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單片機(jī)典型案例開(kāi)發(fā)（一）
一、基于GPRS和單片機(jī)的彩信報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
摘要：設(shè)計(jì)一種基于GPRS 和51 單片機(jī)的彩信報(bào)警系統(tǒng)。利用單片機(jī)技術(shù)、帶彩信協(xié)議GPRS 無(wú)線通信模塊、圖像捕獲和圖像壓縮編碼功能模塊，實(shí)現(xiàn)原理圖設(shè)計(jì)到電路板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。用單片機(jī)根據(jù)seNSor 控制串口攝像頭圖像采集和壓縮處理，采集圖像通過(guò)彩信的格式發(fā)送到用戶手機(jī)，同時(shí)可以通過(guò)短信命令隨時(shí)查看系統(tǒng)狀態(tài)，或者攝像頭采集圖像，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況。
國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的電子防盜報(bào)警系統(tǒng)方案往往是在用戶端通過(guò)電子設(shè)備檢測(cè)到盜竊等報(bào)警信息， 然后通過(guò)通訊器經(jīng)電話線將信號(hào)自動(dòng)傳到報(bào)警中心來(lái)完成報(bào)警過(guò)程。這種報(bào)警中心往往存在很多局限。例如：報(bào)警中心地點(diǎn)和人員需固定，報(bào)警通信速度慢，反向查詢、控制等操作困難而專業(yè)，電話線斷線問(wèn)題難以解決，通信費(fèi)用、尤其是遠(yuǎn)程通信費(fèi)用較高，不利于組建遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，通信帶寬太小，加載信息量少，音視頻信號(hào)的技術(shù)手段應(yīng)用困難， 很難應(yīng)用于家庭安防市場(chǎng)等等。
而彩信業(yè)務(wù)自中國(guó)移動(dòng)從2002 年9 月正式推出以來(lái)，隨著彩信網(wǎng)絡(luò)工程的建立和不斷地優(yōu)化，彩信逐漸進(jìn)入了高速發(fā)展和穩(wěn)定應(yīng)用階段。所以人們?cè)絹?lái)越關(guān)注于依托中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、基于彩信業(yè)務(wù)來(lái)發(fā)展現(xiàn)代的電子防盜報(bào)警系統(tǒng)， 從而能在此系統(tǒng)上發(fā)揮其隨時(shí)隨地監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)涵蓋范圍大、查詢控制等操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低、報(bào)警通信速度快、音視頻應(yīng)用簡(jiǎn)易等眾多優(yōu)勢(shì)，使其能廣泛應(yīng)用于家庭、辦公、工廠、商鋪等等各種場(chǎng)所。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總線設(shè)計(jì)
本彩信報(bào)警系統(tǒng)以普通AT89C52 單片機(jī)和帶有彩信功能的無(wú)線模塊GPRS，前端設(shè)備可以根據(jù)控制攝像頭采集圖片，發(fā)送到用戶手機(jī)上，同時(shí)用戶可以通過(guò)短信命令隨時(shí)查看系統(tǒng)狀態(tài)， 或者控制前端攝像頭采集圖像，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況。采用此方案設(shè)計(jì)的產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單，為了降低成本，在最小硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的功能盡可能用軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到降低成本，滿足市場(chǎng)需求。
設(shè)計(jì)的硬件電路主要由三部分組成： 圖像捕獲和圖像壓縮編碼部分通過(guò)串口攝像頭實(shí)現(xiàn)； 主控制器處理圖像數(shù)據(jù)和任務(wù)控制用AT89C52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)；帶彩信協(xié)議GPRS 模塊無(wú)線部分。在設(shè)計(jì)中使用電路圖，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先設(shè)計(jì)了硬件的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1 所示：
采用單片機(jī)AT89C52 為核心組成彩信報(bào)警系統(tǒng)，AT89C52 具有快速8051 內(nèi)核、8kBFlashE2PROM、256BIDATARAM，符合該硬件要求；彩信報(bào)警功能，采用GPRSModule 的MC55 芯片，帶彩信協(xié)議棧MMS 功能；利用串口攝像頭實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)捕獲和圖像壓縮存儲(chǔ)功能。
1.2 單片機(jī)接口設(shè)計(jì)
AT89C52 單片機(jī)接口中， 作為只要一組串口，GM8123 可以將一個(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過(guò)外部引腳控制串口擴(kuò)展模式。該芯片母串口和子串口的工作波特率可由軟件調(diào)節(jié)，而不需要修改外部電路和晶振頻率， 它的外部控制少，應(yīng)用靈活，編程使用簡(jiǎn)單，適用于大多數(shù)有串口擴(kuò)展需求的系統(tǒng)。所以利用GM8123 為AT89C52擴(kuò)展出3 組串口， 可以與串口攝像頭和GPRS 模塊進(jìn)行連接通信。如圖2 所示。
1.3 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)
由于現(xiàn)場(chǎng)圖片需要以彩信的形式發(fā)送， 所以選用了帶有彩信功能的無(wú)線模塊， 這里選用的GPRS模塊是西門子的MC55［5］.GPRS 模塊和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信主要是通過(guò)端口TXD0 與TXD1 之間，RXD0 與RXD1 之間的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)完成。其中GPRS模塊上的TXD0 口是用于接收從單片機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)， 而單片機(jī)上的擴(kuò)展TXD2 端口是用于向GPRS模塊傳送數(shù)據(jù)的。GPRS 模塊上的RXD0 口是用于向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)， 單片機(jī)的擴(kuò)展RXD2 口則是用于接收從GPRS 模塊傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)。
GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件部分的電路原理圖如圖3 所示。
1.4 串口攝像頭
ZSV-01P 串口攝像頭是一款具有視頻采集和圖像壓縮功能的攝像頭，具有130 萬(wàn)像素CMOS 攝像頭，最大分辨率可達(dá)到1 280&TImes;960，是一個(gè)內(nèi)含有拍攝控制、視頻捕捉、圖像數(shù)據(jù)采集、圖像JPEG 壓縮、串口通訊等功能的齊全的工業(yè)用圖像采集設(shè)備，最大串口通訊速率可達(dá)115.2kbs［6］。本設(shè)計(jì)采用的帶有串口的攝像頭， 主機(jī)通過(guò)串口以約定的協(xié)議對(duì)攝像頭進(jìn)行控制。主機(jī)與相機(jī)是一種主從關(guān)系，相機(jī)的操作命令由主機(jī)發(fā)出，主機(jī)可以控制相機(jī)的輸出格式、分辨率，相機(jī)向主機(jī)發(fā)送響應(yīng)消息。具體參數(shù)：
（1）接口：主機(jī)與相機(jī)之間為RS-232 標(biāo)準(zhǔn)接口，波特率為57 600，8 位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)，1 位停止位。
（2）圖像格式：相機(jī)輸出的圖像格式為JPEG.
（3） 圖像分辨率可以是：640&TImes;480、320&TImes;240、160&TImes;120、352×288、176×144.圖像分辨率越高，則圖像數(shù)據(jù)量越大。圖4 表示分包傳輸時(shí)一幅完整圖片采集流程。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 模塊軟件設(shè)計(jì)
軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的C 語(yǔ)言構(gòu)造，由Keil C51 編譯器編譯。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：一是單片機(jī)對(duì)各個(gè)功能芯片的控制字的寫(xiě)入和單片機(jī)串口擴(kuò)展程序；二是GPRS 數(shù)據(jù)接收發(fā)程序設(shè)計(jì)。
2.1.1 單片機(jī)與GPRS 無(wú)線模塊
程序這個(gè)程序主要是完成GPRS 模塊與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)有51 系列的，設(shè)定的單片機(jī)串行口工作方式為模式1，8 位UART， 數(shù)據(jù)傳輸率為可變；定時(shí)器1 的工作方式為模式2，數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)置為9 600 b/s，晶振為11.059 2 MHz.我們傳輸?shù)闹饕茿T 指令， 包括所撥的號(hào)碼，DNS 服務(wù)的IP 地址，GPRS 服務(wù)提供商的密碼， 接入GPRS 服務(wù)的APN.當(dāng)然還需要建立一個(gè)TCP 通訊，此服務(wù)的客戶內(nèi)容包括IP、地址以及遠(yuǎn)方主機(jī)的TCP 端口號(hào)等所傳輸?shù)男畔ⅰ?br />
該程序的主程序是對(duì)AT 指令進(jìn)行發(fā)送和接收，在完成發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)是分別調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序和數(shù)據(jù)接收子程序，而這里共包括3 個(gè)子程序：數(shù)據(jù)發(fā)送子程序、數(shù)據(jù)接收子程序以及延時(shí)子程序。
2.1.2 單片機(jī)攝像頭的控制過(guò)程。
主機(jī)獲取攝像頭圖像時(shí)操作：（1） 打開(kāi)串口；（2）開(kāi)始采集圖像，設(shè)置圖像分辨率；（3） 獲取圖像數(shù)據(jù)；（4） 結(jié)束采集圖像；（5） 關(guān)閉串口。步驟（3） 獲取圖像可以循環(huán)執(zhí)行。如果重新設(shè)置圖像分辨率應(yīng)重新執(zhí)行步驟（2）。
2.1.3 單片機(jī)串口擴(kuò)展程序設(shè)計(jì)
與之相關(guān)聯(lián)的各端口狀態(tài)和含義為：
（1）sbit MS=P3^6; //GM8123 工作模式控制
（2）sbit RESET=P3^7; //GM8123 復(fù)位引腳控制
（3）unsigned char SendBuff［5］={ 0x67，0xbc，0xc9};// 需要三個(gè)子串口
主程序中定義：
TMOD = 0x20; // 指定定時(shí)器1 工作在方式2
IE = 0x90; // 開(kāi)串行口中斷
SCON=0xc0; // 串行口工作在方式3
TH1 = 0xf8; // 裝入定時(shí)器1 初值，設(shè)置主機(jī)工作波特率為7 200bs
P1=0x00; // 置GM8123 命令字地址
SBUF=Contr_data; // 設(shè)置GM8123 子串口波特率為19 200bs，母串口波特率為11 5200bs
因此，整個(gè)控制過(guò)程是：定義和初始化各個(gè)元器件的控制字和端口，然后單片機(jī)發(fā)送命令通過(guò)串口來(lái)檢查和控制各個(gè)Sensor 和串口攝像頭及MCC55 的工作。
2.2 程序流程
系統(tǒng)上電后首先初始化單片機(jī)， 設(shè)置串行口的波特率和定時(shí)器；然后初始化GM8123、各種Sensor傳感器；接著執(zhí)行MC55 上電，然后初始化MC55.
系統(tǒng)程序流程如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)程序流程圖
圖5 系統(tǒng)程序流程圖
3 結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)選擇中深微電子公司的串口攝像頭實(shí)現(xiàn)了圖像捕獲和圖像壓縮編碼于一體， 簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜性， 帶彩信協(xié)議GPRS 模塊無(wú)線部分選用SIEMENS 公司的MC55，該模塊性能穩(wěn)定、可靠、操作方便。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，用戶可以隨時(shí)隨地用手機(jī)遠(yuǎn)程遙控， 拍攝現(xiàn)場(chǎng)的照片并發(fā)送到指定手機(jī)或者電子郵箱里。可以外接多種無(wú)線傳感器報(bào)警，例如煙感、無(wú)線門磁、紅外人體感應(yīng)器、煤氣傳感器等，實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)方式的報(bào)警，并具有圖像移動(dòng)偵測(cè)功能， 能對(duì)移動(dòng)的物體自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，具有一定的實(shí)用價(jià)值。