基于GSM的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孫洪琛 邢憶魯

摘 要：智能家居控制系統(tǒng)以家居電器及家電設(shè)備為主要控制對象，利用了自動控制技術(shù)、電子通信技術(shù)將家庭日常生活相關(guān)的設(shè)施進行高效集成，從而構(gòu)建更高效家庭住宅設(shè)施與家庭日常事務(wù)的控制管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)在正常工作時，用戶通過手機發(fā)送指令，指令被GSM模塊接受并將指令傳送給單片機，單片機處理信號發(fā)出控制指令通過繼電器等控制電路的通斷、電動機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)等達到控制家用電器設(shè)備的效果。在結(jié)構(gòu)上采用GSM模塊進行短信收發(fā)，以STC89C52RC單片機系統(tǒng)為控制核心來進行信息的反饋和遠程控制，從而實現(xiàn)遠程報警、遠程控制等功能。

關(guān)鍵詞：GSM模塊；單片機；控制電路

1.引言

目前國內(nèi)外各種類型的智能家居產(chǎn)品越來越多，但其中大部分是基于電話網(wǎng)的安防控制系統(tǒng)，并且只是應(yīng)用于高檔住宅。一般的普通民眾都無法接受其高昂的價格。并且目前國內(nèi)固定電話的用戶正在急劇減少，手機用戶的數(shù)量在飛速增長。所以一種價格低廉且功能齊全的基于GSM模塊的的家居智能控制系統(tǒng)就將應(yīng)運而生。系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：智能照明控制系統(tǒng)，智能電器控制系統(tǒng)，智能遮陽控制系統(tǒng)，節(jié)能控制管理系統(tǒng)，智能家居軟件，智能家居布線系統(tǒng)，智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等部分。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1系統(tǒng)體系架構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。當(dāng)用戶家里發(fā)生火災(zāi)，門窗有變動，溫度低于或高于預(yù)設(shè)溫度時，相應(yīng)的傳感器發(fā)出信號，此時數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并送給單片機控制系統(tǒng)進行計算和分析后，通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳送給GSM模塊將家里即時信息發(fā)送到用戶手機上。同時單片機控制系統(tǒng)將控制啟動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，如打開啟動報警器等。當(dāng)GSM模塊接受到用戶短信指令后，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過串口送給單片機系統(tǒng)分析指令，然后開啟相應(yīng)的家電設(shè)備，實現(xiàn)遠程控制功能。

2.2系統(tǒng)各單元具體設(shè)計方案

2.21控制系統(tǒng)單元硬件設(shè)計方案

控制系統(tǒng)單元主要由STC89C52RC芯片及其復(fù)位和電源電路組成。8位STC89C52RC單片機是STC公式開發(fā)的一款增強型的51單片機芯片。具有運行穩(wěn)定，功耗低，存儲空間大等特點。用戶應(yīng)用程序空間為8KB。具有3個16位定時/計數(shù)器。片上集成512字節(jié)RAM，具有ISP/IAP功能，無需專用編程，可直接通過串口下載用戶程序，數(shù)秒即可完成。節(jié)約購買專用編程器的資金。最主要的是該芯片與51芯片兼容，這就給使用者帶來極大的便利。

2.22傳感器單元硬件設(shè)計方案

本系統(tǒng)傳感器單元包括紅外傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊。

（1）紅外傳感器采用主動紅外探測器。主動紅外探測器由紅外發(fā)射機，紅外接收機和報警控制器組成。紅外發(fā)送端和接收端之間有一道紅外光束，當(dāng)人體穿越此光束時，必將部分或全部遮擋紅外光束，接收端輸出電信號的強度會發(fā)生變化從而啟動報警控制器發(fā)出報警信號，同時發(fā)報警短信信息給用戶。

（2）溫度傳感器采用DS18B20，它是一種可編程溫度傳感器，內(nèi)置E2PROM，有限溫報警功能，最高分辨率12位，檢測溫度為-55—+125℃，在-10——+85℃時精度為±0.5℃。其外觀圖3.2所示。1號引腳接地，2號為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，3號引腳當(dāng)工作在寄生電源時，改為接地。由于DS18B20可由數(shù)據(jù)線本身提供電源，因此與單片機連接需要一根數(shù)據(jù)線和一根地址線。

（3）煙霧傳感器采用MQ-2，它是一種電阻控制型的氣敏器件，其阻值隨被測氣體的濃度（成分）而變化。氣敏器件又是一種“氣—電”傳感器件，它將被測氣體的濃度（成分）信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。響應(yīng)時間≦5s，恢復(fù)時間≦30s。能夠探測的液化氣濃度范圍為300ppm-5000ppm?？蓾M足系統(tǒng)設(shè)計的需求。

（4）A/D轉(zhuǎn)換模塊，主要采用ADC0809芯片，其作用主要是將各傳感器所接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳送給STC89C52RC單片機。0809有8路的模擬輸入端口，22腳是地址鎖存控制，輸入電平為高時，鎖存地址信號。地址線（23-25腳）能決定將哪路的模擬輸入進行A/D轉(zhuǎn)換，6腳為A/D轉(zhuǎn)換的啟動控制，當(dāng)輸入電平由低到高再由高到低后，開始進行A/D轉(zhuǎn)換。7腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制，當(dāng)OE腳為高電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從端口輸出。

2.23GSM模塊方案

本系統(tǒng)設(shè)計使用的GSM模塊是Siemens公司的TC35I。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)提供可靠、快速、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)與設(shè)計，TC35I的組成如圖2.3所示。

TC35I模塊主要由GSM射頻模塊、GSM基帶處理器、閃存、供電模塊、天線接口、ZIF連接器6部分組成。基帶處理器作為TC35I的核心，主要處理GSM終端的數(shù)據(jù)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持HR、FR和EFR語音信道編碼。

2.24 電源模塊方案

本系統(tǒng)采用UPS進行供電，以保證在掉電情況下防盜報警功能依然能正常運行。不間斷電源（UPS）是當(dāng)交流輸入電源（俗稱市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，是負(fù)載供電不受影響的裝置。其基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.4所示。

圖3.4 UPS基本結(jié)構(gòu)框圖

3.系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計

3.1硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路主要包括GSM模塊與STC89C52RC芯片的連接電路和執(zhí)行機構(gòu)電路。

3.11 GSM與單片機硬件連接

如圖4.1所示，單片機與GSM模塊的硬件連接TC35I的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、16位停止位、無校驗位，可以在300-115×103bps的波特率下運行。由于數(shù)據(jù)通信電路中TC35I數(shù)據(jù)接口工作在CMOS電平，而STC89C52RC芯片工作在TTL點電平，所以在STC89C52RC芯片和TC35I之間加入TI公式的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。實現(xiàn)串口通訊的功能。

3.12執(zhí)行機構(gòu)電路

如圖3.2所示，本系統(tǒng)共有八路通過繼電器通斷實現(xiàn)對電器控制的執(zhí)行機構(gòu)電路。單片機管腳通過10K限流電阻與三極管基極相連，當(dāng)相應(yīng)的管腳呈高電平時，相對應(yīng)的三極管導(dǎo)通，信號繼電器線圈也就會通電吸合，從而實現(xiàn)家用電器的開關(guān)。當(dāng)單片機管腳輸出為低電平時，三極管失去導(dǎo)通電壓關(guān)斷，因為繼電器線圈并聯(lián)了一個續(xù)流二極管，所以此時繼電器線圈產(chǎn)生的巨大的感應(yīng)電流會通過續(xù)流二極管與線圈形成通路，最后電能全部在線圈上消耗，從而感應(yīng)電流不會沖向三極管，因此可以保證電路的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.21系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)的軟件部分由C語言編寫，C語言有較好的移植性和可閱讀行。首先對系統(tǒng)進行初始化，初始化包括串行通訊口的初始化，TC35I的初始化以及中斷初始化。然后單片機對是否接受到短信指令和與傳感器連接的I/O進行循環(huán)檢測。當(dāng)GSM接收到短信指令時，通過單片機的分析計算啟動相應(yīng)的電器，同時給用戶發(fā)送操作成功的短消息，然后繼續(xù)對傳感器進行檢測，如果傳感器沒有信號，則又返回繼續(xù)對GSM是否接收到短信指令進行檢測，就這樣循環(huán)檢測。當(dāng)家里溫度過高或發(fā)生險情時，軟件調(diào)用中斷服務(wù)程序，對三個傳感器分別進行判斷，然后進行相應(yīng)的處理并完成對報警信息的發(fā)送。

3.22 AT指令

AT指令是以AT作首，字符結(jié)束的字符串。不論每個指令能不能成功執(zhí)行，都必須有相應(yīng)返回。均采用AT 指令對TC35I進行操作，它包含GSM短信及語音控制。指令的格式“AT+XXXX”，依據(jù)AT指令的GSM07.05標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送與接收中文或中/英文混合的短信息要用PDU 模式，Text模式只支持傳遞數(shù)字及英文信息。本系統(tǒng)要求應(yīng)用Text模式。系統(tǒng)所使用的基本命令為：

（1）短消息的發(fā)送格式（0-PDU，1-文本）設(shè)置AT+CMGF=1；

（2）短消息（短消息內(nèi)容為“OK”）AT+CMGS="15173236799"（用戶電話）>OK^z（^z 表示OK+z）發(fā)送；

（3）設(shè)置本地的中心號碼"AT+CSCA=+8613800732500（湘潭）"；

（4）短信息內(nèi)容讀取AT+CMGR=1；

（5）查詢GSM網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)“AT+CREG？”；

（6）短消息刪除以防止溢出AT+CMGD=1；

4.總結(jié)

本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)是基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以單片機為控制核心，并輔以各種傳感器以實現(xiàn)對家居遠程控制以及智能化安全防范與監(jiān)控。能夠有效的保障人民生命財產(chǎn)安全，并給人們提供更加便捷，安全，時尚，先進的家居生活。