基于GSM网络的遥控密码锁系统的设计

　　摘 要：本文介绍了基于GSM 的单片机遥控密码锁的硬件及程序实现流程的具体设计，采用AVR 单片机ATMEGA16 作为控制器，在实现了电子锁的密码键盘输入开启控制，液晶串行显示，出错声光报警基础上，设计了通过串口控制GSM 模块GTM900B 进行短信收发和拨号，实现了远程开启控制，同时满足了多方式，高可靠性，高时效等要求，为智能家居提供了可靠的方案。

1．引言

　　在日常生活和现代办公中，住宅与办公室的安全防范多以加锁的办法来解决。为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，避免不必要时的钥匙外泄。本文从高效以及高实时性的角度出发，出于安全、方便等方面的需要，尤其为实现远程控制，介绍一种由ATMEGA16编程实现的控制电路，采用GSM 网络接收和发送命令，具有按键开锁，拨号开锁，短信开锁，三种开锁方式；同时具有声光报警等功能，可以在外泄密码的情况下及时修改密码，具有保密性，灵活度高，尤其避免了家庭以及私家车库定期清洁时钥匙外泄的情况。而短消息SMS[2]作为GSM 网络的一种基本业务，具有：永远在线；不需拨号；价格较便宜；覆盖范围广等特点，特别适用于小流量的数据传输的应用。

2．系统硬件结构

　　硬件设计时采用了模块化思想，将电子锁终端分成四部分：电源、GSM 短信模块、人机界面（包括键盘和液晶显示）和控制模块。

　　控制模块使用的单片机是AVR出产的具有RISC 内核的8位低功耗CMOS微处理器
ATMEGA16，它具有如下特点[1]：16KB的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即
RWW)；512B EEPROM；1KB SRAM；32个通用I/O口线；32个通用工作寄存器；3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)；可编程串行接口；低功耗空闲和掉电方式等。节省了硬件资源,简化了程序代码。而短信模块选择的是华为公司的GSM/GPRS模块GTM900B；液晶显示模块则是选用了JHD162A，可显示两行，每行8个字母。

图 1 终端硬件结构图
Figure1 Terminal structure of the system hardware

　　2.1 供电部分硬件设计

　　由于 GTM900B[2]的工作电压范围是3.3-4.8V，当GTM900B 模块启动后，经过几秒的延时，模块开始搜索网络，这时需要超过2A 的驱动电流（时间很短微秒级），如果驱动不足，会引起模块的突然掉电；为了更好的给单片机和通信模块供电，选择宽输入DC-DC 模块PS12W24DC5D，输出电压稳定在5V 左右，最大提供电流为2.4A，只要加一个二极管降压就可以得到满足通讯模块要求的电压输出，可以避免当模块搜索网络时驱动电流不足的问题。并且在电压输出端并联一个大电容1000uF，起蓄流的作用，也能起到提高驱动电流的作用，解决了驱动不足时掉电的问题。

图 2 单片机与通讯模块的供电部分设计
Figure2 External power design of ATMEGA16 and communications module

　　2.2 通信模块的外围设计

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　　通信模块 GTM900B 模块有40 个引脚，通过一个ZIF（零阻力插座）连接器引出。这40 个引脚可以划分为5 类，即电源、数据输入/输出、SIM 卡、音频接口和控制。如图3 所示，其中较为主要的电路有：

　　①、开启与关断电路：

　　在接通电源后，GTM900B 并不能自动启动，需要上电后在其15 引脚IGT 上提供100 ms
的低电平GTM900B 才能正常启动。为了保证在复位以及人为操作时都可以是模块激活，选择了加了三极管反相控制的由单片机PB0 控制的开启电路。至于关断在正常状态下采用软件AT 指令实现，故障期间硬件强制关断则是控制PD 引脚低电平时间大于3.5s。

　　②、串口通讯电路：

　　单片机与通信模块是通过串口通信的方式进行信息传输的，如图3，通信模块GTM900B
的16-23 引脚数据输入/输出端，实际中只用了RXDO，TXDO，选择默认的9600bps 作为数据传输的波特率。采用实际与理论相结合的方式，在硬件设计中GTM900B 与MCU 方向分别加了电平转换芯片MAX232,将电平统一为标准RS232 电平进行信息传输,方便了电脑调试工作，放宽了转换线路的距离要求。

　　③、状态检测电路：

　　调试阶段,采用三极管驱动发光二极管，通过二极管明灭状态及时间来查表获得工作组态；成品设计中的下位机使用液晶显示，从液晶上直接简化显示各种工作状态，简化了硬件，只需加一个上拉电阻，采用双向口PB2 与之相连，通过软件读取引脚状态来判断GTM900B的工作组态。

图 3 通讯模块的外围设计
Figure3 External design of communications module

　　2.3 单片机外围电路设计

　　①、电磁锁控制与报警电路硬件设计

　　AVR 单片机的I／O 接口具有很强的驱动能力，灌入电流可直接驱动继电器、LED 等元件，从而简化驱动电路，可节约系统成本。对于报警电路部分，针对开关式传感器信号（开为高电平，关为低电平），开锁标志位（OP）以及单片机信号端口(PD4)采用逻辑分析后满足以下逻辑（具体实现见图4）：

图 4 报警电路(a)与电子锁控制(b)设计
Figure4 External design of control and alarm

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　　②、串口通讯调试电路

　　虽然 AVR 单片机的串行通讯口可以直接与GSM 模块相连，不需电平调整，但为了将来扩展需要，以及程序调试方便，使用MAX232 芯片进行RS232 电平转换，扩大了传输可行距离。

　　③、ISP 在线编程

　　USB 供电接口，为编程器提供工作电压。使用Codevision 软件编程，AVRfighter 软件实现程序加载运行。硬件上则是与单片机引脚（MOSI,REST,SCK,MISO）直接相连。

　　④、按键与显示电路

　　液晶显示器选用 1602，按键方式采用独立式按键结构，共设置了8 个按键。其中三个为功能选择键，分别为：确认，远程开锁选择，按键开锁选择，每个独立按键单独占有一根I/O 口线，每根I/O 口线上的按键工作状态不会影响其他I/O 口线的工作状态。它的电路配置灵活，软件结构简单。

3．软件结构

　　系统软件结构同样本着模块化和功能最小实现的原则，主要由串口通信模块、管理模块、用户操作界面和后台数据四部分组成。可以实现的功能有：短消息的提取与存储，拨号信息的提取与存储，数据的分析处理和液晶显示，对异常数据的声光报警等。

　　（1）键盘开锁工作特点：

　　（a）当手动选择使用键盘开锁时，这时由键盘输入密码，当位有效密码输入正确时按“确认”键确认，PB3 口输出高电平使电磁锁动作，完成开锁，同时电路进入延时状态，延时5秒后，电路将自动恢复到初始的闭锁状态。

　　（b）输入密码错误时，将发出5 秒的报警信号，用以提醒用户。输入密码错误超过三次，电子锁自动锁定，同时发出拨号报警。

　　（c）输入密码时，首位密码正确输入后，电路将开始计时每位密码数之间的输入间隔应在3 秒内。否则将作为输入超时处理，系统自动放弃，恢复到初始状态。

　　（2）远程开锁（包括拨号与短信开锁）的工作原理

　　当手动选择远程开锁时，键盘便会被封锁。这时，电子锁GSM 模块启动，并发给用户手机一条询问信息，用户收到信息后，可通过拨号确认，或短信回复指定信息确认，单片机采集接收短信进行处理，从而实现开锁或报警，同时数字锁系统回复已开锁短信（open ）。

　　软件流程图如图5：

　　其中软件编程主要针对串口通讯，使用 GSM 模块标准AT 指令[2]的编写，其中最重要的指令有：

　　AT //检测模块状态

　　AT+CMGF=1 //设置短信模式为文本格式

　　AT+CMGS="1516xxxxxx"//设置短信接收方号码

　　> OPEN THE DOOR OR NOT//发送短信内容

　　AT+CMGR=index //读存储区第n 条短信

　　AT+CMGD=index //删除第n 条短信

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　　ATD 151xxxxxxx //拨打电话

　　ATH //挂断电话

图 5 远程开锁软件设计
Figure5 Software design of remote key

4．总结

　　本文将有线传输的低廉与无线传输的便利有机结合了起来，有效降低了运营成本;同时由于GSM 通信稳定可靠，也在一定程度上减少了系统出错的概率。因此，该电子锁在安全防卫领域具有一定的实用价值。

　　虽然 SMS 的费用及传输的缺点局限[4]：容量限制（每条短信内容最多140 个字节）；网络繁忙时短信延迟长等。但对于建立在GSM 基础上的电子锁却都已经已经足够，而且又恰恰具备了实时性强、快速性等等优点，必定会得到更为广泛的应用。

参考文献

　　[1] ATMEGA16.pdf［DB］．www.atmel.com,2007

　　[2] GPRS Modem Specification 实用［J］．www.huawei.com ,2008

　　[3] 陈星，刘利. 基于SMS 的执行器无线监控终端的设计［J］．微计算机信息， 2008， 2(1)：118-119．

　　[4] 于立娟,于海业,张志平. 基于GSM 的远程环境监控系统［J］．仪表技术与传感器，2007，3(2)：69-71．

　　[5] 穆继亮,马宗敏.微型智能电子密码锁设计.机电产品开发与创新［J］．2008，21(6)：70-72．.