基于GSM红外报警系统设计和PDU编码的技术分析

　1 引言
　　GSM（Global System for Mobile Communication）是目前全球使用最为广泛的2G移动电话系统，技术成熟可靠；尽管在数据传输速率上远不及3G和4G系统，但在网络覆盖、资费、互操作性等方面仍具有一定的优势，被广泛应用于远程无线数据传输系统，如远程防盗、智能电表、自动售货机、车队管理等领域。本文将介绍基于GSM的远程红外报警系统的设计及PDU编码过程。
　　2 系统整体设计
　　如图1所示，系统主要由控制单元（AT89C2051）、GSM模块（TC35i）、红外探测器、报警器、电源等组成。红外感应器用于探测目标区域是否存在人或其它物体移动，并将探测信号送至控制单元，控制单元根据信号来控制报警器报警，并通过GSM模块向指定手机发送报警信号。
　　3 系统硬件设计
　　3.1 GSM模块（TC35i）
　　TC35i是西门子公司推出的一款支持中文短信的工业级GSM模块，集射频电路和基带于一体，并支持标准的AT命令集。TC35i的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据，它支持Text和PDU格式的SMS，并可通过AT指令或关断信号实现重启或故障恢复。
　　TC35i模块具有40个引脚，分为电源、数据传输、SIM、音频接口和控制5大类。本设计中主要引脚使用情况为：（具体电路连接见图1所示）
　　1～5作为电源正输入，6～10作为电源负接地，电压范围为3.5～4.8V（推荐为4.2V），设计时要求供电电压不得低于3.3V，峰值电流（2A）时压降不得大于0.4V，否则系统会自动关机，因此要求供电模块内阻+连线电阻应小于200mΩ。
　　15为启动脚IGT，31为关闭脚（PD），这两个引脚作为单片机控制TC35i模块开、关机的控制引脚。另外需要说明的是：系统供电后，需要给15脚（IGT）加一个大于100ms的低脉冲（电平下降持续时间要求小于1ms），TC35i才能进入工作状态。若需要关闭TC35i，则只需将31脚（PD）维持至少3.5秒的低电平即可。
　　18脚（RXD）和19脚（TXD）作为与单片机连接的串口通讯脚，波特率设为9600。由于TC35i的COMS电平与单片机的TTL电平之间的差异，实际连接时需要进行电平转换，由MAX232芯片完成。
　　24～29为专用的SIM卡引脚，用于外接SIM卡，其中24（CCIN）引脚用于检测SIM卡是否插好，连接好输出高电平，否则输出低电平。
　　32引脚SYNC作为TC35i工作状态指示灯的控制端口。
　　3.2 控制单元（AT89C2051）
　　AT89C2051是美国ATMEL公司生产的一款低电压、高性能CMOS 8位单片机，能够与标准的MCS-51指令兼容。本设计中主要引脚使用情况为：P1.0为报警器控制端口；P3.0/RXD和P3.1/TXD作为与TC35i的通讯口，分别通过MAX232与TC35i的18和19引脚相连。P3.2和P3.3作为红外感应器的控制端口，分别用于红外线发射驱动和红外信号接收。
　　3.3 红外感应器
　　本次设计采用主动式红外探测器，由红外线发射管和红外接收头两部分组成。红外发射管D3选用L5IR5型红外发射管，由AT89C2051的P3.2端口经三级管Q1来驱动；为指示红外感应器工作状态，在电路上串联一个发光二极管D4。接收端选用带有内置信号放大电路的LF0038型红外接收头，其信号输出端引脚3与AT89C2051的P3.3端口连接。
　　3.4 电源设计
　　系统电源需求包括+5VDC（供控制单元、红外感应器及报警器用）和+4.2VDC（GSM供模块用）。由于TC35i对电源要求较高，设计中采用单片降压式开关稳压器LM2576-ADJ实现+12VDC到+4.2VDC的转换；而+5VDC则由7805稳压管实现转换。具体电路见图3所示。
　　4 AT指令
　　AT指令是GSM模块的底层指令，用来控制GSM模块进行无线通信。GSM的AT指令集，是由NOKIA、MOTOROLA、ERICSSON和HP等厂家共同为GSM系统研制的。AT命令包括一般命令、呼叫控制命令、网络业务命令、安全性命令、电话本命令、短消息（SMS）命令、补充业务命令、数据命令、传真命令和串口命令。本设计主要用到GSM的短信发送功能，涉及的主要AT指令见表1所示。
　　一条完整的报警短信发送的AT指令流程为：
　　控制单元：AT＼r // “＼r” 代表ASCII字符中的回车字符，值为0x0D，下同。
　　GSM返回：＼r＼nOK＼r＼n//“＼n” 代表ASCII字符中的换行符，值为0x0A，下同。
　　控制单元：AT+CMGF=0＼r//设置为PDU模式。
　　GSM返回：＼r＼nOK＼r＼n
　　控制单元：AT+CMGS=019//发送一条长度为19的短信，长度计算见PDU编码过程。
　　GSM返回：＼r＼n >＼r＼n
　　控制单元：0891683118325476F811000D91683176563412F0000800048B6662A5//向目标手机（13676543210）发送“警报”的报警信息（本地SIM卡号码为13812345678）的PDU编码，该编码必须以“ctrl_z”结束，值为0x1A。　5 PDU编码过程
　　目前，GSM短信编码常用Text和PDU两种模式。Text模式代码简单，但不支持中文短信；PDU模式不仅能发送英文短信，也能发送中文短信，因而应用广泛。PDU模式收发中文短信时，采用的是UCS2编码发送Unicode字符。一般的PDU编码由SMSC地址、基本参数、消息类型、目标地址、协议鉴别符、信息编码方式、有效期、用户信息长度和用户信息九项组成。下面以前面所述向目标手机（13676543210）发送“警报”的报警信息（本地SIM卡号码为13812345678）为例，说明PDU编码过程：
　　SMSC地址：08（地址信息长度，共8个字节数，含91和F），91（TON/NPI国际格式，“+”），683118325476F8（短信中心号码，由8613812345678每两位取反得到，最后若为奇数位，则补F后取反）
　　基本参数TP-MTI/VFP：11（TP-VP用相对格式）
　　消息类型TP-MR：00（00表示为短消息）
　　目标地址：0D（目标地址信息长度，共13个十进制数，这点与SMSC地址信息长度定义不同，且不含91和F），91（TON/NPI国际格式，“+”）683176563412F0（短信中心号码，由8613676543210每两位取反得到，最后若为奇数位，则补F后取反）
　　协议鉴别符TP-PID：00（普通GSM点到点类）
　　信息编码方式TP-DCS：08（UCS2）
　　有效期TP-VP：00（5分钟）
　　用户信息长度TP-UDL：04（4个字节）
　　用户信息TP-UD：8B6662A5（“警报”的 Unicode码）
　　前面所述“AT+CMGS=019”指令中，短信长度19。
　　6 结束语
　　本文基于AT89C2051单片机和TC35i模块构建了基于GSM的远程红外报警系统，系统构成简单，实现容易，可广泛应用于家庭、小区、工厂、商场、酒楼、汽车等领域防盗报警及危险警戒区安全报警。
　　
　　韩斌杰，杜新颜，等.GSM原理及其网络优化（第2版）.北京：机械工业出版社.2009.
　　于园园.基于GSM的远程家居智能控制研究.长春：长春理工大学.2009.
　　35i Celluar Engine Hardware Interface s Version00.03.

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