基于GSM的家用電器及家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

　　目前的家用電器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)一般是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或公共交換電話網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的。然而， 隨著手機(jī)日益普及， 使得利用GSM 短信息實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境和家電的遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能。它相對(duì)于電話遠(yuǎn)程控制方式而言， 擺脫了電話線對(duì)設(shè)備的束縛； 相對(duì)于電腦遠(yuǎn)程控制而言， 降低了設(shè)備和使用成本。

　　利用GSM 網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)家居安防、溫室、路燈、自動(dòng)售貨機(jī)等監(jiān)控的研究已很多，這些研究大都是通過(guò)使用GSM 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制繼電器而實(shí)現(xiàn)的。而本文設(shè)計(jì)的基于GSM 的家用電器及家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要是針對(duì)目前許多帶有紅外遙控器的家用電器（ 如熱水器、空調(diào)、電視、機(jī)頂盒等） , 通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò)和對(duì)家用電器遙控器的復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)家用電器的控制。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　基于GSM 的家用電器及家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)， 由作為上位機(jī)的能收發(fā)短信的GSM 短信模塊、智能控制器（ 單片機(jī)） 、溫度傳感器和作為下位機(jī)的具有紅外遙控器的家用電器（ 如熱水器、空調(diào)、電視、機(jī)頂盒等）組成。

　　首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化， 單片機(jī)從鍵盤(pán)讀入用戶所設(shè)定的溫度上限值和發(fā)送報(bào)警短信的目標(biāo)號(hào)碼， 并通過(guò)LCD 顯示器顯示出來(lái)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到用戶按下紅外學(xué)習(xí)鍵， 則進(jìn)入紅外線學(xué)習(xí)中斷服務(wù)程序， 讀取外部家電遙控器發(fā)射的紅外信號(hào)， 并將該紅外信號(hào)解碼， 重定義碼長(zhǎng)， 分組， 保存， 從而學(xué)習(xí)該遙控器[ 728] .

　　初始化工作完成后， 單片機(jī)循環(huán)讀取溫度傳感器DS1820 數(shù)值， 并將用戶事先設(shè)定的溫度上限值與之比較， 一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)前溫度超過(guò)溫度上限， 則控制GSM 模塊TC35i 通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò)向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。

　　同時(shí)， 單片機(jī)循環(huán)查詢串口是否收到信息， 如果收到就將信息讀入單片機(jī)， 解析出短信中的內(nèi)容是要求單片機(jī)向家用電器發(fā)送何種指令， 并將代表該指令的紅外信號(hào)通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去， 從而控制家用電器。該系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)方框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　基于GSM 的家用電器及家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要以AT 89S52 單片機(jī)為智能控制中心， 4 @4 鍵盤(pán)和1602LCD 顯示器作為人機(jī)交互設(shè)備， GSM 通信模塊選用TC35i, DS1820 溫度傳感器用于溫度采集； 通過(guò)HS0038B 紅外接收頭接收紅外信號(hào)， 完成紅外信號(hào)的解調(diào)與放大； 同時(shí)， 利用AT89S52 單片機(jī)P1. 0 口的方波發(fā)生器功能構(gòu)成了紅外信號(hào)的調(diào)制裝置， 并使用紅外LED 作為紅外發(fā)射裝置。

　　2. 1 GSM 模塊與單片機(jī)的連接

　　GSM 模塊TC35i 是3. 3 V CMOS 元器件， 要求對(duì)電源的啟動(dòng)電流超過(guò)2 A, 啟動(dòng)電壓達(dá)到4. 2 V.因此， 采用最大能提供3 A 電流的電源芯片LM2596.TC35i 的1~ 5 腳接LM2596 的電源輸出管腳， 6~ 10 腳接地， 25~ 27 腳與SIM 卡相連接。為了能顯示TC35i 的工作狀態(tài)， 在32 腳接一個(gè)LED 指示燈到地。

　　TC35i 啟動(dòng)之后就可以通過(guò)單片機(jī)由串口發(fā)送數(shù)據(jù)和命令到TC35i, TC35i 的波特率是自適應(yīng)的， 這里采用9600 的波特率， 只要將TC35i 的RXD 和TXD 分別和單片機(jī)的TXD 和RXD 相連接就可以了。電路圖見(jiàn)圖2.

圖2 TC35i 與單片機(jī)的連接

2. 2 紅外接收頭與單片機(jī)的連接

　　紅外接收頭HS0038B 是一個(gè)集成解調(diào)、濾波、放大等功能的紅外接收芯片， 它將調(diào)制在38 kHz 方波上的紅外信號(hào)解調(diào)出來(lái)， 并通過(guò)OUT 管腳將方波輸出。HS0038B平時(shí)輸出高電平， 當(dāng)有遙控信號(hào)輸入時(shí)， 其輸出為高低電平脈沖， 故接收時(shí)一個(gè)碼由一個(gè)低電平后跟一個(gè)高電平構(gòu)成。利用不同長(zhǎng)短高低電平的組合， 可構(gòu)成不同的碼。在本系統(tǒng)中將使用中斷的方式讀取紅外信號(hào)， 因此將HS0038B 的OUT 管腳與單片機(jī)的外中斷0 相連接。HS0038B與單片機(jī)的連接見(jiàn)圖3。

圖3 紅外接收頭H S0038B 與單片機(jī)的連接3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　TC35i 可以發(fā)送中文短信或英文短信， 本系統(tǒng)使用中文短信格式即PDU 格式。先將短信的相關(guān)信息做到一個(gè)PDU 數(shù)據(jù)包里， 該包的開(kāi)頭是短信中心號(hào)碼。其后的是目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼， 該號(hào)碼是將實(shí)際電話號(hào)碼相鄰的奇數(shù)位與偶數(shù)位對(duì)調(diào)最后加F 得到。如原手機(jī)號(hào)碼為12345678901, 按上述方法得到2143658709F1。

　　然后是該號(hào)碼的長(zhǎng)度0D, 中國(guó)國(guó)家接入碼91, 譯碼方式00, 編碼方式08, 再往后是短信在信息中心保留時(shí)間， 一般選擇保存10 天， 即A0.最后分別是短信內(nèi)容長(zhǎng)度和短信內(nèi)容。如要發(fā)送/ 火警0, 則短信長(zhǎng)度為4 個(gè)16 進(jìn)制為04, / 火警0經(jīng)過(guò)unicode 碼轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換得到16 進(jìn)制數(shù)據(jù)為706B 8B66.

　　這樣整個(gè)PDU 數(shù)據(jù)包的內(nèi)容就是：0011000D91682143658709F130008A004706B8B66.

　　單片機(jī)對(duì)TC35i 所有的控制都是通過(guò)串口發(fā)送AT 指令進(jìn)行的， TC35i 的每一個(gè)動(dòng)作都對(duì)應(yīng)了一個(gè)AT 指令， 而且每一個(gè)指令之后都要有一個(gè)回車(chē)符以告訴TC35i 該條命令已經(jīng)發(fā)完。一些常用的AT 指令如表1。

表1 常用AT 指令表

當(dāng)UDP 數(shù)據(jù)包打好后， 要對(duì)TC35i 進(jìn)行聯(lián)機(jī)并通過(guò)TC35i 發(fā)送短信。首先通過(guò)串口發(fā)送代表聯(lián)機(jī)的指令A(yù)T , 然后設(shè)定TC35i 發(fā)送UDP 格式的短信， 其次將該P(yáng)DU 數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度發(fā)給TC35i, 接著將做好的PDU 發(fā)送給TC35i, 最后在后面加上ctrl+ z 的ASC 碼0x1A 和回車(chē)的ASC 碼0x0D.這樣一條中文短信就發(fā)送出去了， 發(fā)送短信程序流程見(jiàn)圖4。

圖4 發(fā)送短信流程圖

　　紅外線遙控器所發(fā)射的紅外信號(hào)的信息是以不同時(shí)長(zhǎng)的高低電平來(lái)表示的。以NEC 編碼為例， 從9 ms 高電平開(kāi)始， 以4. 5 ms低電平結(jié)束的是前導(dǎo)碼； 從0. 56 ms 高電平開(kāi)始， 以0. 56 ms 低電平結(jié)束的是0 碼；從0. 56 ms 高電平開(kāi)始， 以1. 69 ms 低電平結(jié)束的是1 碼。而由于HS0038 紅外接收頭接收紅外信號(hào)之后將把紅外信號(hào)取反， 因此高低電平延遲時(shí)間正好相反。所以一旦紅外接收頭的輸出信號(hào)引發(fā)外中斷， 延時(shí)9 ms 之后如果單片機(jī)從輸入腳讀到低電平則說(shuō)明這是引導(dǎo)碼， 系統(tǒng)需要啟動(dòng)紅外碼采集程序： 先延時(shí)4. 5 ms 放掉引導(dǎo)碼的低電平， 再延時(shí)0. 56 ms, 放掉第一個(gè)碼的低電平部分， 最后延時(shí)0. 8 ms, 讀輸入管腳的電壓， 如果為低， 則說(shuō)明該信號(hào)為0 碼， 將其保存， 并使累加器加一， 如果為高， 則說(shuō)明該信號(hào)為1 碼， 將其保存， 并把累加器加一。依次類(lèi)推循環(huán)32 次后就是整個(gè)紅外信號(hào)的編碼。

　　根據(jù)上述思路， 開(kāi)啟1 中斷， 并設(shè)置其為下降沿觸發(fā)， 同時(shí)開(kāi)啟T0 定時(shí)計(jì)數(shù)器， 并設(shè)置其為16 位重裝計(jì)時(shí)器。一旦紅外接收頭收到紅外信號(hào)就會(huì)引起單片機(jī)的1 號(hào)中斷， 隨即進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，在中斷服務(wù)子程序中關(guān)閉計(jì)數(shù)器并將計(jì)數(shù)器中的數(shù)值記錄下來(lái)； 然后， 判斷該數(shù)值是否在0 碼、1 碼或前導(dǎo)碼的時(shí)間范圍內(nèi)， 如果是， 則將該數(shù)值記入存儲(chǔ)區(qū)。以此類(lèi)推， 當(dāng)記錄完32 個(gè)碼后， 所有紅外信息已經(jīng)記錄完畢。程序流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 紅外解碼流程圖

　　紅外遙控信號(hào)的發(fā)射需要將代表紅外信號(hào)的高低電平調(diào)制在一個(gè)38 kHz 的方波上通過(guò)紅外LED 發(fā)射出去， 因此一方面通過(guò)編程單片機(jī)T2 定時(shí)器的T2MOD 和T 2CON 兩個(gè)寄存器， 使T 2 工作在可編程方波發(fā)生器模式下， 在P1. 0 口輸出38 kHz 的方波， 另一方面依據(jù)NEC 編碼的格式通過(guò)延時(shí)程序在P1. 4 口產(chǎn)生代表紅外信號(hào)的不同時(shí)長(zhǎng)的高低電平。兩個(gè)IO 口輸出的信號(hào)在與門(mén)上相與就將紅外遙控信號(hào)調(diào)制在了38 kH z 的方波上。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　GSM 作為公用陸地移動(dòng)通信網(wǎng)， 具有其他通信方式所不可比擬的優(yōu)越性， 它通信范圍廣、傳輸數(shù)據(jù)可靠性高、短消息業(yè)務(wù)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠， 是遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)比較好的一種數(shù)據(jù)傳輸方式?；贕SM 的家用電器及家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)， 充分利用了現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)和相關(guān)的成熟技術(shù)， 由單片機(jī)、GSM 模塊TC35i、紅外接收裝置和溫度傳感器等構(gòu)成的移動(dòng)終端， 可以很好地完成短信息的收發(fā)， 適合遠(yuǎn)程控制帶有紅外遙控器的家用電器， 并可及時(shí)報(bào)告家中的火警信息。實(shí)驗(yàn)證明， 本系統(tǒng)可以成功地對(duì)華為C3100 機(jī)頂盒、科龍KFR226GW/ ND1 空調(diào)、及長(zhǎng)虹CHD29300 電視機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。隨著手機(jī)的普及， 本系統(tǒng)具有較好的推廣前景和實(shí)用價(jià)值。