基于GSM的禽舍环境监控系统设计.doc

唐 山 学 院 毕毕 业业 设设 计计 设计题目：设计题目：基于 gsm 的禽舍环境监控系统设计 系系 别：别：_ 班班 级：级：_ 姓姓 名：名：_ 指指 导导 教教 师：师：_ 2 0 1 3 年6 月3 日 信息工程系 基于 gsm 的禽舍环境监控系统设计 摘摘 要要 该系统是由以 stc89c52 单片机为核心的控制模块、gsm 无线通信模块、温 湿度传感器数据采集模块和继电器模块组成。在环境检测系统中利用 stc89c52 控制温湿度传感器 dht11 采集温湿度，将采集到的温湿度值传给单片机，单片机 接收到相应的短信息后，通过 gsm 模块将温湿度值发送到用户手机。用户根据收 到的短信内容便可以获取现场的温湿度值，再根据需要发送控制指令来控制继电 器开关。除了短信控制继电器的方式，也可以通过单片机判断温湿度界限值后对 其进行相应的开关控制，从而达到温湿度控制的目的。论文对系统中各模块的连 接以及程序的编写进行了详细的介绍。本系统将 gsm 网络技术运用于实现远程环 境监控具有实际应用价值和十分重大的意义。 关键字关键字: 单片机 传感器 tc35 模块 gsm 网络 design of poultry house environment monitoring system based on gsm abstract the system is composed of control module, mcu stc89c52 module, the gsm wireless communication module, temperature and humidity data acquisition module and a relay module. control of dht11 collecting temperature and humidity sensor in environmental detection system using stc89c52, the temperature and humidity data acquisition to the value to the microcontroller, microcontroller receives the corresponding short messages, the temperature and humidity values sent to the users mobile phone through gsm module. temperature and humidity user according to the received message content can acquire the field value, then need to send control commands to control the relay switch according to the. in addition to control relay messages way, also can determine the temperature and humidity limit value of the corresponding switch controlled by the scm, so as to achieve the purpose of temperature and humidity control. writing a dissertation on the system module connection and procedures are described in detail. this system will use the gsm network technology to realize the remote environment monitoring has practical application value and great significance. keywords: single-chip; sensor; tc35 module; gsm network 目目 录录 1 引言.1 2 系统的总体设计.2 2.1 总体设计分析2 2.2 具体方案设计2 3 硬件系统的设计.4 3.1 温湿度传感器模块4 3.2 继电器模块6 3.3 单片机模块8 3.3.1 单片机接口部分8 3.3.2 复位电路9 3.3.3 电源电路9 3.3.4 串口通信部分10 3.4 远程通信模块.12 3.4.1 gsm 的涵义12 3.4.2 工作频段的分配.13 3.4.3 gsm 组网优点13 3.4.4 短信平台的缺点.13 3.5 tc35 模块13 3.5.1 gsm 模块的介绍13 3.5.2 tc35 的整体介绍14 3.5.3 tc35 的电源模块14 3.5.4 tc35 的模块接口15 3.5.5 sim 卡的介绍16 3.5.6 sim 卡座子17 4 系统的软件设计.18 4.1 软件设计思路18 4.2 温湿度采集部分18 4.3 短信收发部分19 4.3.1 at 指令集19 4.3.2 短消息操作指令20 4.3.3 短信模式简介21 4.3.4 串口调试22 4.3.4 发送与接收短信的实现25 4.3.5 短信内容的设置27 4.4 主处理程序.31 5 总结.32 谢辞.33 参考文献.34 附录.35 附录.48 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 0 1 引言 禽舍环境监测和监控设备的自动化与智能化程度随着电子技术的发展虽然越 来越高，但是这些设备大都是采用有线的形式。在禽舍中采用有线的形式不仅布 线麻烦，而且一定程度上限制了监测点的移动性。因此，禽舍环境无线监测系统 应运而生。 温湿度的检测对于提高生产效率和生产质量以及节约能源有着很重要的作用， 随着养殖业的不断发展，温湿度测量的需求越来越多，越来越重要。但是在特殊 的温湿度检测环境内，距离过长的话布线很不方便，而这时就会利用 gsm 对温湿 度信息进行接收。远程温湿度系统的智能化和精准度在各个行业都很重视。gsm 的远程监控也将是个很好，很实用的课题研究，在此过程中将会学到很多的知识 和方法。 gsm 系统在目前基于时分多址技术的移动通讯体制中，是比较成熟、完善、 应用最广泛的一种系统。当前已建成覆盖全国的 gsm 数字蜂窝移动通信网，成为 我国公众移动通信网的主要方式。其主要提供数据、话音、短信息等多种业务。 基于 gsm 短信息功能可以做成各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系 统，非常广泛的用于远程监控、个人通信终端、定位导航等。由于公众 gsm 网络 在全球范围内实现了联网和漫游，建立上述系统不须再建专用通信网络，所以具 有时事传输数据功能的短信息应用将得到迅速普及。gsm 技术是一种远距离低数 据率无线技术，适合无线数据采集网络。本系统通过使用 gsm 技术，很好的解决 了用户的需求。 在 gsm 无线网中 sms 短消息业务是其基本业务，利用无线控制信道进行传 输，性能稳定。sms 利用信令信道传输，不必建立拨号连接，只需将信息加上目 的地址发送到短消息服务中心，经中心完成存储后再发至目的地，即使 gsm 终端 关机信息也不丢失。受到越来越多的重视。 本设计是基于单片机和短消息通信模块来实现了禽舍信息的智能采集和远程 监测。本系统中由传感器采集信息后经单片机处理，再通过 gsm 收发模块以 gsm 网络为媒介传至用户手机，用户再根据显示信息发送控制信息，回馈到单片 机做出相应的控制，可以实时采集禽舍温湿度信息，方便用户随时对禽舍环境进 行监控，以使环境达到适宜的温湿度。此系统实现简单，通信成本低，抗干扰能 力强。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 1 2 系统的总体设计 2.1 总体设计分析 本设计利用温湿度传感器采集到禽舍温湿度信息，然后将此信息传送至单片 机处理，如当前温湿度值超过了预设界限时，单片机会对环境调控设备发出控制 信号，自动对现场环境调控设备进行调控（由继电器模拟实现） 。当然，用户也可 以随时使用手机进行数据信息查询与环境设备控制。 基于 gsm 的禽舍环境监控系统控制设计结构框图如图 2-1 所示： 图 2-1 结构框图 本设计中系统的组成共分为三大部分： 1.信息采集部分：此部分由传感器采集禽舍环境的温湿度信息； 2.信息处理控制部分：单片机接收温湿度信息，进行相应的数据编辑再与 gsm 收发模块进行信息传输；当温湿度超过界定值的时候，单片机对继电器开关 进行相应的控制； 3.gsm 传输部分：由 gsm 模块接收单片机处理后的信息并进行无线传输，通 过 gsm 网络与用户手机建立通信；此部分用户可以通过短信的形式随时了解禽舍 环境情况。 通过三部分之间的信息传输以及相互控制就可以完成对禽舍环境的监控：首 先单片机与 tc35 模块的握手连接；然后单片机对新信息的分析；最后单片机做出 相应的动作 2.2 具体方案设计 该系统中，主控使用了常见的 stc 系列单片机，外围器件包括温湿度传感器， 继电器开关，远程通信模块。 温湿度传感器 单片机核心板gsm 收发模块 用户手机 继电器开关 gsm 网络 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 2 其中温湿度监测模块，使用了常见的 dht11 数字传感器，将其放在环境中， 由于芯片体积不大，直接用手对传感器进行温湿度的控制，使其温湿度值发生变 化，将信息传给单片机便可得到温湿度值。 继电器控制模块，需要给温湿度传感器设置好界限值，当超过温湿度界限值 的时候，单片机作出反应，控制相应继电器开关的开启和闭合继而控制小灯的亮 灭。 远程通信模块使用了 tc35 模块，该模块可实现短信息的收发，可打电话，使 用方便，并且在移动通信技术的实验课上曾经有过接触，相对比较熟悉。在本系 统中着重使用了 tc35 模块收发短信的功能。 该系统的具体运作流程如下： 单片机连接 tc35 模块，同时连接 dht11 和继电器。 远程的用户手机向 tc35 模块发送信息，信息内容可以是要求汇报温湿度值， 可以是开启或关闭温度控制的继电器，也可以是开启或关闭湿度控制的继电器。 当 tc35 接收到新信息时，通过串口发送数据，此时就启动了单片机的中断，单片 机把接收到的信息读取出来放到固定的数组，接着单片机判断该数组中的信息， 信息有六种情况如下： 1汇报温湿度值：这时单片机读取温湿度传感器采集到的数据，然后单片机 调用发送目的地手机号码函数，给 tc35 发送目的地手机号，接着调用发送信息函 数，将温湿度数据发出去。 2开启温控继电器：这时温控继电器连接的小灯亮。 3关闭温控继电器：这时温控继电器连接的小灯灭。 4开启湿控继电器：这时湿控继电器连接的小灯亮。 5关闭湿控继电器：这时湿控继电器连接的小灯灭。 6其他：如果收到的短信息不是以上三种信息，单片机不做动作。单片机完 成相应工作之后，向 tc35 发送删除短信息的指令，将 sim 卡上的信息删除，以 便下次接收、识别，判断对应的要求。 当然单片机还会根据采集的温湿度值对相应的继电器开关进行自动控制，这 样使整个系统更合理化。 通过上述的设计思路，经过程序的编写以及对硬件的调试完成了系统的各种 要求，实现了系统基本功能。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 3 3 硬件系统的设计 3.1 温湿度传感器模块 本设计采用 dht11 数字温湿度传感器进行温湿度的采集。dht11 数字温湿 度传感器是含有已校准数字信号输出的复合传感器。传感器包括一个 ntc 测温元 件，一个电阻式感湿元件，并且和一个 8 位的单片机相连。因此具有响应快、抗 干扰能力强、性价比极高等优点。dht11 的传感器的校准系数以程序的形式储存 在 otp 内存中，这些校准系数在传感器内部的检测信号处理过程中被调用。采用 单线制串行接口，这样使系统集成变得更简洁。它应用专用的数字模块采集技术 和温湿度传感技术，从而使产品具有极高的可靠性以及稳定性，使其成为各类应 用场合的最佳选则。其规格参数如下： 1供电电压为：35.5v 2输出信号为：数字信号 3温度测量的范围值：050 4湿度测量的范围值：环境温度在 0时为 3090%rh 环境温度在 25时为 2090%rh 环境温度在 50时为 2080%rh dht11 的外部结构实物图如图 3-1 所示： 图 3-1 dht11 实物图 dht11 是数字传感器，因此不需进行模数转换，具体接口如下图所示： 引脚 1：vdd 供电 3 5.5v，和单片机的+5v 引脚相连； 引脚 2：data 串行数据，单总线，和单片机的 p2_0 引脚相连； 引脚 3：nc 空脚，悬空 ； 引脚 4：gnd 接地，电源负极，和单片机的地引脚相连。 data 用于单片机与 dht11 之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 4 通讯时间大概为 4ms，数据分小数和整数两部分，当前的小数部分只是为了用于 以后扩展，而现在的小数部分的读数为 0，一次完整的数据传输为 40bit。 数据格式为：8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验和数据 当传送正确时校验和数据=8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整 数数据+8bit 温度小数数据(取结果的后八位)。 当单片机发送一次开始信号后，dht11 就会从低功耗模式转换到高速模式， 而在等待主机开始信号结束后，dht11 就会发出响应信号，并触发一次信号采集。 dht 的通讯过程如图所 3-2 示： 图 3-2 dht 通讯过程仿真图 总线的空闲状态为高电平，主机会把总线拉低等待 dht11 的响应，为了保证 dht11 能够检测到起始信号，主机必须把总线拉低的时间要大于 18ms。dht11 接收到主机开始信号，等待主机开始信号结束以后，就会发送低电平响应信号， 持续时间 80us。主机发送开始信号结束后，延时等待 20-40us，读取 dht11 的响 应信号，主机发送开始信号切换到输入模式。 进入到输入模式后的仿真如图 3-3 所示： 图 3-3 dht 输入模式仿真图 dht11 发送响应信号后总线为低电平，等 dht11 发送响应信号后，再把总线 拉高 80us，此时准备发送数据，数据位是 0 还是 1 由高电平的长短决定。若读取 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 5 响应信号是高电平，但 dht11 没有响应，则是线路的问题。当最后的 1bit 数据传 送完后，dht11 将总线拉低 50us，然后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。 数字 0 信号表示方法如图 3-4 所示： 图 3-4 数字 0 信号仿真图 数字 1 信号表示方法如图 3-5 所示： 图 3-5 数字 1 信号仿真图 完成此系统的设计，需要在温湿度变化的环境中演示成果。dht11 是一个很 灵敏的温湿度感应器件，可以用手直接改变温湿度值来观察继电器开关的动作情 况，同时通过接收到的短信内容进一步观察温湿度值的变化情况。dht11 是数字 传感器，直接以信号送信息，不需要进行 ad 转换，因此本系统选用了 dht11 来 进行温湿度的采集。 3.2 继电器模块 继电器是最重要的控制元件之一，其具有隔离功能，被广泛应用在通讯、遥 控、遥测、自动控制、电力电子及机电一体化设备中。 继电器一般都有能反映如电流、温度、压力、速度、光等的输入变量。感应 机构也就是输入部分；有能对被控电路实现通和断控制的执行机构即输出部分； 中间机构也就是驱动部分在继电器的输入和输出部分之间，它的主要功能是对输 入量进行功能处理，耦合隔离以及对输出部分进行驱动。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 6 继电器作为控制元件概括起来有如下几种作用： 1放大的作用。一个很小的控制量便可以控制很大功率的电路。体现这种作 用的有中间继电器、灵敏型继电器等。 2综合信号作用。当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过 比较综合，达到预定的控制效果。 3自动、监测、遥控的作用。安装在自动装置上的继电器和其他电器一起， 组成程序控制线路，便可以实现自动化运行。 4扩大控制范围的作用。当多触点继电器控制信号达到某个值时，就可按触 点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。 继电器的实物图如下图 3-6 所示： 图 3-6 继电器开关实物图 在本设计中要模拟禽舍环境系统，所以选择用继电器控制小灯来代替相应的 温湿度控制设备，由温湿度值的变化来控制其开关，也可以通过短信来控制。在 本系统中选用的单片机系统采用 5v 供电，为了方便，选择的是 5v 驱动的 5 脚继 电器。由于单片机 io 口电流不够驱动继电器，所以在本实验中选用了 pnp 的三极 管连接上继电器。该电路是 pnp 三极管，所以采用集电极接低电平方式输出，当 基极没有输入脉冲或电压时，基极为高电平，因为这是反极性三极管，所以平时 是截止的，只有基极输入低电平，降低基极电压，这时三极管导通，继电器线圈 得电吸合，原常闭触点断开，常开触点吸合，完成设备的接通与断开功能。图中 二极管反向接在线圈两端，是保护线圈不受反峰电压的冲击，对继电器起到保护 作用。 继电器电路如图 3-7 所示： 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 7 图 3-7 继电器电路图 3.3 单片机模块 3.3.1 单片机接口部分 控制器的主控部分是主控芯片单片机配合软件程序来完成信息的读取、处理、 控制以及其他部分工作的，单片机的生产厂商很多，市场上的单片机型号也是种 类繁多。本设计的主控芯片选用的是我国国内生产的 stc89c52，与 atmel 公司 的 at89x 系列相比，stc89c52 有前面提到的诸多优点：速度快，价格便宜，烧 录方便简单等。单片机的外围电路如图 3-8 所示： 图 3-8 单片机的管脚图 8051 的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟 线两根，4 组 8 位共 32 个 i/o 口，中断口线与 p3 口线复用。现在我们对这些引脚 的功能加以说明： pin40：正电源脚，正常工作或对片内 eprom 抄写程序时，接+5v 电源。 pin19：时钟 xtal1 脚，片内振荡电路的输入端。 pin18：时钟 xtal2 脚，片内振荡电路的输出端。 8051 的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在 18 和 19 脚外接 石英晶体（2-12mhz）和振荡电容，振荡电容的值一般取 10pf-30pf。另外一种是 外部时钟方式，即将 xtal1 接地，外部时钟信号从 xtal2 脚输入。本设计采用 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 8 外部时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。输入输出（i/o）引脚：pin39-pin32 为 p0.0-p0.7 输入输出脚，pin1-pin8 为 p1.0-p1.7 输入输出脚，pin21-pin28 为 p2.0- p2.7 输入输出脚，pin10-pin17 为 p3.0-p3.7 输入输出脚。 在对单片机设计中，p0 口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出的 接口，另外也作为模数转换的数据传输口，p2 口为程序存储器扩展口的高 8 位地 址总线口，p1 口为输入/输出口。pin9:复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路 开始工作，在 reset 引脚上出现 2 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。 初始化后，程序计数器 pc 指向 0000h， p0-p3 输出口全部为高电平，堆栈指针写 入 07h，其它专用寄存器被清“0” 。reset 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000h 地址开始执行程序1。单片机的初始态如表 3-1。 表 3-1 寄存器初始状态 特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器 acc00hb psw00hsp 07h00hth0 dpl00hth0 ipxxx00000bth1 ie0x00000btl1 tmod00htcon 3.3.2 复位电路 8051 的复位方式有两种：一种是自动，一种是手动复位的。此外， reset/vpd 是一复用脚，vcc 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证单片机 内部 ram 的数据不丢失，在本设计中采用自动复位电路，复位电路如图 3-9 所示： 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 9 r 1 1k r 2 10 k v cc sw spst c 1 10 f r es et r 2 10 k v cc c 1 10 f r es et 上上上上上上上上上上上上 图 3-9 复位电路图 3.3.3 电源电路 电脑 usb 口的电压是稳定的+5v，所以直接供给单片机就可以。单片机的内 部电源电路如图 3-10 所示： 图 3-10 复位电路图 3.3.4 串口通信部分 max232 是一种把电脑的串行口 rs-232 信号电平（-10 ，+10v）转换为单 片机所用到的 ttl 信号电平（0，+5）的芯片，是专门为电脑的 rs-232 标准串口 设计的接口电路，使用+5v 单电源供电。 max232 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产 生+12v 和-12v 两个电源，提供给 rs-232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数 据通道。其中 13 脚（r1in） 、12 脚（r1out） 、11 脚（t1in） 、14 脚（t1out） 为第一数据通道。8 脚（r2in） 、9 脚（r2out） 、10 脚（t2in） 、7 脚（t2out） 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 10 为第二数据通道。ttl/cmos 数据从 t1in、t2in 输入转换成 rs-232 数据2从 t1out、t2out 送到电脑 dp9 插头；dp9 插头的 rs-232 数据从 r1in、r2in 输 入转换成 ttl/cmos 数据后从 r1out、r2out 输出3。 第三部分是供电。15 脚 dng、16 脚 vcc（+5v） 。 rs-232 无论在任何时候都是很常用的传输接口。它不仅已被内置于 pc，而且 已被内置于设备，这些设备从微控制器到主机的多种类型的电脑以及那些和他们 相连接的。rs-232 的最通常连接到一个 modem，像打印机，测试装置，数据采集 模块和控制回路也拥有 rs-232 接口。当然在计算机的连接中也可以用到各种各样 的 rs-232，使通信操作变得更加简单。 非平衡的状态听起来像是应该避免的，但是 rs-232 连接使用的是非平衡导线。 在这里的非平衡仅仅是指导线中的信号的电气特性。在一条非平衡导线中，信号 电压加到一条导线上，一个公共的接地线被所有的信号电压所使用。这种类型的 接口也被称作单端。每秒 20000 位是指定的最大数据传输速率。但是，很多其他 的接口芯片会超过这个数值，尤其是在短程连接上。很长的连接需要一个不同的 接口。 双向 rs-232 通信的基本信号如下： td：将数据从 dte（tx）传输到 dce（txd） 。 rd：将数据从 dce（rx）传输到 dte（rxd） 。 sg：信号地。也被称作 gnd 和 sgnd。 串口通信电路如图 3-11 所示： 图 3-11 串口通信电路图 rs-232 的逻辑电平并不是只用 5v ttl 和 cmos 逻辑的正电压信号表示，而 是用正负电压表示。在一个 rs-232 的数据输出（td） ，一个逻辑 1 被定义为等于- 5v 或者低于-5v，而一个逻辑 0 被定义为等于或高于+5v。换句话说，在这种逻辑 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 11 中，信号使用负逻辑，负的电压为逻辑 1。 rs-232 接口芯片对这些信号进行反向转换。主要体现在：在一个 uart 的输 出引脚，一个关控制信号接近 5v 或者一个逻辑 1 数据位，它在 rs-232 的接口就 会产生一个负电压；一个开控制信号接近于 0v 或者一个逻辑 0 数据位，它在 rs- 232 接口就会产生一个正电压。 一个正的电压表示这项功能为开，一个负的电压表示这个功能为关。控制信 号使用相同的电压，但是使用的是正逻辑。 因为一个 rs-232 接收器可能位于一条长电线缆的末端，等到信号到达接收者 的时候，它的电压可能已经削弱了或者加载了噪声信号。考虑到这种情况，在接 受方最低要求的电压要比在驱动器处低。一个比+3v 高得多的输入在 rd 处是一 个逻辑 0，或者在一个控制输入处是一个开。一个比-3v 要低得多的输入在 rd 处 为一个逻辑 1，或者在一个控制输入处为一个关。根据这个标准，在-3v 和+3v 之 间的一个输入的逻辑电平没有定义。 事实上，因为 uart 在位的中间附近读取输入数据，并且还因为大多数的时 间参考时钟是非常准确的，就可以使用短到 5 到 10 倍的切换时间的位宽度。考虑 到这些，有的接口芯片允许 115kbps 或者更高的波特率，即使这违反了这个标准的 建议。 除了有一个最大的切换速度之外，rs-232 驱动器还必须符合最低标准以确保 信号不在逻辑状态之间的未定义区域停留。对于控制信号和其他 40bps 和更低的信 号，信号线必须花费不超过 1ms 的时间在有效的逻辑 1 和逻辑 0 之间的传送区域， 对于其他数据和时间信号，这个限制是 4%的位宽，也就是说在 20bps 下为 2us。 信号的上升和下降次数也要尽可能的接近相等。 很多微控制器有异步串口，但是它们的输出和输入使用 5v 逻辑而不是使用 rs-232 电压。将 5v 端口连接到一个 rs-232 端口需要转换到 rs-232 电平，同时 也要从 rs-232 电平转换到 5v 逻辑。 3.4 远程通信模块 3.4.1 gsm 的涵义 gsm 全名为：global system for mobile communications，中文为全球移动通 讯系统，俗称“全球通“，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通 信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户 使用一部手机就能行遍全球。我国于 20 世纪 90 年代初引进采用此项技术标准， 此前一直是采用蜂窝模拟移动技术，即第一代 gsm 技术（2001 年 12 月 31 日我 国关闭了模拟移动网络） 。目前，中国移动、中国联通各拥有一个 gsm 网，为世 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 12 界最大的移动通信网络。gsm 系统包括 gsm 900：900mhz、gsm1800：1800mhz 及 gsm1900：1900mhz 等几个频段7 。 目前，国内已经开始使用的 gsm 模块有很多，而且这些模块的功能、用法差 别不大。本设计采用的是西门子 tc35 系列的 tc35i 。这种无线模块功能上与 tc35 兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。tc35i 与 gsm2/2 兼容、双 频（gsm900/gsm1800） 、rs232 数据接口，该模块及射频电路和基带与一体，向 用户提供标准的 at 命令接口。为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安 全的传输，方便用户的应用开发及设计8。设计选用 gsm 模块 tc35i,给出其和 pc 机的通信电路，实现远地数据的传输。 gsm 模块中电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分：充电电池主要为 整个系统提供 3.6v 工作电压,同时产生 max3238 所需要的高电平;三端电源模块 lm7806 将外部12v 直流电源转换为6v，连到 zif 连接器的 11、12 引脚，在 充电模式下，为 tc35i 提供6v、500ma 的充电电源。 启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。模块上电 10ms 后(电池电压 须大于 3v)，为使之正常工作，必须在 15 脚加时长至少为 100ms 的低电平信号， 且该信号下降沿时间小于 1ms。启动后，15 脚的信号应保持高电平。 3.4.2 工作频段的分配 我国陆地公用蜂窝数字移动通信网 gsm 通信系统采用 900mhz 频段： 890915（移动台发、基站收） 935960（基站发、移动台收） 双工间隔为 45mhz，工作带宽为 25 mhz，载频间隔为 200 khz。随着业务的 发展，可视需要向下扩展，或向 1.8ghz 频段的 gsm1800 过渡，即 1800mhz 频段： 17101785（移动台发、基站收） 18051880（基站发、移动台收） 双工间隔为 95mhz，工作带宽为 75 mhz，载频间隔为 200 khz。 3.4.3 gsm 组网优点 gsm 具体优点如下几条： 1信道稳定，传输质量好，传输速率可达 960bps 以上。 2系统容量较大，可传输数据量大，一条短信所能容纳的数据量最多可达 100 字节以上。 3gsm 信道无需中继，利用公网，不需要自建和维通信网，组网十分灵活。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 13 4gsm 系统体积小，重量轻，工耗低。不需要架设室外天线，安装方便， 不仅一次性投资少，而且维护管理简单，运行费用低。 3.4.4 短信平台的缺点 1受到 gsm 网络覆盖的面积限制，可能有些偏远的站点无法通信，因此适 合在网络覆盖的范围之内。 2短信的接受会出现延时现象，这就要求在使用的时候充分考虑具体控制余 量的问题。 3.5 tc35模块 3.5.1 gsm 模块的介绍 gsm 模块的厂家最早主要在国外，包括西门子、wavcom、sagem 等；随着 国内的技术进步，国内厂家如华为、移远通信（quectel)、simcom、benq 等模块 由于具有更高的性价比，已经逐渐替代了国外品牌在国内市场上占据了主流的地 位。 tc35 是德国 siemens（西门子）公司的一款双频 900/1800mhz 高度集成的 gsm 模块。它与 gsm phase2/2+兼容，具有 rs232 数据口，该模块集基带和射频 电路与一体、并提供标准的 at 命令接口，其为数据、语音、短消息提供安全、有 效、快速的传输，为用户的应用设计提供方便。本系统中选择了 tc35 模块进行短 信的收发。系统模块的实物如图 3-12 所示： 图 3-12 串口通信电路图 3.5.2 tc35 的整体介绍 tc35 模块主要由 gsm 基带处理器，gsm 射频模块，供电模块，闪存，zif 连接器和天线接口组成。tc35 模块的原理框图如图 3-13 所示： 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 14 图 3-13 tc35 模块原理框图 3.5.3 tc35 的电源模块 对于 tc35 模块采用 3.6v 供电，由于该电源电流必须满足输出电流能够达到 2a，在此采用 national 公司的 lp3966-adj 芯片。该芯片的管脚 2 为 shutdown 管脚，在设计的时候必须通过一个 10k 的电阻拉高到 5v。为了使 3.6v 输出电源 波纹小，在输出部分用了一个 68pf，33f 和 0.1f 的电容，实现滤波。另外在芯 片的输入端也放置了一个 68f 的滤波电容，减小输入端收到的干扰。具体的电路 如下：tc35 的充电电压正端 power，如果通过外部的电源（如充电器） 供电， 应保证 imax = 500 ma，vin=5.5-8v。tc35 的电源电路如图 3-14 所示： 图 3-14 tc35 电源电路 3.5.4 tc35 的模块接口 无线连接器flash rom 射频电路基带处理器 电 源 40 引 脚 zi f 插 座 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 15 tc35 主要通过串口与单片机进行通讯，从而对 tc35 的控制，通过与单片机 的 uart 进行两线连接，对于 tc35 的其他管脚不用的时候悬空处理，如果该管 脚为输入的话，通过一个 10k 的电阻上拉。另外/igt 管脚使控制 tc35 模块工作 的管脚，需要上拉，并且将该管脚与单片机连接，从而实现单片机控制 tc35 的工 作状态。它的电源管脚并联在一起，另外 tc35 还需要连接 sim 卡座子，具体的 接口如图 3-15 所示。 图 3-15 tc35 的接口设计图 下面具体介绍在本系统使用到的管脚： vbatt+：供电胶管。供电电压在 3.3v-5.5v 之间 ，该胶管还必须满足峰值 电流为 2a。当模块在充电的时候，该胶管还可以作为输出管脚。所有的 vbatt+ 必须并行连接在一起。 gnd：接地管脚。 igt：启动管脚。该管脚用来启动 tc35 模块进行工作。该脚管低电平有效。 rxd0：发送数据到 dte。 txd0：接收数据从 dte。 cts0：清除发送。该信号有效表示 tc35 模块准备接受 dte 数据。 rts0：请求发送。该信号有效表示 dte 准备发送数据到 tc35 模块。如果该 管脚不用的话，通过一个 10k 的电阻将该管脚拉高。 dtr0：数据终端准备好，dte 控制该信号线有效。如果该管脚不用的话，通 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 16 过一个 10k 的电阻将该管脚拉高。 ccin：sim 卡连接胶管。该管脚用来检测 sim 卡是否连接上，如果连上，该 胶管被设置成高电平，如果没有连接上，则该管脚被设置成低电平。 ccret：sim 卡复位管脚。由基带处理器提供。 ccio：sim 卡的串行数据总线。输入输出数据。 ccclk：sim 卡的时钟线。 ccvcc：sim 卡的电源输出管脚。 ccgnd：sim 卡的接地管脚。 3.5.5 sim 卡的介绍 sms（short messaging service）是最早的短消息业务，也是现在普及率最高 的一种短消息业务。目前，这种短消息的长度被限定在 140 字节之内，这些字节 可以是文本的，可以是 70 个汉字，或者是 140 个英文字母。sms 以简单方便的 使用功能受到大众的欢迎，是属于第一代的无线数据服务。 sim（subscriber identity module）卡叫用户身份识别模块。它实际上是一张内 含大规模集成电路的智能卡，用来登记用户身份识别数据和信息。它是 gsm 系统 中不可缺少的一个重要部分，是用户接入 gsm 网络的凭证，只有插入了 sim 卡， 移动终端才能接入网络。它的组成由 cpu（8）位，程序存储器（3-8bit） ，工作存 储器（6-16bit） ，数据存储器(128-256kbit)和串行通信单元五个部分组成。sim 卡 的正面如图 3-16 所示： 89860 08110 02405 57419 图 3-16 sim 卡的正面图 sim 卡正面上有 20 值数码，前面的 6 位是中国的代号，第 7 位是业务接入号， 在 135，136，137，138，139 中分别为 5，6，7，8，9 一般为 0，现在的预付费 sim 卡为 1，第 9，10 位是各省的编码，第 11，12 位是年号，第 13 位是供应商 代码，第 14-19 位是用户识别码，第 20 位是校验位。 sim 卡的物理结构如图 3-17 所示： c1 c5 c2 c6 c3 c7 c4 c8 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 17 图 3-17 sim 卡的背面图 一共有 8 个触点，各个触点如下： c1：vcc 电源电压。 c2：rst 复位端。 c3：clk 时钟，时钟速率通常由移动终端提供，sim 卡支持 1-5mhz 时钟， 它在指定时间内运行监权过程时至少需要 13/4mhz 的时钟频率，其它情况下使用 13/8mhz 的时钟频率。 c4：无定义，为将来使用保留。 c5：gnd 地。 c6：vpp 编程电压。 c7：i/o 输入输出。 c8：无定义，为将来使用保留。 3.5.6 sim 卡座子 tc35 模块的 sim 卡座子采用的是 molex 座子，该座子由 8 个管脚，而 tc35 模块的管脚只有 6 个，具体的电路如图 3-18 所示： 图 3-18 sim 卡座子接线图 上图只需要把对应的管脚与 tc35 连接，在电源接地端加入电容滤波处理，达 到减小波纹的目的。 4 系统的软件设计 4.1 软件设计思路 本系统以单片机为核心器件，分成两大部分进行系统的软件设计： 首先是温湿度传感器采集数据，单片机会对数据进行分析，再控制继电器相 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 18 应的动作； 其次是短信收发过程，用户通过向 gsm 模块发送指定的信息指令，通过串口 将信息内容传给单片机，单片机再控制继电器作出反应或向用户发送短信，汇报 采集信息。 4.2 温湿度采集部分 在系统的实物连接中，dht11 温湿度传感器的 2 引脚连接单片机的 p2-0 引脚 由于 dht11 温湿度传感器是数字传感器，不需要进行 ad 转换，因此采集到的温 湿度数据会以八位二进制的形式向单片机发送，单片机接受数据后还要对相应的 采集值进行判断所以要对数据值进行十进制转换，以温度为例，转换函数如下所 示： data1=u8t_data_h /温度转成十进制 u8t_data_h=u8t_data_h u8t_data_h=(u8t_data_h 4)*16; data1+=u8t_data_h ; u8t_data_h 是采集到的温度整数部分的八位二进制数值，data1 为十进制转换 后的温度值方便下边对数值的判断，由于 dht11 传感器的小数部分的数据位还没 有被扩展，校验位也没必要在数据中显示，所以程序中只对温度值和湿度值的整 数部分进行相应的十进制转换。 在实际应用中，温湿度传感器采集环境温湿度，将温湿度信息传给单片机， 然后单片机做出相应的反应，控制温湿度的相关设备进行开关操作，在本系统中， 用继电器代替控温设备和湿度控制设备，为系统的温湿度进行临界值的设定，再 与周围的温湿度值进行相应的比较判断，进而使继电器开关做出相关操作，与之 连接的小灯做出亮或灭的反应。此部分的流程如图 4-1 所示： n y 灯 2 灭 灯 2 亮 灯 1 灭 继电器 1 关 温湿度值的分析 温度34?湿度20? 继电器 1 开 继电器 2 开 继电器 2 关 开始 串口初始化 灯 1 亮 y n 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 19 图 4-1 温湿度部分流程图 4.3 短信收发部分 系统要对环境温湿度进行实时监控，因此就要在 dht 采集到温湿度值的信息 以后，通过 tc35 模块将温湿度值以短信的形式告知用户。用户通过短信息完成短 信的收发从而对继电器进行控制，就要学习 tc35 的通信过程以及短信的收发和读 取。 tc35 模块要通过 at 指令与单片机进行通信，单片机再根据短信内容作出相 应的控制动作，因此首先要对 at 指令以及短信内容的编辑进行相应的学习 4.3.1 at 指令集 首先来了解一下 at 指令。 at 指令如下： at+cmgc send an sms command（发出一条短消息命令） at+cmgd delete sms message（删除 sim 卡内存的短消息） at+cmgf select sms message formate（选择短消息信息格式：0-pdu；1- 文本） at+cmgl list sms message from preferred store（列出 sim 卡中的短消息 pdu/text: 0/“rec unread”-未读，1/“rec read”-已读，2/“sto unsent”-待发， 3/“sto sent”-已发，4/“all”-全部的） at+cmgr read sms message（读短消息） at+cmgs send sms message（发送短消息） 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 20 at+cmgw write sms message to memory（向 sim 内存中写入待发的短消 息） at+cmss send sms message from storage（从 sin|m 内存中发送短消息） at+cnmi new sms message indications（显示新收到的短消息） at+cpms preferred sms message storage（选择短消息内存） at+csca sms service center address（短消息中心地址） at+cscb select cell broadcast messages（选择蜂窝广播消息） at+csmp set sms text mode parameters（设置短消息文本模式参数） at+csms select message service（选择短消息服务） 经过以上了解现在来对 gsm 模块进行软件编写。 4.3.2 短消息操作指令 所有的 at 指令（除了重复命令 a/以外）都由 at 开头，除了发送短信消息 最后是以+结束外，其余的都是以回车cr结束的。响应形式都是 cr lf response cr lf 。 f：被叫号码长度，2 位十六进制数。 g：被叫号码类型，2 位十六进制数。 h：被叫号码，长度由 f 中的数据决定。 i：协议标识，2 位十六进制数。 j：数据编码方案，2 位十六进制数。 k：有效期，2 位十六进制数。 l：用户数据长度，2 位十六进制数。 m：用户数据，其长度由 l 中的数据决定。j 中设定采用 ucs2 编码，这里是 中英文的 unicode 字符。 常用初始化指令： 1设置单片机和 gsm 模块的通信波特率 at+ipr=9600cr 2设置短消息中心号码 at+csca=“+8613800311500” cr ，正确返回 cr lfokcr lf ， cr lf是回车换行符号。如果读取短消息中 心号码，则命令为 at+csca=？cr ，模块应该返回cr lf +csca：“8613800311500” cr lf 。 3设置短消息发送格式 at+cmgf=1cr ，设置 1 代表 t