【摘要】介紹了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)的功能、工作原理及實(shí)現(xiàn)。采用PIC單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，對(duì)家居中可能出現(xiàn)的意外情況用各種傳感器進(jìn)行采集，利用GSM模塊的短消息收發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程安防監(jiān)控和家電控制。
【關(guān)鍵詞】GSM；智能家居；單片機(jī)；遠(yuǎn)程控制；短消息
0.引言
隨著生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境舒適與安全程度的要求越來越高，智能家居控制系統(tǒng)正日益成為家居產(chǎn)品中的一個(gè)熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)的智能家居控制產(chǎn)品大部分是基于固定電話網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的，這就要求用戶家庭必須裝接固定電話或者互聯(lián)網(wǎng)，且線路易被破壞。而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以及手機(jī)的日益普及，基于GSM網(wǎng)絡(luò)的低成本無線智能家居控制系統(tǒng)將給廣大普通居民家庭生活方式帶來變革。
本文所介紹的基于GSM的智能家居控制系統(tǒng)采用GSM模塊進(jìn)行短消息收發(fā)，以單片機(jī)為控制核心，進(jìn)行信息反饋和遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程報(bào)警和控制等功能。
1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
該智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由單片機(jī)、GSM短消息模塊、無線接收模塊、各類安防模塊(如溫度傳感器、防盜傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器等)、聲光報(bào)警模塊、電器開關(guān)控制模塊等組成。其工作原理：系統(tǒng)正常工作時(shí)，首先由單片機(jī)采集各安防傳感器模塊數(shù)據(jù)，如有異常(如發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏、被盜等)則在通過本地聲光電報(bào)警模塊發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)的同時(shí)，通過GSM模塊向用戶發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信息。用戶收到報(bào)警信息，可通過回復(fù)相應(yīng)的短消息，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)施的控制來進(jìn)行一定的及時(shí)處理，如切斷家里總電源。在沒有異常情況時(shí)，用戶可以通過發(fā)送短消息來查詢和控制家中電器的狀態(tài)，比如查詢是否忘記關(guān)閉某個(gè)電源，或者回家前提前打開空調(diào)等。
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.系統(tǒng)硬件
2.1單片機(jī)控制模塊
智能控制器是該家居控制系統(tǒng)的核心，這里選用MicroChip公司的PIC 單片機(jī)16F628。該單片機(jī)CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，僅有35條單字節(jié)指令，采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，最高工作速度可達(dá)20MHz，內(nèi)置高精度4MHz振蕩器和3個(gè)定時(shí)器，寬工作電壓范圍(2.0V到5.5V)，低功耗(當(dāng)頻率為1MHz,電壓為2.0V時(shí)，典型值為120uA)，具有較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力(可直接驅(qū)動(dòng)LED)，采用高耐用性內(nèi)存(10萬次寫操作)/EEPROM(100萬次寫操作)，數(shù)據(jù)保持期為40年，價(jià)格低，小體積。特別適用于用量大，檔次中低，價(jià)格敏感的產(chǎn)品。
2.2GSM模塊
GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊，具有發(fā)送SMS短消息，語(yǔ)音通話，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能。開發(fā)人員可使用ARM或者單片機(jī)通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。
GSM模塊的廠家最早主要在國(guó)外，包括西門子、Wavcom、Sagem等；隨著國(guó)內(nèi)的技術(shù)進(jìn)步，國(guó)內(nèi)廠家如華為、Simcom、BenQ等模塊也開始逐漸成熟起來。本系統(tǒng)使用的是高性價(jià)比的Wavecom公司的Q2403A模塊。Q2403A支持EGSM900/GSM1800雙頻段，可以通過SMS、CSD或是GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，以及處理語(yǔ)音通訊。Q2403A結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊，經(jīng)過封裝后的體積只有58.3×32.2×3.9mm，可以方便地嵌入各種系統(tǒng)中進(jìn)行開發(fā)。其它主要性能及參數(shù)如下：直接AT指令控制；輸出功率(EGSM900時(shí)2W, GSM1800時(shí)1W)；輸入電壓 2.8-3.6V；重量 18.5g(包括外殼)；環(huán)境溫度 -30°C—+75°C（工作溫度）/-40°C—+85°C（存放溫度）；CSD狀態(tài)下最大速率9.6kbps；60pin接口，包括電源、3V SIM卡、RS232接口、語(yǔ)音/ MMCX天線接口。
2.3無線接收模塊
本系統(tǒng)中用來接收無線安防傳感器模塊信號(hào)的無線接收模塊選型為超外差無線接收模塊 J05U。它是一款特小體積，超低功耗，高靈敏度和穩(wěn)定性的OOK / ASK超外差接收模塊，工作在315.0MHz~433.92MHz頻段，具有較寬的工作溫度范圍和較寬的電壓范圍(2.1-5.5V，推薦3V或者 5V）。芯片指標(biāo)符合歐洲或北美管理標(biāo)準(zhǔn)。可廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用測(cè)控領(lǐng)域。其它性能或參數(shù)：數(shù)據(jù)速率最高10字節(jié)/秒；接收靈敏度-112dBm (ASK 2 Kb/s)；數(shù)據(jù)接口為DATA串口數(shù)據(jù)；系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間為5mS；天線形式為外接20Cm天線；參考距離為300米(配10mW發(fā)射加天線，PT2262 編碼/2272解碼，開闊地)；模塊尺寸：20X11X6mm（長(zhǎng)X 寬 X厚）。
2.4電器開關(guān)控制
本系統(tǒng)采用MOS場(chǎng)效應(yīng)管輸出高電壓固態(tài)光電繼電器KAQY212SE作為由GSM短消息控制的家用電器多路控制開關(guān)輸出耦合接口器件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出與家用電器電源控制的物理隔絕，實(shí)現(xiàn)弱電信號(hào)對(duì)高電壓、大電流及高功率的電氣設(shè)備的控制。
2.5系統(tǒng)電源
本系統(tǒng)主電源采用鋰離子電池充電器HYM4054，它是一款完整的單節(jié)鋰離子電池用恒定電流/恒定電壓線性充電器，其ThinSOT 封裝與較少的外部元件數(shù)目使得HYM4054為便攜式應(yīng)用的理想選擇。由于系統(tǒng)采用了150mA低噪聲LDO穩(wěn)壓器MIC5205進(jìn)行保護(hù)，因此在使用外接2~12V直流電源對(duì)充電器進(jìn)行充電時(shí)，即使極性接反也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損傷，大大提高了系統(tǒng)的安全性。
2.6安防無線傳感器模塊及聲光電報(bào)警模塊
該系統(tǒng)中所用安防無線傳感器模塊及聲光電報(bào)警模塊可以直接選用目前市場(chǎng)上比較成熟的定型產(chǎn)品，但要注意其工作頻率應(yīng)與無線接收模塊J05U兼容，即315.0MHz。根據(jù)用戶家居的實(shí)際需要，可在無線門磁、紅外探測(cè)器、煤氣探測(cè)器、煙霧探測(cè)器等眾多無線傳感器模塊中隨意選擇和搭配，實(shí)現(xiàn)防盜、防火、防煤氣等功能，構(gòu)成全面的家居安防系統(tǒng)。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要可分為2個(gè)模塊。
3.1無線通信模塊
本模塊主要負(fù)責(zé)短消息的發(fā)送與接收。短消息的收發(fā)是通過向串口發(fā)送AT指令集來實(shí)現(xiàn)的。AT指令集是GSM模塊與嵌入式計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議。根據(jù)AT指令的GSM07.05標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送和接收中文或中/英文混合的短消息必須采用PDU模式，Text模式只支持傳送英文及數(shù)字信息。PDU模式的編解碼過程復(fù)雜，本系統(tǒng)使用Text模式即可滿足系統(tǒng)功能需求。模塊的通訊全部采用AT+XXXX完成。發(fā)送短消息的基本命令如下。
3.1.1設(shè)置短消息發(fā)送格式(0-PDU，1-文本)AT+CMGF=1；
3.1.2發(fā)送短消息(短消息內(nèi)容“hello”)
AT+CMGS=”13645541221”>hello^z(^z表示ctrl+z)；
3.1.3列出所有的短消息
AT+CMGL=“ALL”；
3.1.4讀取短消息內(nèi)容(假設(shè)INDEX=5)
AT+CMGR=5。
3.2監(jiān)測(cè)與控制模塊
本模塊主要完成對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，在滿足條件時(shí)產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中，生成報(bào)警短消息并調(diào)用發(fā)送短消息函數(shù)，將報(bào)警信息發(fā)送給用戶手機(jī)中�？刂颇K根據(jù)接收到的短消息內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)給控制器。
整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)程序流程圖
4.結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)以GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和單片機(jī)控制功能為主，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居環(huán)境及設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗低、功能實(shí)用、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、安全可靠、適用范圍廣等特點(diǎn)，不僅可用于居民住宅，也可以用于對(duì)倉(cāng)庫(kù)、廠房、各類大棚等地方進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。■
【參考文獻(xiàn)】
�。郏保萘痔沓�.基于GSM的遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)[J] .裝備制造技術(shù),2010.5:75-76.
［２］施自華，伍臣周，余晃晶.基于GSM的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].2010.8(27):341-344.
�。郏常萏K江福.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.
［４］盧伯英.PIC單片機(jī)基礎(chǔ)與傳感器應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2010.
【關(guān)鍵詞】GSM；智能家居；單片機(jī)；遠(yuǎn)程控制；短消息
0.引言
隨著生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境舒適與安全程度的要求越來越高，智能家居控制系統(tǒng)正日益成為家居產(chǎn)品中的一個(gè)熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)的智能家居控制產(chǎn)品大部分是基于固定電話網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的，這就要求用戶家庭必須裝接固定電話或者互聯(lián)網(wǎng)，且線路易被破壞。而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以及手機(jī)的日益普及，基于GSM網(wǎng)絡(luò)的低成本無線智能家居控制系統(tǒng)將給廣大普通居民家庭生活方式帶來變革。
本文所介紹的基于GSM的智能家居控制系統(tǒng)采用GSM模塊進(jìn)行短消息收發(fā)，以單片機(jī)為控制核心，進(jìn)行信息反饋和遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程報(bào)警和控制等功能。
1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
該智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由單片機(jī)、GSM短消息模塊、無線接收模塊、各類安防模塊(如溫度傳感器、防盜傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器等)、聲光報(bào)警模塊、電器開關(guān)控制模塊等組成。其工作原理：系統(tǒng)正常工作時(shí)，首先由單片機(jī)采集各安防傳感器模塊數(shù)據(jù)，如有異常(如發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏、被盜等)則在通過本地聲光電報(bào)警模塊發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)的同時(shí)，通過GSM模塊向用戶發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信息。用戶收到報(bào)警信息，可通過回復(fù)相應(yīng)的短消息，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)施的控制來進(jìn)行一定的及時(shí)處理，如切斷家里總電源。在沒有異常情況時(shí)，用戶可以通過發(fā)送短消息來查詢和控制家中電器的狀態(tài)，比如查詢是否忘記關(guān)閉某個(gè)電源，或者回家前提前打開空調(diào)等。
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.系統(tǒng)硬件
2.1單片機(jī)控制模塊
智能控制器是該家居控制系統(tǒng)的核心，這里選用MicroChip公司的PIC 單片機(jī)16F628。該單片機(jī)CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，僅有35條單字節(jié)指令，采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，最高工作速度可達(dá)20MHz，內(nèi)置高精度4MHz振蕩器和3個(gè)定時(shí)器，寬工作電壓范圍(2.0V到5.5V)，低功耗(當(dāng)頻率為1MHz,電壓為2.0V時(shí)，典型值為120uA)，具有較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力(可直接驅(qū)動(dòng)LED)，采用高耐用性內(nèi)存(10萬次寫操作)/EEPROM(100萬次寫操作)，數(shù)據(jù)保持期為40年，價(jià)格低，小體積。特別適用于用量大，檔次中低，價(jià)格敏感的產(chǎn)品。
2.2GSM模塊
GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊，具有發(fā)送SMS短消息，語(yǔ)音通話，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能。開發(fā)人員可使用ARM或者單片機(jī)通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。
GSM模塊的廠家最早主要在國(guó)外，包括西門子、Wavcom、Sagem等；隨著國(guó)內(nèi)的技術(shù)進(jìn)步，國(guó)內(nèi)廠家如華為、Simcom、BenQ等模塊也開始逐漸成熟起來。本系統(tǒng)使用的是高性價(jià)比的Wavecom公司的Q2403A模塊。Q2403A支持EGSM900/GSM1800雙頻段，可以通過SMS、CSD或是GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，以及處理語(yǔ)音通訊。Q2403A結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊，經(jīng)過封裝后的體積只有58.3×32.2×3.9mm，可以方便地嵌入各種系統(tǒng)中進(jìn)行開發(fā)。其它主要性能及參數(shù)如下：直接AT指令控制；輸出功率(EGSM900時(shí)2W, GSM1800時(shí)1W)；輸入電壓 2.8-3.6V；重量 18.5g(包括外殼)；環(huán)境溫度 -30°C—+75°C（工作溫度）/-40°C—+85°C（存放溫度）；CSD狀態(tài)下最大速率9.6kbps；60pin接口，包括電源、3V SIM卡、RS232接口、語(yǔ)音/ MMCX天線接口。
2.3無線接收模塊
本系統(tǒng)中用來接收無線安防傳感器模塊信號(hào)的無線接收模塊選型為超外差無線接收模塊 J05U。它是一款特小體積，超低功耗，高靈敏度和穩(wěn)定性的OOK / ASK超外差接收模塊，工作在315.0MHz~433.92MHz頻段，具有較寬的工作溫度范圍和較寬的電壓范圍(2.1-5.5V，推薦3V或者 5V）。芯片指標(biāo)符合歐洲或北美管理標(biāo)準(zhǔn)。可廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用測(cè)控領(lǐng)域。其它性能或參數(shù)：數(shù)據(jù)速率最高10字節(jié)/秒；接收靈敏度-112dBm (ASK 2 Kb/s)；數(shù)據(jù)接口為DATA串口數(shù)據(jù)；系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間為5mS；天線形式為外接20Cm天線；參考距離為300米(配10mW發(fā)射加天線，PT2262 編碼/2272解碼，開闊地)；模塊尺寸：20X11X6mm（長(zhǎng)X 寬 X厚）。
2.4電器開關(guān)控制
本系統(tǒng)采用MOS場(chǎng)效應(yīng)管輸出高電壓固態(tài)光電繼電器KAQY212SE作為由GSM短消息控制的家用電器多路控制開關(guān)輸出耦合接口器件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出與家用電器電源控制的物理隔絕，實(shí)現(xiàn)弱電信號(hào)對(duì)高電壓、大電流及高功率的電氣設(shè)備的控制。
2.5系統(tǒng)電源
本系統(tǒng)主電源采用鋰離子電池充電器HYM4054，它是一款完整的單節(jié)鋰離子電池用恒定電流/恒定電壓線性充電器，其ThinSOT 封裝與較少的外部元件數(shù)目使得HYM4054為便攜式應(yīng)用的理想選擇。由于系統(tǒng)采用了150mA低噪聲LDO穩(wěn)壓器MIC5205進(jìn)行保護(hù)，因此在使用外接2~12V直流電源對(duì)充電器進(jìn)行充電時(shí)，即使極性接反也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損傷，大大提高了系統(tǒng)的安全性。
2.6安防無線傳感器模塊及聲光電報(bào)警模塊
該系統(tǒng)中所用安防無線傳感器模塊及聲光電報(bào)警模塊可以直接選用目前市場(chǎng)上比較成熟的定型產(chǎn)品，但要注意其工作頻率應(yīng)與無線接收模塊J05U兼容，即315.0MHz。根據(jù)用戶家居的實(shí)際需要，可在無線門磁、紅外探測(cè)器、煤氣探測(cè)器、煙霧探測(cè)器等眾多無線傳感器模塊中隨意選擇和搭配，實(shí)現(xiàn)防盜、防火、防煤氣等功能，構(gòu)成全面的家居安防系統(tǒng)。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要可分為2個(gè)模塊。
3.1無線通信模塊
本模塊主要負(fù)責(zé)短消息的發(fā)送與接收。短消息的收發(fā)是通過向串口發(fā)送AT指令集來實(shí)現(xiàn)的。AT指令集是GSM模塊與嵌入式計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議。根據(jù)AT指令的GSM07.05標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送和接收中文或中/英文混合的短消息必須采用PDU模式，Text模式只支持傳送英文及數(shù)字信息。PDU模式的編解碼過程復(fù)雜，本系統(tǒng)使用Text模式即可滿足系統(tǒng)功能需求。模塊的通訊全部采用AT+XXXX完成。發(fā)送短消息的基本命令如下。
3.1.1設(shè)置短消息發(fā)送格式(0-PDU，1-文本)AT+CMGF=1；
3.1.2發(fā)送短消息(短消息內(nèi)容“hello”)
AT+CMGS=”13645541221”>hello^z(^z表示ctrl+z)；
3.1.3列出所有的短消息
AT+CMGL=“ALL”；
3.1.4讀取短消息內(nèi)容(假設(shè)INDEX=5)
AT+CMGR=5。
3.2監(jiān)測(cè)與控制模塊
本模塊主要完成對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，在滿足條件時(shí)產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中，生成報(bào)警短消息并調(diào)用發(fā)送短消息函數(shù)，將報(bào)警信息發(fā)送給用戶手機(jī)中�？刂颇K根據(jù)接收到的短消息內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)給控制器。
整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)程序流程圖
4.結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)以GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和單片機(jī)控制功能為主，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居環(huán)境及設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗低、功能實(shí)用、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、安全可靠、適用范圍廣等特點(diǎn)，不僅可用于居民住宅，也可以用于對(duì)倉(cāng)庫(kù)、廠房、各類大棚等地方進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。■
【參考文獻(xiàn)】
�。郏保萘痔沓�.基于GSM的遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)[J] .裝備制造技術(shù),2010.5:75-76.
［２］施自華，伍臣周，余晃晶.基于GSM的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].2010.8(27):341-344.
�。郏常萏K江福.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.
［４］盧伯英.PIC單片機(jī)基礎(chǔ)與傳感器應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2010.
