影响人们的正常生活和工作。针对以上问题，我们设计了这款稳定度高且集可燃气体，烟雾，红外防盗于一体的即时报警安防装置。三、基本思路整个系统由险情信号采集与信号分析处理两大部分组成。信号采集部分又分为三个并列的子节点，分别用于煤气检测，红外检测，燃气检测；每个子节点分别由一个相应传感器，一个单片机，一个无线收发模块构成。三个子节点通过无线收发模块分别与信号处理部分通信。信号处理部分由一个无线收发模块，一个单片机和一
5、个GSM模块构成。当传感器检测到险情信号，传输电信号给与之相连的单片机，单片机控制无线收发模块发送信号给信号处理部分，信号处理部分的无线收发模块收到信号后将其传输给单片机，单片机将险情信号发给GSM模块，GSM模块呼叫目标号码，报警完成。四、系统特点1、多点系统使用无线数据收发模块nRF24L01实现多点通信。通过各种传感器对信号的采集，然后反馈给子单片机一个信号，使其控制相应的无线数据收发模块发送信号给主单片机，从而达到通信的目的。一个无线数据收发模块最多可以与六个点进行通信，因此可以很方便的实现多点通信，而且非常经济。由于多点的特点，使得系统在很多方面起到相当大的作用。例如：防盗、防火、防
6、煤气泄漏等。2、无线布防 nRF24L01是一款工作在 2.42.5GHz 世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片 。极低的电流消耗当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9.0mA 接收模式时为12.3mA掉电模式和待机模式下电流消耗更低 。a.本系统采用增强型Shock Burst模式，可以使得双向链接协议执行起来更为容易、有效。典型的双向链接为发送方终端设备在接收到数据后产生应答信号，以便于发送方检测有无数据丢失，一旦数据丢失则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。增强型Shock Burst模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU工作量。图（一）NRF24L01工作原理图n
7、RF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的数据，每一个数据通道使用不同的地址 ，但是共用相同的频道 。也就是说 6 个不同的 nRF24L01设置为发送模式后可以与同一个设置为接收模式的nRF24L01进行通讯，而设置为接收模式的 nRF24L01 可以对这6个发射端进行识别。 数据通道0是唯一的一个可以配置为40位自身地址的数据通道1-5数据通道都为8位自身地址和32位公用地址。所有的数据通道都可以设置为增强型Shock Burst 模式。 nRF24L01在确认收到数据后记录地址，并以此地址为目标地址发送应答信号在发送端数据通道0被用做接收应答信号。因此，数据通道 0 的接收地址要与
8、发送端地址相等以确保接收到正确的应答信号。 b、通信方式为两种数据双方向的方式，如果想要数据在双方向上通讯,PRIM_RX寄存器必须紧随芯片工作模式的变化而变化，处理器必须保证 PTX和 PRX端的同步性，在RX_FIFO和TX_FIFO寄存器中可能同时存有数据 。c、自动应答（ RX）：自动应答功能减少了外部 MCU的工作量，并且在鼠标/键盘等应用中也可以不要求硬件一定有SPI 接口,因此降低成本,减少电流消耗 。自动重应答功能可以通过 SPI口对不同的数据通道分别进行配置，在自动应答模式使能的情况下，收到有效的数据包后，系统将进入发送模式并发送确认信号，发送完确认信号后 ，系统进入正常工作
9、模式。工作模式由PRIM_RX位和CE引脚决定。d 、自动重发功能 ART (TX)：自动重发功能是针对自动应答系统的发送方 SETUP_RETR寄存器设置启动重发数据的时间长度在每次发送结束后系统都会进入接收模式并在设定的时间范围内等待应答信号。接收到应答信号后，系统转入正常发送模式。如果TX FIFO 中没有待发送的数据CE 脚电平为低，则系统将进入待机模式 I。如果没有收到确认信号，则系统返回到发送模式并重发数据直到收到确认信号或重发次数超过设定值。达到最大的重发次数，有新的数据发送或 PRIM_RX寄存器配置改变时丢包计数器复位。3、电话报警本项目中的呼叫目标号码功能是基于西门子TC3
10、5 GSM模块中的呼叫服务功能。当有险情出现时，单片机接收到传感器传来的信号，立即发送相应的指令给GSM模块，当GSM模块接收到单片机发送的命令，立即呼叫目标号码（目标号码通过键盘可以预设置），通知机主本人家里有险情发生，以便及时采取措施，减少财产的损失。五、硬件设计1、系统整体设计的功能特点：内置SIMCOM GSM双频模块配置一体化LCD显示屏及设置键盘1个无线火灾报警防区、1个红外报警防区、一个煤气泄漏报警防区报警时可自动向预先设定的移动电话电话报警由单片机、无线传输芯片和报警器组成报警防区系统框图如图（二）+煤气节点燃气节点红外节点无线收发模块单片机GSM按 键液晶显示图（二） 系统框
11、图i.煤气节点是有煤气泄漏传感器和单片机构成ii.红外节点是有煤气泄漏传感器和单片机构成iii.燃气节点是有煤气泄漏传感器和单片机构成整个系统以单片机为控制核心，一个主单片机控制GSM模块、按键、液晶显示和主无线数据收发模块，系统中设有三个节点（烟雾节点、红外节点、燃气节点），分别由一个单片机控制信息的采集和发送。2、GSM模块以短信形式发送险情报告是本系统最为关键的技术之一，本模块采用的是短信收发专用芯片TC35 芯片。TC35是SIEMENS公司推出的新一代无线通信GSM模块。自带RS232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机连机通讯。可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、
12、短消息服务(Short Message Service)和传真。 模块有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k,4.8k,9.6k的非透明模式。此外,该模块还具有电话簿功能、多方通话,漫游检测功能,常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50天线连接器,可分别连接SIM卡支架和天线。 TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35的核心,基带处理器主要处理GS
13、M终端内的语音、数据信号,并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下,可支持FR、HR和EFR语音信道编码。下图是TC35实物图：图（三） TC35实物3、无线收发模块nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计
14、更方便。NRF24L01实物图如下：图（四）NRF24L01实物图4、按键和显示模块该模块是为用户设计目标号码和查看相关信息而设计的，总共设计了十二个按键，分别为“0-9”、“模式切换”和“删除”，在设置的同时可以实时查看到对应信息。4*4键盘采用行列扫描方式,其各键的功能设置如图（五）：切 换删 除9876543210图（五）按键功能表六、软件设计开机上电1、主程序流程图如图（五）所示，首先进行初始化，进入模式设置界面，通过按键设置目标号码和中心号码，按键部分是通过行扫描方法对矩阵键盘识别实现的，号码设置完成后就进入设防模式，一旦有险情发生，就对信号进行判断，最后确定险情后就向目标号码拨打电
15、话报警。系统初始化按键输入号码接收到传感器信号判断信息的种类烟雾险情煤气险情红外险情电话报警图（五）系统流程图2、按键流程图如图（六），在开机时，液晶显示“welcome!”,在程序中定义一个数组，用于存放目标号码，运用行扫描法对矩阵键盘进行识别，运用求余的方法实现循环设置号码和查看的功能。输入本地中心号码输入正确输入目标号码删除No删除输入正确No图（六）按键流程图3、相关程序见附录一。七、使用方法在厨房放置煤气泄漏报警节点和火灾报警节点，将红外报警节点放置在阳台处。首先利用键盘将本地信息中心号输入主机，若中途发生输入错误，则利用“删除”键删除后重新输入，输入完成后，按下“切换”键。随后，向
16、主机输入目的手机号码，同上，若中途发生输入错误，按下“删除”键将已输入的号码删除后，继续向其中输入号码，正确后，按“切换”键。在输入号码过程中，所输入的号码均实时显示在LCD屏幕中。在主人选择性地打开报警节点后，系统开始工作，发生险情后，系统将相应的信息发送给目标手机。八、总述本系统操作简单，使用方便灵活，可以很好的与移动电话相连接，通过自带键盘即可进行电话号码设置，方便快捷。系统设有布防、撤防两种状态,适用于家中有人和无人情况。可通过外线电话遥控本报警器的撤防/设防,存储的用户信息不因停电而丢失。九、参考文献1、51单片机原理及应用基于keil C与proteusM，陈海宴 北京航空航天大学
17、出版社 20102、单片机系统设计与实践M 汪道辉主编 电子工业出版社3、C程序设计（第三版）M 谭浩强 清华大学出版社 4、单片机典型外围器件及应用实例M 求是科技编著 人民邮电出版社5、8051系列单片机C程序设计完全手册M 求是科技编著 人民邮电出版社十、附件附录一 元件清单及价位所用器件单 价数 目总 价烟雾传感器30.00130.00红外传感器25.00125.00燃气传感器30.00130.00NRF24l01模块6.00424.0051单片机5.00525.001602液晶10.80110.80GSM模块165.001165.00零件30.00130.00合 计339.80附录二
18、 PCB图GSM模块PCB图无线数据收发模块PCB图附录三 实物展示图附录四 部分源程序#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit MISO = P35;sbit MOSI = P31;sbitSCK = P36;sbitCE = P37;sbitCSN = P32;sbitIRQ = P30;sbit ACC0 = ACC0;sbit ACC7 = ACC7;sbit T_CLK = P16; /*实时时钟时钟线引脚 */sbit T_IO = P35; /*实时时钟数据线引脚 */sb
19、it T_RST = P17; /*实时时钟复位线引脚 */sbit rs = P25;sbit wr = P26;sbit e = P27;sbit psb = P22;sbit res = P24;#define TX_ADR_WIDTH 5 / 5 uints TX address width#define RX_ADR_WIDTH 5 / 5 uints RX address width#define TX_PLOAD_WIDTH 32 / 20 uints TX payload#define RX_PLOAD_WIDTH 32 / 20 uints TX payloaduchar x
20、data time_data7=11,4,3,3,15,3,57;uchar xdata write_add7=0x8c,0x8a,0x88,0x86,0x84,0x82,0x80; /年，星期，月，日，时，分，秒uchar xdata read_add7=0x8d,0x8b,0x89,0x87,0x85,0x83,0x81;uchar xdata shu=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39;uchar xdata table=123;uchar xdata xingqi=星期;uchar xdata hanzishu=1 2 3
21、 4 5 6 7 ;uchar xdata table3=1234567890ABCDEF;uchar xdata table2= ;uchar xdata TX_ADDRESSTX_ADR_WIDTH= 0x30,0x43,0x10,0x10,0x01;/本地地址uchar xdata RX_ADDRESS1RX_ADR_WIDTH= 0x31,0x43,0x10,0x10,0x01;/接收地址uchar xdata RX_ADDRESS2RX_ADR_WIDTH= 0x32,0x43,0x10,0x10,0x01;/接收地址uchar xdata RX_ADDRESS3RX_ADR_WID
22、TH= 0x33,0x43,0x10,0x10,0x01;#define READ_REG 0x00 / 读寄存器指令#define WRITE_REG 0x20 / 写寄存器指令#define RD_RX_PLOAD 0x61 / 读取接收数据指令#define WR_TX_PLOAD 0xA0 / 写待发数据指令#define FLUSH_TX 0xE1 / 冲洗发送 FIFO指令#define FLUSH_RX 0xE2 / 冲洗接收 FIFO指令#define REUSE_TX_PL 0xE3 / 定义重复装载数据指令#define NOP 0xFF / 保留#define CONFI
23、G 0x00 / 配置收发状态，CRC校验模式以及收发状态响应方式#define EN_AA 0x01 / 自动应答功能设置#define EN_RXADDR 0x02 / 可用信道设置#define SETUP_AW 0x03 / 收发地址宽度设置#define SETUP_RETR 0x04 / 自动重发功能设置#define RF_CH 0x05 / 工作频率设置#define RF_SETUP 0x06 / 发射速率、功耗功能设置#define STATUS 0x07 / 状态寄存器#define OBSERVE_TX 0x08 / 发送监测功能#define CD 0x09 / 地址
24、检测 #define RX_ADDR_P0 0x0A / 频道0接收数据地址#define RX_ADDR_P1 0x0B / 频道1接收数据地址#define RX_ADDR_P2 0x0C / 频道2接收数据地址#define RX_ADDR_P3 0x0D / 频道3接收数据地址#define RX_ADDR_P4 0x0E / 频道4接收数据地址#define RX_ADDR_P5 0x0F / 频道5接收数据地址#define TX_ADDR 0x10 / 发送地址寄存器#define RX_PW_P0 0x11 / 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P1 0x12
25、/ 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P2 0x13 / 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P3 0x14 / 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P4 0x15 / 接收频道0接收数据长度#define RX_PW_P5 0x16 / 接收频道0接收数据长度#define FIFO_STATUS 0x17 / FIFO栈入栈出状态寄存器设置 void main (void)uchar i,temp;uchar RxBuf32; EA=1;EX0=1;EX0=1;IT0=1;init_1302(); init_NRF24L01() ;StartUART();Delay(6000);write_1302inittime( );init_12864();while(1) read_rtc( );time_pros( );display();SetRX_Mode(); if(nRF24L01_RxPacket(RxBuf)temp+;for(i=0;i32;i+)R_S_Byte(RxBufi);P0=RxBufi;Delay(600);Delay(600);
