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本文介紹了基于GSM 的單片機遙控密碼鎖的硬件及程序實現流程的具體設計，采用AVR 單片機ATMEGA16 作為控制器，在實現了電子鎖的密碼鍵盤輸入開啟控制，液晶串行顯示，出錯聲光報警基礎上，設計了通過串口控制GSM 模塊GTM900B 進行短信收發和撥號，實現了遠程開啟控制，同時滿足了多方式，高可靠性，高時效等要求，為智能家居提供了可靠的方案。 1．引言 在日常生活和現代辦公中，住宅與辦公室的安全防范多以加鎖的辦法來解決。為滿足人們對鎖的使用要求，增加其安全性，避免不必要時的鑰匙外泄。本文從高效以及高實時性的角度出發，出于安全、方便等方面的需要，尤其為實現遠程控制，介紹一種由ATMEGA16編程實現的控制電路，采用GSM 網絡接收和發送命令，具有按鍵開鎖，撥號開鎖，短信開鎖，三種開鎖方式；同時具有聲光報警等功能，可以在外泄密碼的情況下及時修改密碼，具有保密性，靈活度高，尤其避免了家庭以及私家車庫定期清潔時鑰匙外泄的情況。而短消息SMS作為GSM 網絡的一種基本業務，具有：永遠在線；不需撥號；價格較便宜；覆蓋范圍廣等特點，特別適用于小流量的數據傳輸的應用。 2．系統硬件結構 硬件設計時采用了模塊化思想，將電子鎖終端分成四部分：電源、GSM 短信模塊、人機界面（包括鍵盤和液晶顯示）和控制模塊。 控制模塊使用的單片機是AVR出產的具有RISC 內核的8位低功耗CMOS微處理器 ATMEGA16，它具有如下特點：16KB的系統內可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW)；512B EEPROM；1KB SRAM；32個通用I/O口線；32個通用工作寄存器；3個具有比較模式的靈活的定時器/計數器(T/C)；可編程串行接口；低功耗空閑和掉電方式等。節省了硬件資源,簡化了程序代碼。而短信模塊選擇的是華為公司的GSM/GPRS模塊GTM900B；液晶顯示模塊則是選用了JHD162A，可顯示兩行，每行8個字母。 圖 1 終端硬件結構圖 2.1 供電部分硬件設計 由于 GTM900B的工作電壓范圍是3.3-4.8V，當GTM900B 模塊啟動后，經過幾秒的延時，模塊開始搜索網絡，這時需要超過2A 的驅動電流（時間很短微秒級），如果驅動不足，會引起模塊的突然掉電；為了更好的給單片機和通信模塊供電，選擇寬輸入DC-DC 模塊PS12W24DC5D，輸出電壓穩定在5V 左右，最大提供電流為2.4A，只要加一個二極管降壓就可以得到滿足通訊模塊要求的電壓輸出，可以避免當模塊搜索網絡時驅動電流不足的問題。并且在電壓輸出端并聯一個大電容1000uF，起蓄流的作用，也能起到提高驅動電流的作用，解決了驅動不足時掉電的問題。 圖 2 單片機與通訊模塊的供電部分設計 2.2 通信模塊的外圍設計 通信模塊 GTM900B 模塊有40 個引腳，通過一個ZIF（零阻力插座）連接器引出。這40 個引腳可以劃分為5 類，即電源、數據輸入/輸出、SIM 卡、音頻接口和控制。如圖3 所示，其中較為主要的電路有： ①、開啟與關斷電路： 在接通電源后，GTM900B 并不能自動啟動，需要上電后在其15 引腳IGT 上提供100 ms 的低電平GTM900B 才能正常啟動。為了保證在復位以及人為操作時都可以是模塊激活，選擇了加了三極管反相控制的由單片機PB0 控制的開啟電路。至于關斷在正常狀態下采用軟件AT 指令實現，故障期間硬件強制關斷則是控制PD 引腳低電平時間大于3.5s。 ②、串口通訊電路： 單片機與通信模塊是通過串口通信的方式進行信息傳輸的，如圖3，通信模塊GTM900B 的16-23 引腳數據輸入/輸出端，實際中只用了RXDO，TXDO，選擇默認的9600bps 作為數據傳輸的波特率。采用實際與理論相結合的方式，在硬件設計中GTM900B 與MCU 方向分別加了電平轉換芯片MAX232,將電平統一為標準RS232 電平進行信息傳輸,方便了電腦調試工作，放寬了轉換線路的距離要求。 ③、狀態檢測電路： 調試階段,采用三極管驅動發光二極管，通過二極管明滅狀態及時間來查表獲得工作組態；成品設計中的下位機使用液晶顯示，從液晶上直接簡化顯示各種工作狀態，簡化了硬件，只需加一個上拉電阻，采用雙向口PB2 與之相連，通過軟件讀取引腳狀態來判斷GTM900B的工作組態。 圖 3 通訊模塊的外圍設計 2.3 單片機外圍電路設計 ①、電磁鎖控制與報警電路硬件設計 AVR 單片機的I／O 接口具有很強的驅動能力，灌入電流可直接驅動繼電器、LED 等元件，從而簡化驅動電路，可節約系統成本。對于報警電路部分，針對開關式傳感器信號（開為高電平，關為低電平），開鎖標志位（OP）以及單片機信號端口(PD4)采用邏輯分析后滿足以下邏輯（具體實現見圖4）： 圖 4 報警電路(a)與電子鎖控制(b)設計 ②、串口通訊調試電路 雖然 AVR 單片機的串行通訊口可以直接與GSM 模塊相連，不需電平調整，但為了將來擴展需要，以及程序調試方便，使用MAX232 芯片進行RS232 電平轉換，擴大了傳輸可行距離。 ③、ISP 在線編程 USB 供電接口，為編程器提供工作電壓。使用Codevision 軟件編程，AVRfighter 軟件實現程序加載運行。硬件上則是與單片機引腳（MOSI,REST,SCK,MISO）直接相連。 ④、按鍵與顯示電路 液晶顯示器選用 1602，按鍵方式采用獨立式按鍵結構，共設置了8 個按鍵。其中三個為功能選擇鍵，分別為：確認，遠程開鎖選擇，按鍵開鎖選擇，每個獨立按鍵單獨占有一根I/O 口線，每根I/O 口線上的按鍵工作狀態不會影響其他I/O 口線的工作狀態。它的電路配置靈活，軟件結構簡單。 3．軟件結構 系統軟件結構同樣本著模塊化和功能最小實現的原則，主要由串口通信模塊、管理模塊、用戶操作界面和后臺數據四部分組成。可以實現的功能有：短消息的提取與存儲，撥號信息的提取與存儲，數據的分析處理和液晶顯示，對異常數據的聲光報警等。 （1）鍵盤開鎖工作特點： （a）當手動選擇使用鍵盤開鎖時，這時由鍵盤輸入密碼，當位有效密碼輸入正確時按“確認”鍵確認，PB3 口輸出高電平使電磁鎖動作，完成開鎖，同時電路進入延時狀態，延時5秒后，電路將自動恢復到初始的閉鎖狀態。 （b）輸入密碼錯誤時，將發出5 秒的報警信號，用以提醒用戶。輸入密碼錯誤超過三次，電子鎖自動鎖定，同時發出撥號報警。 （c）輸入密碼時，首位密碼正確輸入后，電路將開始計時每位密碼數之間的輸入間隔應在3 秒內。否則將作為輸入超時處理，系統自動放棄，恢復到初始狀態。 （2）遠程開鎖（包括撥號與短信開鎖）的工作原理 當手動選擇遠程開鎖時，鍵盤便會被封鎖。這時，電子鎖GSM 模塊啟動，并發給用戶手機一條詢問信息，用戶收到信息后，可通過撥號確認，或短信回復指定信息確認，單片機采集接收短信進行處理，從而實現開鎖或報警，同時數字鎖系統回復已開鎖短信（open ）。 軟件流程圖如圖5： 其中軟件編程主要針對串口通訊，使用 GSM 模塊標準AT 指令的編寫，其中最重要的指令有： AT //檢測模塊狀態 AT+CMGF=1 //設置短信模式為文本格式 AT+CMGS="1516xxxxxx"http://設置短信接收方號碼 ＞ OPEN THE DOOR OR NOT//發送短信內容 AT+CMGR=index //讀存儲區第n 條短信 AT+CMGD=index //刪除第n 條短信 ATD 151xxxxxxx //撥打電話 ATH //掛斷電話 圖 5 遠程開鎖軟件設計 4．總結 本文將有線傳輸的低廉與無線傳輸的便利有機結合了起來，有效降低了運營成本;同時由于GSM 通信穩定可靠，也在一定程度上減少了系統出錯的概率。因此，該電子鎖在安全防衛領域具有一定的實用價值。 雖然 SMS 的費用及傳輸的缺點局限：容量限制（每條短信內容最多140 個字節）；網絡繁忙時短信延遲長等。但對于建立在GSM 基礎上的電子鎖卻都已經已經足夠，而且又恰恰具備了實時性強、快速性等等優點，必定會得到更為廣泛的應用。 |
