基于GSM的防盗密码锁系统设计与实现

摘  要： 论述一种基于GSM的防盗报警密码锁系统，具有设置密码、修改密码、管理员权限设置、设置键盘锁定时间等功能，并采用红外装置监测是否正常开门。当用户输入密码错误次数超过规定值或监测到非正常开门时，蜂鸣器报警，同时以手机短消息SMS的形式通过GSM网络给用户发送报警信息。经测试，系统使用方便、安全可靠。
关键词： 密码锁；红外监测；GSM
   　电子密码锁种类繁多，如指纹型[1]、红外遥控[2]、无线射频RFID[3]和GPS等。指纹密码锁是以人体指纹为识别载体和手段的智能锁具，其唯一性和不可复制性决定了其为最安全的锁种，但其价格昂贵、难以普及。红外遥控采用红外传输技术，只需在不远处手执遥控器，输入正确密码即可自动开锁，不易被人偷窥，使用方便、安全。但锁若被撬开时难以有效通知用户，缺乏远程报警功能。
     为提高密码锁的防盗功能，本文设计了一种基于AVR32单片机的防盗报警密码锁，除具有设置密码、修改密码、设置键盘锁定时间、管理员权限设置等功能外，还具有红外监测是否正常开门的功能。当非法开门和输入密码错误超过3次时，蜂蜜器报警并通过短信的形式发送给指定的用户进行报警，从而达到了远程监控的目的。
1 系统功能及架构
     系统功能：当锁关闭时，启动红外监视模块以监测是否出现非正常开门的情况。用户输入密码，按下“确认”键后，将其与设定密码进行比较，若一致则开锁，同时关闭红外监视装置；若不一致，则提示重新输入密码，重新输入的次数不能超过3次，若3次输入的密码均不正确则锁定键盘，发出声光报警，并通过GSM模块发送短信给指定的用户进行报警。在开锁状态下，用户可修改密码和设置键盘锁定时间。另外，当发生破门而入等非正常开锁的情况时，门被打开挡住了信号、红外接收器接收不到信号时，同样会发出报警信息。
     系统由AVR32单片机、键盘电路、红外发射和接收电路、液晶显示、声光报警和GSM电路组成。其中键盘作为输入设备，用于用户输入和修改密码；液晶显示器LCD给出相应的提示信息；红外发射和接收电路分别放置在门两侧，由单片机发射38 kHz的方波信号，输送给红外发射电路。若接收器接收到该信号，则表明门处于关闭状态；若接收不到，则表明门已被打开。报警模块包括蜂鸣器报警和远程报警，远程报警采用GSM模块以短消息的方式向用户发送报警信息。系统框图如图1所示。
   
   2 硬件设计
2.1 键盘电路
     系统以AVR32单片机作为主控器，用于对按键等进行信号处理。选择AVR32单片机的原因主要是：(1)低功耗，ATMEG-A32运行电压范围在2.7 V～5.5 V之间，功耗在正常模式下为1.1 mA，空闲模式下为0.35 mA，掉电模式下<1 μA；(2)高速度，采用先进的哈佛结构，具有预取指令功能，数据处理速度快，可达到1 MIPS/MHz的高速运行处理能力；(3)片内Flash存储器有32 KB、2 KB的SRAM，1 024 B的EEPROM；(4)保密性好，具有不可破解的位加密锁Lock bit技术，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密；(5)带有3个外部中断，32个可编程I/O接口，方便外接外围设备以及软件实现[4]。
     选用AVR32单片机4条I/O线作为行线，4条I/O口作为列线设计为矩阵键盘形式，分别连接在PC口。连接在单片机外部中断PD3端口的控制键，通过5.1 k?赘的限流电阻连接在VCC上。当按下该键时，键盘开启，否则处于关闭状态，按键无效，以防止密码锁无人使用时单片机一直对键盘扫描，从而降低能耗。
     16个按键分为功能键和数字健，分别是数字键0~9，确认键E，修改密码键C，重新输入键A，设置键盘锁定时间L，管理员权限G，开启键盘键O。
2.2 无线通信电路
     采用西门子公司生产的TC35i模块，其功能是通过全球移动通信系统GSM网络向手机发送短信[5]。该模块支持Text和PDU格式的短消息SMS，用户可通过AT命令进行呼叫、短信、电话本等方面的控制，具有价格便宜、无需拨号连接和信号覆盖范围广等优点。
     TC35i模块有40个引脚，通过一个连接器ZIF引出。单片机、TC35i模块与SIM卡之间的连接如图2所示。其中TC35I的1～5引脚连接正电压Vcc(推荐值4.2 V)，6～10引脚接地，11和12脚为充电引脚，可以外接锂电池。15脚是启动脚IGT，系统上电后为使TC35i进入工作状态，必须给IGT加一个大于100 ms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1 ms。
   
   


       TC35I采用外接SIM卡模式，其中ZIF连接座上的CCIN（24引脚）用于检测SIM卡是否插好，若连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。SIM卡上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器分别与TC35I的25～29引脚直接相连。
     TC35i模块的数据输入/输出接口是串行异步收发器，符合ITU-RS232接口标准，硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF、CMOS电平，支持标准的AT命令集。其中18脚RxD0、19脚TxD0为TTL的串口通信脚，需要与单片机或者PC通信，与单片机通信连接时，TxD0接TxD，RxD0接RxD。
     TC35i的SYNC（32引脚）有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态，可用AT命令AT+SYNC进行切换，本系统采用指示TC35i的工作状态。当LED熄灭时，表明TC35i处于关闭或睡眠状态；当LED为600 ms亮/600 ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登录；当LED为75 ms亮、3 s熄时，表明TC35i已登录进网络，处于待机状态。
2.3 红外监测电路
     为增强防盗功能，系统在门后的两侧安装了红外监测装置[6]。其中红外发射采用HS5100，通过单片机的PB4口控制三极管开或关，从而产生38 kHz频率的发射信号。红外接收选用HS0038，其只有3个引脚（1Out、2GND、3Vcc），脉冲信号输出Out脚可直接与单片机I/O相连。接收不到红外信号时输出为高电平，反之为低电平。系统采用外部中断接口PB2连接Out输出端。如图3所示。
   
   3 软件设计
3.1 系统设计总流程
     系统上电后，单片机I/O口、LCD、内存缓冲器初始化，同时打开定时器和外部中断。当O键被按下时，开始扫描键盘，输入密码，期间可进行重新输入操作，直至按下确认键E后，将其与EPROM内保存的密码比较，若一致则开门，而后可修改密码、设置允许输错次数和设置键盘锁定时间等操作；否则蜂鸣器响并在LCD上显示提示信息“密码错误，请重新输入”。当输错密码的次数超过3次时，蜂蜜器报警并发送手机短消息给指定用户报警，并锁定键盘。为提高安全性，锁定键盘后，必须启用管理员权限才可以开锁。此外，若在5 s内没有按键操作时就自动关闭键盘。
     系统软件运行在AVR单片机上，包括主控制模块、键盘扫描模块、密码比较判断、修改密码、报警模块等。采用C语言作为编程语言，总流程框图如图4所示。
   
   3.2 键盘处理设计
     键盘处理模块包括密码输入、修改密码、重新输入和管理员权限。输入密码采用循环扫描的方式确定按键值，将值存储起来，输入完毕按下确认键E后，将其与原来保存的密码进行比较，相等则开锁；否则报警。密码输入子流程如图5所示，期间可重新输入操作。
   
       在开锁状态下，按下修改密码键C，输入密码，按下确认键E后，提示“请再次输入”，当两次输入的密码一样时，该密码替换原来储存的密码值，并提示“密码修改成功”。
     为增加系统的安全性和人性化，设置了管理员权限。当因密码输入错误而致使键盘被锁时，在一定的时间内不允许再输入密码，避免非法侵入，之后只有使用管理员密码才能开锁。
3.3 GSM软件设计
     首先将单片机的串口接收端设置成输入，发送端设置成输出。GSM模块使用前需先激活，首先置PD2端口为高电平(约10 ms)，再置其为低电平(约100 ms)，后再置其为高电平(约10 ms)。延时约10 s等待GSM网络登录，之后发送连机命令，当网络登录成功后设置ATE0(不回显)、波特率、信息中心号码、短信收发模式（此处选用txt文本模式）等，然后发送消息。
     单片机和GSM模块之间用AT[7]指令实现相互之间的通信，通信数据是ASCII码。AT指令集几乎所有的指令都以AT（Attention）开始，如下是主要AT指令的设置程序。
char  TC35_AWAKE[]="AT+SYNC"；
char  TC35_AT[]="AT";//{0x41,0x54,0x0D}；
char  TC35_ATE0[]="ATE0"；//关闭字符回显
char  TC35_IPR[]="AT+IPR=9600"；//设置波特率为9 600
char  TC35_CSCA[]="AT+CSCA="；//短信服务中心地址
char  TC35_CMGF[]="AT+CMGF=1"；//短信格式，1为文本，
//0为PDU
char  TC35_CMGS[]="AT+CMGS="；//发送短消息
char  TC35_CMGR[]="AT+CMGR="；//读短信
char  TC35_CMGD[]="AT+CMGD="；//删除短信息
char  TC35_ATOK[]="OK"；
char  TC35_MSGASK[]=">"；
char  TC35_NOMSG[]="+CMGR：0，，0"；
char  TC35_MSGOK[]="+CMGR："；
char  TC35_SENDOK[]="+CMGS："；
char  TC35_CSCAnumber[]="+8613800773500"；
char  TC35_ERROR[]="ERROR"；
char  TC35_READ[]="REC READ"；
char  TC35_UNREAD[]="REC UNREAD"；
char  TC35_SMSO[]="AT^SMSO"；//正常退出网络并关机
     发送实例：某短消息服务中心向号码为“137377439”的手机发送一条报警信息，内容为“Password lock alARM”。
     首先TC35i初始化和串口缓冲区清零，而后发送短信服务中心地址AT+CSCA=''+8613800138500''，以回车\r（0x0d）结束。等待回应，若设置成功则返回“OK”，否则为“ERROR”。之后发送信息，格式为：AT+CMGS=<手机号码><CR><短信内容><0x0d><0x1A>。即AT+CMGS=''13737743139''，回车结束，等待回应。若设置成功则发送“Password lock alarm”信息，并以0x0d和0x1A结束。若发送成功则返回“OK”，否则为“ERROR”。这样该短消息便成功发送。
     经实验测试，系统除具有普通密码锁的功能外，还增添了管理员权限和红外检测是否非正常开门的功能，并能及时通过手机短信发送报警信息，方便快捷，且不需要支付其他费用，提高了系统的安全性和远程监控能力。
参考文献
[1] 何军.指纹识别技术的研究与应用[D].北京：首都经济贸易大学，2004.
[2] 李芳，高焕芝.红外遥控密码锁的设计与实现[J].微计算机信息，2008，24(2)：253-254.
[3] 李勇.基于RFID与人脸识别技术的智能门禁系统研究与设计[D].重庆：重庆大学，2009.
[4] 丁华成，耿德根.AVR单片机应用设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[5] 孙儒石.GSM数字移动通信工程[M].北京：人民邮电出版社，1998.
[6] 周功明.基于AT89C2051单片机的防盗自动报警电子密码锁系统的设计[J].锦阳师范学院学报，2007，5(26)：112-115.
[7] 赵春云，陈敏.基于GSM短消息的水情遥测终端通信系统设计[J].中国测试技术，2005，31(1)：66-68.