基于GSM网络的遥控密码锁系统的设计

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：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

2.1 供电部分硬件设计

由于 GTM900B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

2.2 通信模块的外围设计
　
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

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

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。