【正文】 60S2， RFID， GSM， 安防，定位 II The Design of Home Security System With Patrol and Positioning（ Hardware Design） Abstract With the continuous development of national scientific and technological modernization, for security,is the main guarantee a stability of the state, it is the basis of ordinary people to live and economic growth is inseparable from the emphasis on security,stability is an important prerequisite for development,is an important foundation for building a harmonious from safety,no security, not to talk about stability and 20xx,China39。 本文提出了一種基于 RFID 無線射頻 技術(shù)和 STC12C5A60S2 高速低功耗 單片機(jī)的智能家庭 安防巡邏定位系統(tǒng) 的設(shè)計 。穩(wěn)定 是來 源于安全，沒有了安全 就 更不必談穩(wěn)定 和 發(fā)展 了 。國民經(jīng)濟(jì)的快速增長 更是 離不開 對安全 的 重視 ， 并且 穩(wěn)定是發(fā)展的重要 的 前提 要素 ，是構(gòu)建和諧社會的重要 的 基礎(chǔ)。家庭安防巡邏定位 系統(tǒng)在 這種環(huán)境下應(yīng)運而生 ，解放了勞動力，使得 安防 管理向著科學(xué)化，無人化，自動化的趨勢發(fā)展。該系統(tǒng)實現(xiàn)了采集端與客戶端之間的通信，能把采集到的信息發(fā)送給客戶端， 客戶能第一時間獲取房間的實時狀態(tài) ，實現(xiàn)了 家庭環(huán)境 實時監(jiān)控 ，幫助在外的屋主 能夠 了解家中的安全狀況 。 所以人們對其 居住環(huán)境 的 安全狀況的 要求 也在不斷的提高 ， 具體 主要的表現(xiàn)在不 單單是 希望擁有溫馨、舒適 、寬敞明亮 的住處，而且對于安全性和智能性等方面也提出了更多、更高的要求， 正是因為人們對安防的要求不斷提高，所以本系統(tǒng)設(shè)計 基于對 提高 家庭 環(huán)境的 安全系 數(shù) 的設(shè)想 ，智能 家庭 住宅的安全防范系統(tǒng)也 因此 應(yīng)運而生 起來 ，并且 在現(xiàn)代 化 的 家庭安全 中發(fā)揮了 十分 巨大的作用 了 [2]。 而 制約我國安防產(chǎn)業(yè)國際競爭力提高的主要瓶頸之一 是 生產(chǎn)要素中的技術(shù)自主創(chuàng)新的薄弱。在新加坡 舉辦 的國際展覽會上， 也展示了 “未來之家” 這一新的設(shè)計產(chǎn)品 。 對于全世界的 安防行業(yè) 來說， 一直處于 在 領(lǐng)先 的 地位 的是北美，并且不斷的發(fā)展壯大 。 課題在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 在國內(nèi)，我國的智能安防 行業(yè)相對來說 起步 是 比較晚 的 ，但是 不容置疑，我們的 發(fā)展速度確實 是 十分迅猛的。尤其伴隨我國經(jīng)濟(jì)、社會的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，住宅小區(qū)是否具備智能化， 安全化 將成為評價住宅小區(qū)的重要 的 指標(biāo) [2]。四是產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提高。 課題研究的意義 本課題 是 根據(jù)目前安防系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，研究并設(shè)計了一個相對比較完整的安防系統(tǒng)，其中重點設(shè)計是基于 STC12C5A60S2 的 單片機(jī)和 RFID 無線射頻技術(shù)對位置定位 的安防系統(tǒng)。本 設(shè)計的 內(nèi)容 是 屬于軟件和硬件電路的設(shè)計 和 應(yīng)用方面 的 ，實現(xiàn)過程包括 了 元器件 的 選擇 和 特性 的 測試 、 電路原理 的 設(shè)計、編寫程序及軟件調(diào)試、 以及 系統(tǒng) 的 整體調(diào)試 等 等。 （ 3） 使用 RFID 對房屋需要監(jiān)測的每一個位置精確定位。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 2 章 系統(tǒng)方案的提出 系統(tǒng) 設(shè)計思想 本系統(tǒng)主要應(yīng)用于尋常百姓家中、大型無人值守倉庫等地方，對于住戶而言，最為關(guān)心的一點就是家中是否安全，這也是從一開始家庭安防巡邏定位系統(tǒng)時的初衷。 （ 2）實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控 系統(tǒng)監(jiān)控信息不受時間和空間的限制，即便觀察者身處外地也能夠很方便的了解家中安全情況。 所以需要采用 各種 相關(guān)的 傳感器來實現(xiàn)采 集并傳輸信息的目的。系統(tǒng)的整體框圖如圖 21 所示： 家庭安防巡邏定位系統(tǒng)的 設(shè)計 （硬件部分） 5 圖 21 系統(tǒng)方案框圖 系統(tǒng) 模塊化設(shè)計 系統(tǒng)整體是以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，傳感器為采集端，利用 GSM 模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程消息推送，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計需求，分為了以下幾個模塊進(jìn)行設(shè)計： （ 1）最小系統(tǒng)模塊 （ 2） RFID 定位模塊 （ 3）溫濕度采集模塊 （ 4）煙霧采集模塊 （ 5） GSM 控制模塊 （ 6）電機(jī)驅(qū)動模塊 （ 7）多路循跡模塊 （ 8）光電開關(guān)模塊 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 3 章 硬件電路 硬件電路概述 本 系統(tǒng)的硬件電路主要可以分為 以下的 六 個部分，分別是： （ 1）核心控制部分 STC12C5A60S2 單片機(jī)：是整個系統(tǒng)的心臟部分，負(fù)責(zé)控制各個傳感器， 控制 RFID 讀寫器，利用 RFID 無線射頻識別技術(shù)對房間內(nèi)的位置進(jìn)行定位，負(fù)責(zé)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，并 接收傳感器采集到的信息并處理，控制 GSM 模塊的遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙ぷ鳌? （ 3） RFID 定位 ： 利用 RFID 無線 射頻識別技術(shù)，通過使用 MFRC522 讀卡器對非接觸式 IC 卡 M1 卡進(jìn)行讀取 信息 ，由于 每一張 M1 卡 都 具有唯一的 標(biāo)識 編號，繼而根據(jù)不同的編號對應(yīng)不同的位置這一原理，對我們所需要定位的地點進(jìn)行精確的管理定位， 工作過程 是 “ 尋卡 ， 防沖突 ， 選卡 ， 讀 /寫卡”操作，如果成功，則返回 M1 卡的 卡號信息 。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，采用由達(dá)林頓管組成的 H 型橋式電路。單片機(jī)具有體積小、功耗低、成本比較 便宜、操作 相對 可靠、環(huán)境適應(yīng)能力 很 強等優(yōu)點， 非常 適合用于工業(yè) 的 控制領(lǐng)域和智能產(chǎn)品 的 領(lǐng)域。 （ 2） ~：一組帶有上拉電阻的 I/O 口， 管腳復(fù)用成 8 路 ADC 輸入通道 。 （ 8） ECI/MOSI： ECI 是 PCA 計數(shù) 器的外部脈沖輸入 管 腳 。 STC12C5A60S2 在本系統(tǒng)中的具體應(yīng)用 在本系 統(tǒng)中， STC12C5A60S2 的 XLAT XLAT2 引腳外接 的晶振； P1_3和 P1_4 控制左右車輪速度， P1_5 和 P1_6 控制左右車輪方向； P2_4 到 P2_7 分配給四路光電循跡； P2_0、 P2_2 和 P3_2 分別作為溫濕度、煙霧和大門開關(guān)狀態(tài)檢測； P3_0 和 P3_1分別和 GSM 模塊的 TXD、 RXD 相連用于串口通信，控制 GSM 模塊的工作狀態(tài)； P3_3P3_7家庭安防巡邏定位系統(tǒng)的 設(shè)計 （硬件部分） 9 控制 RFID 無線射頻 RC522 讀卡器，將讀取到的 M1 卡號發(fā)送給單片機(jī)。 在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V時，此電容可以作為電源為其他電路提供工作電壓，供卡內(nèi)集成電路工作所需。讀寫器會先與每張卡進(jìn)行通信，讀取每張卡的序列號。 防重疊功能啟動工作時，讀寫器將得到 M1 卡 的 卡號 。當(dāng)讀寫器收到這一字節(jié)后， 就可以 對卡進(jìn)行 下 一步操作。 本 讀卡 器采用 了 較為 先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào) 技術(shù) ，完全集成了 高頻（ ） 下所有類型的被動非接觸式通信方式 以及 協(xié)議。因此，要提高讀寫器的讀寫距離，所 以 設(shè)計的天線 應(yīng) 能在盡 量 大的范圍內(nèi)產(chǎn)生所需 要 的電磁家庭安防巡邏定位系統(tǒng)的 設(shè)計 （硬件部分） 11 場 [8]。 （ 3） 返回卡號：將讀取到的卡號返回給單片機(jī)處理、識別、精確定位 。 DHT11 采用單總線式的串行接口，操作方便，信號傳輸距離長，可用于一些環(huán)境較為苛刻的場合。 （ 3）數(shù)字信號輸出，減少用戶信號處理的負(fù)擔(dān)，精確校準(zhǔn)，測量結(jié)果的可靠性高。 （ 6）測量的 溫 范圍從 050℃ ，測 溫 精度為 177。 （ 2）單片機(jī)的 I/O 口輸出不小于 18ms 的低電平后拉高，等待 DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號。 氣體傳感器 MQ2 MQ2 特點 MQ2 是一種 氣體傳感器 ，它 所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫 ，其工作原理正是利用了二氧化錫這一特性 。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 MQ2 典型應(yīng)用電路 以下是 MQ2 的 典型應(yīng)用電路圖 ， 如圖 37 所示： 圖 37 MQ2 典型應(yīng)用電路圖 GSM 模塊 GSM 模塊簡介 GSM 是 當(dāng)今 世界上主要 的 蜂窩系統(tǒng) 其中 之一 ，其也 是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn) 。 GSM 模塊是手機(jī)中的核心模塊，它將 GSM 射頻芯片、存儲器、基帶處理芯片和功放器件等模塊集中在一小塊電路板上，具有獨立的操作系統(tǒng)，并且能夠提供標(biāo)準(zhǔn)接口。設(shè)計緊湊，體積小。 （ 2） AT+CMGF=n， n=0 為 PDU 模式； n=1 為文本模式。該芯片采用 了 15 腳封裝。 內(nèi)部含有 兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī) 等等。使用 L298N 芯片驅(qū)動電機(jī)，該 芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī) 或者是 四相步進(jìn)電機(jī)， 當(dāng)然 也可以驅(qū)動兩臺直流 減速 電機(jī) [16]。單片機(jī) 是 通過 對 每個紅外接收管 采集到 的輸出端電壓 的狀態(tài) ， 就能夠判斷到 軌道 目前的 位置， 進(jìn)而能夠 控制小車的轉(zhuǎn)向，使小車 能夠 一直 正常的 沿 著 軌道 行走 。 如果 紅外線是 遇到黑線則紅外光 就 被吸收 了。其中 物體不 僅僅 限于金屬，所有 的 能 夠 反射光線的物體 都可以 被檢測 出來 。尤其是電源線和地線是否有接錯或者短路 的現(xiàn)象。在電路板正常上電無異樣情況出現(xiàn)后觀察指示燈是否被點亮。 檢查傳感器模塊 傳感器 包含有 煙霧 模塊 、溫濕度 模塊和 光電傳感器。將 RFID、電機(jī)模塊、循跡模塊、傳感器（溫濕度、煙霧、光電開關(guān)）和 GSM 模塊的測試代碼分別下載到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試記錄如表 41 所示： 表 41 硬件調(diào)試記錄 測試模塊 測試結(jié)果 RFID 串口調(diào)試界面上顯示卡號正確 電機(jī)模塊 電機(jī)各種動作均正常 循跡模塊 四個紅外開關(guān)均能正確辨別黑線 DHT11 溫濕度符合溫濕度計上顯示的數(shù)值 MQ2 檢測到煙霧，指示燈亮起 光電開關(guān) 接近門時候指示燈亮起 GSM 當(dāng)模塊收到指令時，蜂鳴器響起 代碼調(diào)試 代碼采用的是分模塊編寫的方式，系統(tǒng)的每個小工作模塊都有自己獨立的工作代碼和頭文件，通過子函數(shù)的相互調(diào)用和主函數(shù)的調(diào)用實現(xiàn)功能。 系統(tǒng)綜合調(diào)試 軟硬件綜合調(diào)試的時候也是采用了分模塊調(diào)試的方式，對軟件代碼中的各個模塊進(jìn)行分部獨立的調(diào)試，出現(xiàn)與預(yù)期不吻合的情況時再對代碼部分進(jìn)行修改后繼續(xù)調(diào)試。我們將 DHT11 測得的溫濕度與溫濕度計相比較來判斷其測得結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠，測試數(shù)據(jù)記錄如表 4 44 所示 ： 表 43 溫度調(diào)試記錄 DHT11 測溫值（ ℃ ） 溫度計測溫值（ ℃ ） 19 23 28 30 表 44 濕度調(diào)試記錄 DHT11 測濕值（ %） 濕度計測量值（ %） 48 48 53 54 57 57 61 60 經(jīng)與溫濕度計的比較后可以看出， DHT11 采集到的溫濕度值數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，并且會隨著測量濕度的改變而變化。 GSM 模塊調(diào)試 首先使用 PC 和 GSM 模塊的進(jìn)行調(diào)試，打開 GSM 調(diào)試工具，測試打電話、發(fā)短信、接收短信等功能，確保 GSM 是工作正常的。 家庭安防巡邏定位系統(tǒng)的 設(shè)計 （硬件部分） 23 第 5 章 調(diào)試結(jié)果 經(jīng)過對各個模塊反復(fù)調(diào)試和代碼修改，系統(tǒng)已基本達(dá)到預(yù)定的要求： 安防巡邏 小車能夠 按照 事先設(shè)定 的路線 前進(jìn) 。 系統(tǒng)調(diào)試工作如圖 51 所示： 圖 51 系統(tǒng)調(diào)試圖 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 第 6 章 系統(tǒng)設(shè)計的不足 任何設(shè)計都有其不足之處，該設(shè)計也不例外。 （ 4）由于時間和經(jīng)費的限制，小車電機(jī)部分轉(zhuǎn)速不能調(diào)到完全一致，只能靠軟件盡量的確調(diào)節(jié)，使兩個 輪子能盡量轉(zhuǎn)速一致。該設(shè)計在日常生活中具有一定的實用性，結(jié)合了目前 安防產(chǎn)品 ， 本系統(tǒng)相對來說 數(shù)據(jù)的可信性高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，只需要 將巡邏小車啟動后，在 客戶端 手機(jī)接收所采集到的信息便可 ，具有容易操作、可靠、成本低，實用性強的優(yōu)點。 首先，在硬件方面我們從六個模塊入手。定位技術(shù)我 們使用的是 RFID 射頻識別技術(shù)，利用 M1 卡具有全球唯一的編號的特性，將 M1 放置于不同的地點作為識別不同地點的標(biāo)志。