基于GSM網(wǎng)絡(luò)的家用無線機械手

山東科技大學(xué) 劉國洋 李 楠

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基于GSM網(wǎng)絡(luò)的家用無線機械手

山東科技大學(xué) 劉國洋 李 楠

【摘要】為更好更便捷地體驗智能家居，本文設(shè)計了一款基于GSM網(wǎng)絡(luò)的家用無線機械手，闡述了系統(tǒng)各模塊協(xié)調(diào)工作的原理。該設(shè)計從市場需求出發(fā)，實現(xiàn)了現(xiàn)有智能家居的一般功能。

【關(guān)鍵詞】智能家居；STC12C5A60S2單片機；西門子TC35I模塊；HC-05藍(lán)牙模塊

0 引言

眾所周知，智能家具的概念在慢慢深入人心，市面上出現(xiàn)了很多成套的智能家具產(chǎn)品，，人們出差在外控制和監(jiān)視家里的東西也有了很多種用成套智能家具控制的方案，但這些智能家具產(chǎn)品非?！肮潭ā?，必須成套購買相應(yīng)產(chǎn)品才能有良好的用戶體驗。現(xiàn)在智能家居市場普及程度并不高，所以現(xiàn)在市場缺少一種過渡產(chǎn)品來讓更多的人了解和體驗智能家居，這就是我們這個產(chǎn)品設(shè)計的初衷。本產(chǎn)品努力做到讓用戶在盡可能少的改變現(xiàn)有家具的基礎(chǔ)上最大程度地體驗智能家居帶給我們的便捷。

1 總體設(shè)計

這是一種可擴(kuò)展的智能家居系統(tǒng)，由一個在室內(nèi)放置的可移動的GSM發(fā)射接收控制臺和多個機械手構(gòu)成，每個機械手都可以“學(xué)習(xí)”和“記憶”指定的動作，我們可以把這些機械手固定在家中各種地方，比如開關(guān)旁，按鈕旁，甚至房門旁等等，對于每個機械手我們都可以“教”給它一定的動作，一旦收到指令后它能像示教器一樣把動作原樣再做一遍。比如我們可以“教”給機械手一個按下開關(guān)的動作，當(dāng)它一旦受到相應(yīng)指令后它就會按下這個開關(guān)。本設(shè)計控制和信息處理部分主要使用STC12C5A60S2單片機，此單片機的特點是有8路10位AD、EEPROM、4個定時器、兩個串口、SPI接口，還有WATCH_DOG防止程序跑飛。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 機械手工作框圖

2 硬件設(shè)計

機械手部分的主要零部件有：STC12C5A60S2單片機、旋鈕式電位器、MG996舵機及舵機架、HC-05藍(lán)牙接受模塊、9V電源。每個舵機的一端都和一個旋鈕式電位器相連，當(dāng)按下“設(shè)置”按鈕的時候，我們可以用手給機械手做一遍動作，AD轉(zhuǎn)換開始，AD轉(zhuǎn)換器將從電位器輸出的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由單片機用一定頻率（本設(shè)計的頻率是10HZ）將每個舵機轉(zhuǎn)的角度和時間均轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后用指定格式編碼并保存。STC12C5A60S2單片機用來記錄、分析和存儲每個舵機轉(zhuǎn)過的角度和時間到內(nèi)置存儲器EEPROM中。當(dāng)機械手接受到來自主控臺的指令后讀取內(nèi)置存儲器EEPROM中數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)實現(xiàn)控制各個舵機實現(xiàn)動作的再現(xiàn)。為了實現(xiàn)機械手的長時間待機我們也采用了9V大容量電池，通過降壓板為模塊組供電。目前測試的是使用兩個自由度、兩個MG996舵機的機械手，后續(xù)可以設(shè)計和添加更多自由度，功能更多的機械手。

機械手工作框圖如圖2所示。

主控臺主要起到消息的接收匯總和發(fā)出的作用。主控臺的主要部件有：TC35I模塊（GSM模塊），STC12C5A60S2單片機，HC-05藍(lán)牙模塊、5V電源。在目前中國的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍是最廣的，所以用GSM做控制臺可以做到只要手機有信號就能控制家里的機械手。TC35I模塊具有體積小，重量輕，低功耗，操作簡便，功能強大，非常適合在本設(shè)計中使用。GSM模塊硬件設(shè)計框圖如圖4所示。在主控部分的發(fā)射模塊使用HC-05藍(lán)牙模塊，同時在各個機械手上也用HC-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行接收。使用藍(lán)牙連接的好處是保證了產(chǎn)品的可擴(kuò)展性、抗干擾性和保密性，同時在家里用手機也可以通過連接指定的機械手來實現(xiàn)控制。

主控臺工作流程圖如圖3所示。

圖3 主控臺工作流程圖

圖4

3 軟件部分

本系統(tǒng)控制部分主要在GSM模塊、藍(lán)牙模塊和舵機模塊的控制上。

GSM模塊采用西門子的TC35I模塊，它支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集和部分

擴(kuò)展AT指令集。對于短信接收方面我們采用了直接接收方式，即將AT+CMI參數(shù)設(shè)置為AT+CNMI=1，2，0，0，1或AT+CNMI=2，2，0，0，1，當(dāng)主控臺接收到來自手機發(fā)送的指定命令后直接將信息通過串口發(fā)送至MSP430，使其產(chǎn)生串行中斷來捕獲和處理指定消息。對于短信發(fā)送方面我們用文本方式通過串口發(fā)送AT+CMGS和指定手機號碼到模塊上，模塊會發(fā)出指定短信。

藍(lán)牙模塊采用BMX-03A模塊，它也支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集，同時支持一對多和多對多的多機通訊。初始化時將主控臺的藍(lán)牙模塊通過設(shè)置AT+ROLE=1設(shè)置為主機，而各個舵機的藍(lán)牙模塊都為從機。經(jīng)測試在一般家庭中都能實現(xiàn)正常的收發(fā)。

舵機模塊采用MG995舵機，它的原理是通過控制固定周期不同占空比的矩形波來控制舵機轉(zhuǎn)過的角度。要執(zhí)行的動作數(shù)據(jù)存放在EEPROM中，當(dāng)接收到指令時通過IIC協(xié)議讀取芯片中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對舵機轉(zhuǎn)過角度和運行時間的控制，這在MSP430單片機上用一個定時器即可完成。

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)成本高昂、可擴(kuò)展性差等缺點，研究設(shè)計了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的家用無線機械手。此系統(tǒng)各個模塊分工明確，可擴(kuò)展性強，可以作為智能家居的替代產(chǎn)品和過渡產(chǎn)品來使用。本系統(tǒng)通過GSM模塊接受信號，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制；室內(nèi)主控臺通過低功耗藍(lán)牙模塊與各個機械手建立連接，增強了可擴(kuò)展性和保密性；各個機械手都用可以根據(jù)人的動作來存儲動作數(shù)據(jù)，增強了機械手的易用性和靈活性。與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)還具有價格便宜、節(jié)能、功能強大等優(yōu)點，因此有廣闊的市場空間。

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劉國洋（1995—），男，山東青島人，大學(xué)本科，主要研究方向為測控技術(shù)與儀器。

李楠（1996—），女，山西臨汾人，大學(xué)本科，主要研究方向為測控技術(shù)與儀器。

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