一種防解密和軟解碼的GSM報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

摘 要：針對(duì)家用報(bào)警器的GSM模塊存在硬件成本高、頻段少只能?chē)?guó)內(nèi)使用、無(wú)低壓報(bào)警等的缺陷，同時(shí)因?yàn)槌绦蚰嫦蚪饷艿葐?wèn)題導(dǎo)致市場(chǎng)上GSM報(bào)警器同質(zhì)化嚴(yán)重的缺點(diǎn)。本文闡述的GSM報(bào)警器實(shí)現(xiàn)了電池電壓監(jiān)測(cè)與低壓報(bào)警，軟件防逆向解密，軟件RF解碼，RF同頻防干擾功能，遠(yuǎn)程語(yǔ)音對(duì)講和錄音功能等功能，并且可在全球各個(gè)國(guó)家使用。

關(guān)鍵詞：GSM報(bào)警器；防逆向解密；軟件RF解碼；低壓報(bào)警；全頻段

*基金項(xiàng)目：廣東省普通高校特色創(chuàng)新類(lèi)項(xiàng)目（自然科學(xué)）（2018GKTSCX056）；

廣東普通高校重點(diǎn)項(xiàng)目（自然科學(xué)）（2019GZDXM014）；

珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年科研項(xiàng)目（KY2021Y01Z）；

2020年教育部高等學(xué)校項(xiàng)目（2020ITA03008）；

2022年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專(zhuān)項(xiàng)資金（pdjh2022b0992）；

2021年校級(jí)質(zhì)量工程師資項(xiàng)目（ZLJS2020120622，ZLJS2020120623，ZLJS2020120624）

0 引言

報(bào)警器目前已經(jīng)進(jìn)入了很多家庭中，為防護(hù)家人的生命和財(cái)產(chǎn)安全起到了重要的作用。GSM 報(bào)警器具有不用布線，可以在出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)給用戶(hù)發(fā)短信和打電話等優(yōu)勢(shì)，因此得到了普遍應(yīng)用。為了降低 GSM 報(bào)警器的生產(chǎn)成本，各個(gè)廠家在設(shè)計(jì)報(bào)警器時(shí)不惜壓縮各種硬件成本，導(dǎo)致硬件功能不全，功能單一且不穩(wěn)定。利用軟件的手段來(lái)彌補(bǔ)硬件上的缺陷，設(shè)計(jì)一款性?xún)r(jià)比高的 GSM 報(bào)警器就非常有必要。

1 報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)

本文闡述的 GSM 報(bào)警器在實(shí)現(xiàn)豐富功能的同時(shí)將硬件成本最低化，該 GSM 報(bào)警器包含了如下的元器件： STC15F2K32S2 單片機(jī)、四頻的 GSM 模塊 SIM840W、DS1302 時(shí)鐘芯片、LM2576 穩(wěn)壓芯片、AMS1117 芯片、 74HC595 端口擴(kuò)展芯片、HT9170 的 DTMF 芯片、數(shù)碼管、語(yǔ)音芯片、10 秒錄音芯片、繼電器、麥克風(fēng)、喇叭、電池、數(shù)碼管。配合矩陣鍵盤(pán)、外殼、電池電壓檢測(cè)電路等阻容電路，構(gòu)成了 GSM 報(bào)警器的完成產(chǎn)品 ^[1-3]。

圖1 硬件框架圖

其中，單片機(jī)分別與 GSM 模塊、蜂鳴器、繼電器、數(shù)碼管、語(yǔ)音芯片、DS1302 時(shí)鐘芯片、LM2576 穩(wěn)壓芯片、數(shù)碼 管、電池、74HC595 端口擴(kuò)展芯片、HT9170 的 DTMF 芯片、10 s 錄音芯片、矩陣鍵盤(pán)的相應(yīng)管腳連接，GSM 模塊分別與麥克風(fēng)，喇叭、天線相連，整體電路圖見(jiàn)圖 2。

1.1 單片機(jī)STC15F2K60S2

圖2 STC15F2K60S2的單片機(jī)

該 GSM 報(bào)警器采用了 STC15F2K60S2 的單片機(jī)，具有低成本和低功耗的特點(diǎn)，其內(nèi)置的 EEPROM 可保存加密和防區(qū)等信息，8 通道 10 位高速 AD 轉(zhuǎn)換器可以用做電池電壓檢測(cè)，2 K 的 SRAM，雙串口，SPI 總線可使報(bào)警器的功能更為豐富，LQFP44 封裝可以節(jié)約 PCB 板的尺寸 ^[4]。

1.2 GSM模塊SIM840W

圖3 GSM模塊SIM840W及外圍電路

該報(bào)警器采用低成本的四頻 GSM 模塊 SIM840W，其工作頻率為 GSM/GPRS 850、900、1 800、1 900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，因?yàn)樵?GSM 模塊的工作頻率較寬，該 GSM 報(bào)警器可以在國(guó)外其他國(guó)家使用 ^[5]。

1.3 音頻電路

IP8 封裝的語(yǔ)音芯片的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后和 GSM 模塊的音頻輸出腳相連，并一起連接到 LM386 的 2、3 管腳，因此語(yǔ)音芯片和 GSM 模塊的音頻信號(hào)可以直接通過(guò) LM386L 進(jìn)行放大 ^[6]。當(dāng)語(yǔ)音芯片工作時(shí)單片機(jī)可控制 GSM 模塊的音頻輸出腳停止工作，同樣 GSM 模塊有音頻輸出時(shí)則單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片停止音頻輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了音頻輸出電路在語(yǔ)音芯片，錄音芯片和 GSM 模塊之間的分時(shí)復(fù)用。

圖4 音頻電路

2 報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)

2.1 防逆向解密

目前電子產(chǎn)品的相互抄襲問(wèn)題嚴(yán)重，不僅局限在硬件抄板領(lǐng)域，還有很多公司開(kāi)展單片機(jī)解密及二進(jìn)制逆向 C 語(yǔ)言的業(yè)務(wù)，這相當(dāng)于竊取了原廠的硬件原理圖與 PCB，以及配 套的源代碼，導(dǎo)致市場(chǎng)上的電子產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重魚(yú)龍混雜，不斷打價(jià)格戰(zhàn)導(dǎo)致產(chǎn)品進(jìn)入無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)。目前針對(duì)硬件抄板問(wèn)題還沒(méi)有特殊有效的方法解決，但硬件原理圖 PCB 與源代碼是配套的，一旦無(wú)法逆向 C 語(yǔ)言獲得源代碼，則通過(guò)抄板獲取硬件原理圖和 PCB 也將沒(méi)有意義 ^[7]。針對(duì)單片機(jī)解密及二進(jìn)制逆向 C 語(yǔ)言的問(wèn)題，在源代碼上有方法進(jìn)行控制。

當(dāng) GSM 報(bào)警器正式啟動(dòng)時(shí)，先進(jìn)行加密計(jì)算，將加密計(jì)算的結(jié)果和單片機(jī)內(nèi)置 EEPROM 某扇區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，如果正確則繼續(xù)執(zhí)行接下來(lái)的程序，如果對(duì)比錯(cuò)誤則進(jìn)入死循環(huán)，程序就會(huì)卡在該位置后無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行，因此在燒寫(xiě)產(chǎn)品的二進(jìn)制程序之前，先將 EEPROM 的某扇區(qū)燒入一些復(fù)雜的字符串，在程序啟動(dòng)時(shí)再進(jìn)行上述的對(duì)比，可防止逆向解密 C 語(yǔ)言源代碼。部分源代碼如下：

這樣雖然可以進(jìn)行單片機(jī)解密及二進(jìn)制逆向 C 語(yǔ)言的工作，但如果和 EEPROM 里面的內(nèi)容不符，解密出的 C 語(yǔ)言程序也無(wú)法正常運(yùn)行。

2.2 RF軟件解碼

RF 信號(hào)一般使用硬件來(lái)編解碼，常用的有 PT2262/ 2272 等芯片，但硬件解碼的 RF 信號(hào)源有數(shù)量限制，同時(shí)提升了產(chǎn)品的成本、功耗和體積。軟件解碼的 RF 信號(hào)源數(shù)量不受限制，因此GSM報(bào)警器通過(guò)軟件RF解碼，可連接的 RF 探頭數(shù)量則不受限制，同時(shí)節(jié)省了硬件的成本、功耗和體積 ^[8]，RF 信號(hào)的脈沖圖如下所示：

圖5 RF信號(hào)脈沖圖

軟件 RF 解碼可以用過(guò)定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，定時(shí)器 0 設(shè)置為 8 位自動(dòng)重裝定時(shí)器，設(shè)置如下：

單片機(jī)的 P5.5 管腳（RF_IN）配置為輸入模式，天線的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后連接到單片機(jī)的 P5.5 管腳（RF_IN）來(lái)讀取 RF 信號(hào)，基本的代碼如下：

在上述代碼中，DEFINED_TIME 是根據(jù)具體的 RF 信號(hào)高或者低電平的時(shí)間來(lái)設(shè)置，不同頻率的 RF 信號(hào) 的高低電平時(shí)間不同。如果在定時(shí)器計(jì)算的一定時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生 RF 信號(hào)的上升沿則退出，如果產(chǎn)生上升沿則會(huì)跳出死循環(huán)繼續(xù)計(jì)算高低電平的時(shí)間，由此來(lái)識(shí)別不同的 RF 信號(hào)。一般 RF 信號(hào)通過(guò)該程序處理可以 表示為 16 位的 RF 碼，因此該 GSM 報(bào)警器可以通過(guò)軟件解碼方式連接最多 65 536 個(gè) RF 探頭，對(duì)比硬件解碼的優(yōu)勢(shì)明顯。

2.3 電池低壓報(bào)警

GSM 報(bào)警器接通電源后，通過(guò) LM2576S 芯片穩(wěn)壓，其輸入端通過(guò)分壓電阻連接到電池上 ^[9]，同時(shí)也連接到了單片機(jī)的 P1.4 端口（ADC4），因此單片機(jī)通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換來(lái)讀取電池的電量。

ADC 中斷中，變量nodcpower 值的變化代表直流電源不同的狀態(tài)，結(jié)合讀取到的電池電壓值來(lái)判斷是否是需要低壓報(bào)警 ^[10-11]。如果沒(méi)有直流電源同時(shí)電池電壓 AD 轉(zhuǎn)換值小于 750，則需要低壓報(bào)警，通過(guò) 10 s 循環(huán)的語(yǔ)音播報(bào)和發(fā)送短信給用戶(hù)，提醒用戶(hù)充電 ^[12]。如果在低壓報(bào)警時(shí)插上了直流電源，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)和發(fā)送短信給用戶(hù)，告知用戶(hù)正在充電中。

3 原理圖、PCB和產(chǎn)品實(shí)物圖

通過(guò)軟硬件的協(xié)同開(kāi)發(fā)，已設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出 GSM 報(bào)警器，以下是本產(chǎn)品的電路圖，PCB 圖和產(chǎn)品圖。

圖6 電路原理圖

圖7 PCB圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該 GSM 報(bào)警器在設(shè)計(jì)出豐富功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)出了較低的硬件成本、功耗和體積，憑著穩(wěn)定的品質(zhì)和較高的性?xún)r(jià)比，已經(jīng)累積在國(guó)內(nèi)外銷(xiāo)售過(guò)萬(wàn)，作為安防產(chǎn)業(yè)的一部分，GSM 報(bào)警器在保護(hù)國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)全方面將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)