（计算机应用技术专业论文）智能家居中无线传输系统的设计与实现.pdf

中文摘要 计算机技术、网络通信技术、智能传感技术、微电子技术的成熟和发展为智 能家居的发展创造了良好的前提条件和基础。 本文提出了一种基于m c 3 9 i 无线通讯，与蓝牙红外无线相结合的无线智能家 居系统方案。使用g s m 的s m s 短消息服务构建了无线传输平台，实现户外移动设 备与家中中心控制系统的通讯，家中的中心控制系统通过蓝牙红外中继器控制实 现蓝牙通讯信号到红外控制信号的转换，从而最终实现通过g s m 的s m s 短消息服 务对红外家居设备的统一管理。 本文硬件系统设计以m c 3 9 i 模块实现了无线传输，设计中还完成了系统电路 的搭建和无线传输模块p c b 试验板的设计与加工。软件设计是在此硬件平台上编 写了端口监听、通过s m s 发送短信至蓝牙红外模块、通过s m s 接收家居信息等软 件，搭建起了智能家居无线系统。通过对此硬件系统和软件系统的测试，效果良 好，从而对文中提出的基于无线传输的家庭设备控制系统的设计方案进行了实际 验证。 基于m c 3 9 i 模块与蓝牙红外相结合通讯控制方式的智能家居系统由家庭控 制中心统一控制并实现智能协作，用户通过移动设备发送控制命令控制家居设备 以及与获取家居信息，从而实现真正的无线智能家居系统。 关键词：智能家居g s m 短消息m c 3 9 i a bs t r a c t a sc o m p u t e rt e c h n i c ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h i n i c ，i n t e l l i g e n ts e n s eo r g a n t e c h n i ca n dm i c r o c h i pt e c h n i ca r eg r o w i n ga n dd e v e l o p i n g ，i tm a k e sag o o d f u n d a m e n tf o rd e v e l o p m e n to fs m a r th o m e i nt h i sp a p e r , w ed e s i a nas m a r th o m es y s t e mb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e md e s i g n i n gb ym c 3 9im o d u l ea n db l u e t o o t ha n di n f r a r e d u s i n gm c 3 9 im o d u l e a n ds m ss y s t e mw ed e s i g naw i r e l e s ss m a r th o m ea p p l i a n c e sc o n t r a ls y s t e m i nt h i s s y s t e m ，w ei m p l e m e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu s e r sm o b i l ee q u i p m e n ta n d h o m ec o n t r o lc e n t e r w eu s eb l u e t o o t h i n f r a r e dc o n v e r s i o nt o i m p l e m e n tt h e b l u e t o o t h - i n f r a r e dc o n v e r t u s i n gt h e s ew ei m p l e m e n tr e m o t ec o n t r o lt oa l lf a m i l y d e v i c e s b a s eo nm c 3 9im o d u l ew ei m p l e m e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d c i r c u i to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd e s i g n i n ga n dp r o c e s so fp c b w e c o m p l e t ep r o g r a mo f t h ec o n r o ls y s t e ma n ds u c c e e dt od e b u gi t a l lo ft h e s ep r o v e t h a tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s eo nm c 3 9im o d u l e w eu s eh o m ec o n t r o lc e n t e rt oc o n t r o lt h ew i r e l e s ss m a r th o m ea p p l i a n c e sc o n t r o l s y s t e m u s e rh o l d i n gam o b i l ee q u i p m e n tc o n t r o lt or e a l i z ew i r e l e s ss m a r th o m e s y s t e m k e yw o r d s ：s m a r th o m e sg s ms m sm c 3 5 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孓刁年签字日期：沙- 7 年石月f 牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：砂习年 导师签名： 签字日期：1 年，椭啪 胞卞日 矽r仰恽 翻“ 第章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 智能家居系统是一个综合多个领域的课题。当前涉及的主要有普适计算、 s m a r th o m e il j 等几个领域。 随着计算技术的发展，我们已经由p c 时代进入网络时代，进而进入后p c 时代。i b m 在1 9 9 9 年创造了一个名词j 普适计算”1 2 ( 又叫“普及计算”， p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 。“普适计算”指的就是，“无论何时何地，只要您需要，就 可以通过某种设备访问到所需的信息”。普适计算是指使用小型计算设备、在位 置不断移动的过程中或在地理位置分布很广的范围内，在不稳定的通信条件下实 现联机事务处理和企业核心数据访问。这些小型计算设备，具有多种通信手段， 如移动通信i l9 j 网络、卫星等，能与互联网或企业内部网相连，但这种连接不是固 定的连接，而是间断的连接。普适计算的软件技术使用户可以使用这些设备进行 复杂的联机事务处理和信息访问，因为用户所使用的设备体积小，可用的计算资 源( 内存、存储设备和c p u ) 都相当有限，大部分处理工作由计算中心的数据 服务器和应用服务器完成。 “智能家居”( s m a r th o m e ) p j ，又称智能住宅。它是指利用先进的计算机、 嵌入式系统和网络通讯技术，将家中的各种设备( 如照明系统、环境控制、安防 系统、网络家电) 通过家庭网络连接到一起，实现家用设备之间的智能协作，给 用户带来方便。与普通家居相比，智能家居【4 j 不仅具有传统的居住功能，提供舒 适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能 动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通， 优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为 各种能源费用节约资金。 智能家居让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、 电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形 成联动【4 1 ；另一方面，智能家居内的各种设备相互问可以通讯，不需要用户指挥 也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与 安全。 近几年，中国的智能家居正在迅猛的发展。比较成熟的解决方案有海尔的e 第。一章绪论 家庭系统1 5 】| 6 】，t c l 的智能家居系统等。从实现的技术划分，大致有以下几类： l 、家居设备间使用有线通讯，需要另外布线，部署复杂，而且也不方便实用， 没有实现智能家居方便用户和以人为本的基本理念。2 、使用红外控制，红外有 很大的局限性，传输距离短，发送信号时需要正对，解决方案存在明显的不足。 3 、使用8 0 2 1l 无线局域网，传输距离有较大提高，但编程实现较复杂，而且相 关芯片较贵。成本不易控制，产品难以推广。 1 2 本文的主要工作 鉴于上述现有技术存在的问题，本系统提供使用g s m q 的s i 城s t 8 1 短消息服务构 建了无线传输平台，实现户外移动设备与家中中心控制系统的通讯，结合本课题 组的工作基础，家中的中心控制系统通过蓝牙【9 】红外中继器实现蓝牙通讯信号到 红外控制信号的转换，将家中的照明控制、家居安防、电器控制、环境控制结合 为一体，由控制中心统一控制并实现智能协作【l o 】，用户通过移动设备如手机发送 控制命令与获取家居信息，从而实现真正的无线智能家居，本人主要完成以下工 作： 无线传输系统的硬件系统设计 系统电路的搭建和无线传输模块p c b 试验板的设计 在此硬件平台上编写了端口监听、通过s i d s 发送短信至蓝牙红外模块、 通过s m s 接收家居信息等软件 硬件系统与软件系统的测试 将无线传输系统与蓝牙红外传输系统整合并搭建起了智能家居系统并 调试成功。 1 3 全文安排 论文的各章节安排如下： 第一章介绍智能家居的应用背景，分析现有的解决方案，并简述了自己所做 的主要工作。 第二章对智能家居整体结构做了介绍，并对无线传输系统和室内控制系统做 了比较详细的介绍。 第三章总体上描述了无线传输系统的硬件设计，功能测试。 第四章总体上描述了无线传输系统和控制中心的软件设计。 第五章对目前所做的工作进行了总结并指出今后的工作方向。 第二章智能家居整体结构及无线传输系统 第二章智能家居整体结构及无线传输系统 本系统提供使用g s m 的s m s 短消息瑚艮务构建了无线传输平台，实现户外移 动设备与家中控制中心系统的通讯，结合本课题组的工作基础，家中的控制中心 系统通过蓝牙【1 2 j 红外中继器控制实现蓝牙通讯信号到红外控制信号的转换，将家 中的照明控制、家居安防、电器控制、环境控制结合为一体，由控制中心统一控 制并实现智能协作，用户通过移动设备如手机发送控制命令与获取家居信息，从 而实现真正的无线智能家居( 2 2 】1 2 4 。 2 1 智能家居整体技术方案 l 移动设备 - 一 一一一- - 一一 王- 一- 一一- - 一一一一- 一- - 1 控制中心 !n i 数据采集器家居设备控制系统 j h i 数据采集终端家居设备 图2 1 智能家居系统整体示意图 智能家居系统总体描述如图2 1 所示。本智能家居系统完成通过室外移动设 备与固定设备远程访问家居信息以及远程控制家居设备。虚线内是室内部分，虚 线外为室外部分。本系统由两个子系统组成，移动设备与控制中心组成的无线数 据传输子系统与控制中心、家居设备控制系统、家居设备、数据采集器、数据采 集终端组成室内无线控制子系统。控制中心通过无线数据传输子系统接收来自手 机发送的短信指令，依据控制要求将指令通过室内无线控制子系统发送给家居设 备，达到远程遥控家居设备的目的。本人的工作是完成第一个子系统，然后将两 个子系统整合为智能家居系统。第二子系统已本课题组完成。为了方便，后面不 再称子系统。下面对这两个系统进行详细描述： 第二章智能家居整体结构及无线传输系统 2 2 无线传输系统 本人主要完成这部分的硬件设计，软件设计，软件调试，以及将本系统整合 到智能家居系统后的调试工作。本节对无线数据传输模块简要介绍如下： ，一- - - ， g s m、 网络 ，_ r 、， ：。 圈 无线数据 一 控制 传输模块 、r 叫 中心 图2 2 智能家居中无线数据传输系统结构 如图2 2 所示，本系统的主要功能是作为移动设备与控制中心的数据通道。 移动设备通过无线数据传输模块将控制指令发送给控制中心，控制中心将从家居 内获得的信息通过无线数据传输模块发送到移动设备上。 控制中心通过串口与无线通讯模块相连如图2 - 3 所示： 无线数据传输模块 王 串口 控制中心 图2 3 无线数据传输模块与控制中心的连接 无线传输模块以西门子公司生产的m c 3 9 i 1 3 】型g s m l l 4 】1 1 5 1 模块为基础设计而 成，完成了数据无线传输平台的搭建，它是由p c 机通过串口发送a t 指令进行控 制，并经由串口进行数据的传递。我们设计的无线通讯模块内部结构如图2 4 所 示： 第一章智能家居挚体结构及无线传输系统 串行接l i n 电平转换 je g s m 模块 ( m c 3 9 i ) 图2 - 4 无线通讯模块内部结构 我们设计的试验板如下图2 - 5 和图2 - 6 所示： 圈2 - 5 试验扳正面图 第章智能采心情体结构及无线传输系统 圉2 - 6 试验板侧面目 我们设计的无线通砒模块共包括6 部分的电路设计，分别是串行接u l ”j 、电 源、模块的启动与关闭、s m 接【i 、同步指示信号等电路设计。其r 卜模块的启 动与关闭是结合5 l 单片机来设计的。以上具体的电路设计方法将在第三章中作 详细介绍。 2 3 室内无线控制系统 这部分是木课题组现有的系统结合本人的无线传输系统成为整个智能家居 系统，本节对这个系统简要介绍 蚓2 7 智e 练“控制系统妪理崮 第二章智能家膳整体结构及无线传输系统 室内无线控制系统的原理如图2 7 所示。图中将用户家中的设备分为具有 红外遥控的设备和不具有红外遥控的设备两种：具有红外遥控的设备比如：电视， d v d 机，空调等。这些设备的控制较复杂，本系统使用红外学习模块，实现这些 设备的统一接口，再由蓝牙【1 9 】【2 0 1 红外中继器进行控制 2 1 】。不具有红外遥控的设 备比如：电灯，排风扇，暖气等。对这些设备的控制为开关量和强度调节，比如 灯的开关和灯亮度的调节。由开关强度量控制器进行控制。 l 硬盘i - -l 泓l a o p 。卅显示器 i 硬盘 仨吲显卡 n 电视机 l 鼠标卜 l 内存 l c = = 篡爿电视卡r 1 有线电视网 l 键盘l = = ；习网卡l 一宽带接入网 -l 主板 l 光驱l - -c = = = = l 声卡话氰h 话筒、耳机 = ：= = 一唧m m 图2 - 8 控制中心硬件结构图 控制中心是在p c 的基础上添加了需要的附件，结构如图2 - 8 所示。控制中 心与外部的连接有i n t e m e t 、有线电视网、p s t n ( 公共交换电话网) 。i n t e m e t 用 于用户远程控制，以及用户在控制中心上网等使用。有线电视网用于用户在控制 中心收看电视，并可在控制中心进行视频编辑。p s t n 使用户可以通过有线电话 对智能家居进行控制。控制中心使用蓝牙适配器通过蓝牙通讯协议与其他设备进 行交互。 信号输入单元包括传感器和探测器。传感器的原理与探测器器类似，传感器 将接收到的温度、湿度、光照强度等信息与探测器接收到的室内煤气含量，门窗 被打破等信息通过蓝牙通讯传送到控制中心，经由控制中心软件分析后采取相应 的控制如通过无线传输系统发送到移动设备或触发相应的场景。 驱动输出单元包括蓝牙红外中继器和开关强度量控制器。蓝牙红外中继器用 于具有红外遥控的设备的控制，比如：电视、d v d 机、空调等。开关强度量控制 器主要用于不具有红外遥控的设备，比如：吊灯、窗帘等。这两部分构成系统原 理图中的中继控制层。 第_ 章智能家居整体结构及无线传输系统 使用开关强度量控制器进行控制的原理图如图2 - 9 所示。开关强度量的主要 作用是将家中的设备的电源开关和灯的亮度摔制等抽象为开关量和强度量的控 制。通过开关强度量控制器统一控制和管理。该单元主要由3 部分组成：蓝牙模 块、5 l 单片机、继电器和可控硅。蓝牙模块接收控制中心发送的蓝牙信号，并 通过串口将信号传送到5 1 单片机。5 l 单片机对接收到的信号进行分析，确定是 对那一个开关量或强度量进行调整，然后对相应管脚发送控制电平或控制脉冲。 继电器可以实现对开关量的控制，可控硅可以实现对强度的控制。根据需求的不 同，有两种开关强度量控制器可以选择，小型开关强度量控制器可以提供7 个开 关量，3 个强度量的控制，用于卧室、厨房、餐厅等电器较少的地方；大型开关 强度量可以提供1 4 个开关量，6 个强度量的控制，主要用于主客厅或其他电器 较多的场合。 图2 - 9 开关强度量控制器原理图 开关强度量控制器电路图如图2 1 0 所示。以a t 8 9 s 5 1 为中心，a t 8 9 s 5 1 的 r x d 、t x d 连接蓝牙模块r o k l 0 1 0 0 8 的t x d 、r x d 管脚，用于串口通讯。 r o k l 0 1 0 0 8 的v c c 连接电源，a n t 连接天线。a t 8 9 s 5 l 的p o 0 一p o 7 和p 1 0 - - p 1 7 可任选用来控制开关量和强度量，x t l 和x t 2 外接晶震。开关量的控制 使用继电器s s r ，用电设备连接到s s r 的两个控制管脚上。强度量的控制使用 可控硅，p 1 1 连接可控硅的控制管脚，通过发射不同频率的脉冲实现对用电设备 的强度控制。如果某种用电设备要同时控制开关量和强度量，只需要串连两种控 制电路就可实现。 第二章智能家膳整体结构及无线传输系统 图2 1 0 开关强度量控制器电路图 开关强度量控制器的流程图如附图2 一1 1 所示。 图2 1 l 开关强度量控制器程序流程图 加电后，5 l 单片机先初始化蓝牙模块，然后蓝牙模块进入循环监听状态，等 第二章智能家居整体结构及无线传输系统 待控制中心的控制信号。蓝牙模块接收到控制中心的信号后，通过串口发送到 5 l 单片机，5 l 单片机首先对数据进行校验。如果错误则不作处理，如果正确则 分析数据，获得被控制对象和控制量。然后向对应的继电器或可控硅发送控制信 号，完成一次控制。 下面简要介绍一下室内无线控制系统的核心部分红外蓝牙中继器。 使用蓝牙红外中继器进行红外控制的原理图如图2 1 2 所示。蓝牙红外中继 器的主要作用是将蓝牙通讯的蓝牙信号转换为控制家居的红外信号。他的好处有 两个，一个是实现了红外家居设备的统一管理；另一个是克服了红外信号传输距 离短、必须与接收端正对等缺点。该单元主要由3 部分组成：蓝牙模块【2 2 i 、5 1 单片机、红外信号发送模块。蓝牙模块接收控制中心发送的蓝牙信号，并通过串 口将信号传送到5 1 单片机。5 1 单片机进行判断处理后再通过串口发送到红外发 送模块，红外发送模块将串口数据转换为红外信号后通过红外灯发送。 图2 - 1 2 蓝牙红外中继器原理图 蓝牙红外中继器是本系统的核心，蓝牙红外中继器的软件流程图如图2 1 3 所示。加电后，5l 单片机先初始化蓝牙模块和红外发送模块，然后蓝牙模块进 入循环监听状态，等待控制中心的控制信号。蓝牙模块接收到控制中心的信号后， 通过串口发送到5 1 单片机，5 l 单片机首先对数据进行校验。如果错误则不作处 理，如果正确则提取其中的数据，转换成红外模块可识别的信号。然后通过串口 发送到红外发送模块，红外发送模块通过红外发光二极管发送红外线。完成一次 控制。 第二章智能家居整体结构及无线传输系统 图2 - 1 3 蓝牙红外中继器程序流程图 第_ 二章智能家居整体结构及无线传输系统 2 4 系统整体实施方式 无线传输系统与室内无线控制系统整合的智能家居示意图如图2 1 4 所示： 一、- g s m、 、网络 一 ，、- 、一、 7 、 围 困 一 圈 图2 1 4 无线智能家居系统结构 用户通过手机发短信的方式远程发送控制命令，控制中心接收到由手机发送 来的控制命令后通过蓝牙红外中继设备向家居设备发送控制命令， 本智能家居系统以一台普通p c 为控制中心，用户也可使用自己原有的p c 机 安装本系统的软件。无线数据传输模块与控制中心通过串口相连。控制中心要求 有电视卡、网卡和蓝牙适配器。网卡连接i n t e m e t ，使用户可以在控制中心上网， 并对网上远程控制提供支持。电视卡连接有线电视，用户可以在控制中心收看电 视，还可以对电视节目录制再加工等。蓝牙适配器连接电脑的u s b 口，通过蓝 牙适配器控制中心实现对家居其他设备的控制和监测。这样，控制中心实际上不 仅仅完成了家居的控制作用，而且也成为用户的娱乐中心。 在系统建立初期，用户通过运行系统初始化程序，完成基本数据的生成和存 储，包括：控制中心的无线传输模块的手机号码及设备信息、蓝牙网络的结构及 设备信息、红外信号以及对应的功能，建立被控制对象与控制信号的对应关系， 学习记忆所有红外信号，最终完成控制中心对整个蓝牙红外网络的构建。 系统使用s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库存储网络结构信息。数据库中的表结构如下 图。 无线数据传输系统所用到的表如下所示： 表2 1 控制中心接收的短信息 第二章智能家居整体结构及无线传输系统 室内无线控制系统所用到的表如下所示：控制红外信号表存储红外学习模块 学习到红外数据。d a t a 字段用于记录红外数据，通常遥控信号的二进制脉冲码长 为3 2 位，每位由一个高电平与一个低电平组成，应保存的信号宽度数据为6 4 个， 再加上引导码2 个数据，共计6 6 个数据，每个数据用一个字节来表示。一个遥 控信号命令需要6 6 个字节来保存。考虑到不同的遥控系统有区别，有些遥控信 号命令较长，所以存储空间应留有适当余量，定为1 0 0 位。i n f o 字段中记录的是 对所记录红外信号的描述，用于区分不同的红外信号。 表2 3 红外信号表 表2 - 4 蓝牙开关强度量控制器信息表 蓝牙开关强度量控制器信息表用于记录蓝牙开关强度量控制器的相关信息。 第二章智能家居整体结构及无线传输系统 其中n u m b e r 字段代表蓝牙控制器编号，共有4 位，前2 位代表控制器的编号， 后2 位代表该控制器中对用的具体控制量的编号，大型蓝牙开关强度量控制器最 多可控制2 0 个开关或强度量，因此2 位足够使用。d ba d d r 字段代表蓝牙设 备地址，记录的是蓝牙设备的识别信息，用来区分各个控制器。i n f 0 字段中存储 的是控制器名称及简单的功能描述。 蓝牙红外中继器信息表用于记录蓝牙红外中继器的相关信息。其表结构与蓝 牙开关强度量控制器信息表类似。 数据库信息表构建的过程包括：使用红外学习模块学习家中设备的红外遥控 器，并将每个红外信号对应的功能添加到数据库中。初始化寻找蓝牙设备，将每 个蓝牙开关强度量控制器所对应控制的设备的编号、蓝牙设各地址和简单描述存 入数据库，将每个蓝牙红外中继器的蓝牙设备地址和描述存入数据库。 数据库信息表构建完成后，控制中心就有了整个蓝牙红外网络的所有信息， 完成了被控制对象与控制信号之间的对应，用户在控制中心可查看网络中所有设 备的信息，同时也能对设备进行远程控制。 下面再结合一个用户实例描述一下整个系统的运行流程。用户在早晨上班 后，突然想到厨房的灯没有关，在本系统中用户不需要自己回到家中去关灯，只 需要用手机向家中控制中心指定的手机号码发送一条短信。此时控制中心的监控 程序一直处于监听状态，监听到无线传输系统发送的信号后，首先解析信号数据， 获得用户的命令为关闭厨房的灯，然后监控程序查找数据库，确认厨房灯的编号 为0 1 0 2 ，前2 位0 l 代表厨房中的开关强度量控制器的编号，后2 位0 2 代表灯 的开关位于该控制器的第二个控制量。同时从数据库中搜索到控制器对应的蓝牙 设备地址，然后将控制命令发送到指定的控制器上。控制器中的单片机加电后也 一直处于监听模式，控制器中的蓝牙模块收到信号后通过串口将数据传送给单片 机，单片机首先对信号进行校验和解析，解析得知要调整第二个开关量到关闭状 态。将p 0 1 置为低电平，控制继电器关闭，完成厨房灯的关闭。 2 5m c 3 9 i 简介 由于无线传输系统是基于m c 3 9 i 模块设计和实现，本节对m c 3 9 i 模块简要介 绍。 m c 3 9 i 是新一代的双频g s m g p r s 引擎【1 6 】【1 7 1 ，可以利用它比较方便地进行基 于短消息或g p r s 的移动数据传输 1 概述如下： 双频：e g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 第二章智能家居整体结构及无线传输系统 g p r s 多通道类别8 体积小、重量轻 低功耗 支持数据、语音、短消息和传真 s i m 应用工具包 a t 命令集控制 r & t t e 认证、g c f 认证 s m s ：m t m o c b p d u 模式 音频：最高速率，升级最高速率和半速率 电气特性： 电压范围：3 3 至4 4 v 电流消耗： 3 0r n a ( 睡眠) 1 0 0m a ( 闲置) 3 0 0m a ( 通话，最高2 0 a ) 1 0 0i ia ( 掉电) 输出功率：2 w 类别4 ，f o re g s m9 0 0 l w 类别l ，f o r g s m1 8 0 0 接口： 4 0 脚连接： 电源接口 s i m3 v 接口 标准r s 2 3 2 双向接口 模拟语音接口 5 0 欧姆天线连接器 2 m c 3 9 i 的组成 内部结构原理图如图2 一1 5 所示： 图2 - 1 5g s m 模块内部结构原理图 - 1 5 - 第_ 章智能家居整体结构及无线传输系统 主要包含五个部分，g s m 无线部分，存储器，g s m 基带处理器，电源，外部接 口它实质上是个调制解调器，负责模拟数字信号的转换。 3 m c 3 9 i 的工作模式 关闭状态：此时只有电源供应电路上的一个电压调节器给实时始终 供电。此时r s 一2 3 2 接口不可达。 令标准工作模式： 休眠状态：通过命令a t + c f u n 设为省电模式，软件工作于最 小功耗。a t 命令接口不可用。 空闲状态：软件工作。引擎准备好接收或者发送数据。 通话模式：两个用户处于连接通话状态。功率消耗取决于系 统设定及工作的具体情况。 在空闲状态和通话状态r s 一2 3 2 接口均可访问。 夺警报模式：处于关电源状态，具备一些限制的r t c 报警功能。部分 a t 指令可以用。 充电模式：具有一些由电池供电的操作，部分a t 指令可以用。 夺充电工作模式：标准工作的同时进行充电。 4 m c 3 9 i 的接口m c 3 9 i 的接口 m c 3 9 i 的接口如表2 - 6 所示： 表2 - 6m c 3 9 i 的接口 第_ 章智能家居整体结构及无线传输系统 2 6 本章小结 介绍了本智能家居系统的整体结构，包括两个部分，无线传输系统和室内无 线控制系统，并对无线系统中的m c 3 9 i 模块作了简要介绍，旨在说明无线传输系 统在整个智能家居系统中的作用和它的优越性，为智能家居中的无线传输系统的 设计与实现奠定了基础。 第三章无线传输系统的设计与实现 第三章无线传输系统的设计与实现 本章开始将无线传输系统所选用的西门子公司的m c 3 9 i 型g s m 模块进行详 细的研究，并在它的基础上构成智能家居系统中负责与移动设备进行数据通信的 无线传输模块。 3 1 串行接口 由于p c 与无线通讯模块通过串行接口传输数据，我们我们对串行接口【1 8 j 的 电路设计过程如下： m c 3 9 i 模块提供了一个符合i t u tv 2 4 协议中d c e 信令规范的异步串行接 口。信号的有效电平为0 v ( 代表数据位“0 ”) 和2 6 5 v ( 代表数据位“1 ) 。m c 3 9 i 在设计上属于数据通信设备( d c e ) ，按照传统习惯，当它与数据终端设备( d t e ) 通过串行接口连接时，遵循以下信号规范： 夺终端上的t x d 管脚向m c 3 9 i 的t x d 管脚发送数据； 令终端上的r x d 管脚接收由m c 3 9 i 的r x d 管脚发送的数据。 具体的接口连接方式如图3 1 所示。 i 一一一一一一一 ： t x d 0 ： t x d 0 ： 。，口y n ni ，r x d 01 g s m ： r t s 0 ：r t s 0i m o d u l e l ，c t s 0 ：c t s o ：a p p l i c a t i o n ： ，d t r 0i，d t r 0 ：( d t e ) ( d c e ) l d s r 0 ： d s r 0 ： 。 l，d c d 00 r g o ： g 0 一li p c 与线通讯模块串口连接 该串口具有以下特征： 夺设于语音、c s d 、传真及通过a t 指令控制g s m 模块； 令全设计，允许分为三个虚拟通道(csd和传真业务只能在第一个逻 进行) ； 第三章无线传输系统的设计与实现 令包括数据线t x d 0 和r x d 0 ，状态线r t s 0 和c t s 0 ，以及调制解调器的 控制线巾t r 0 ，d s r 0 ，d c d o ，砌n g o ； r i n g 可以用来指示来电或其它u r c 代码； 8 数据位，无检验位，l 位停止位； 令可以工作在3 0 0 b p s 到2 3 0 4 0 0 b p s 之间的任意波特率； 可自动适应以下波特率：4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 ，3 8 4 0 0 ，5 7 6 0 0 ，1 1 5 2 0 0 ， 2 3 0 4 0 0 b p s ； 支持通过r t s 0 和c t s 0 进行硬件握手以及x o n x o f f 的软件流量控制。 在实际电路设计中，m c 3 9 i 模块由p c 机直接控制，因此连接电路只要把p c 机的串口与m c 3 9 i 串口的r x d 和t x d 线连接即可。 3 2s i m 卡接口 m c 3 9 i 的基带处理器集成了符合i s o7 8 1 6i c 卡规范的s i m 接口，共6 个管 脚。为符合3 g p pt s 5 1 0 1 0 1 的规范要求并满足e m c 兼容的需要，通常建议 m c 3 9 i 的板对板连接器与s i m 卡座电路之间的线路不能超过2 0 0 m m 。m c 3 9 i 模 块s i m 卡接口相关管脚信号定义如表3 - 1 所示： 表3 i s i m 卡接口相关管脚信号定义 管脚信号 描述 c c g n d c c c l k c c v c c c c i o c c r s t c c 玳 要求为s i m 卡提供独立接地以提高e m c 卡时钟，在基带处理器可以设置不同的时钟频率 s i m 卡电源 串行数据线，输入和输出 s i m 卡复位，信号由基带处理器提供 作为基带处理器的一个输入信号，检测卡座里是否有s i m 卡插入 为了保护s i m 卡以及m c 3 9 i 模块的s i m 卡接口电路，我们选用了具有8 个 管脚的s i m 卡卡座。通过它可以利用c c i n 信号来由m c 3 9 i 的基带处理器自主 检测s i m 卡是否存在。这种卡座的外形和管脚定义如图3 - 2 和表3 - 2 所示： 第三章无线传输系统的设计与实现 图3 2 卡座的外形 表3 2 卡座管脚定义 m c 3 9 i 模块与s i m 卡电路接口部分设计如图3 3 所示： c c v c c 1 一一 5 c c v p p_ 一 6 c c i o c c c l k 3 2 c c r s t 4 c c c g n d f 、r o 7 1 0 0 n1 0 0 n1 n 一o 乙u 匕li c 1 2 0 6c 1 2 0 5c 1 2 0 4 一，、，、n t 1 8 一u l u 亡l z 图3 3m c 3 9 i 模块与s i m 卡电路接口 c c v c c c c i n c c i o c c c l k c c r s 丁 图中左边为s i m 卡卡座，右边的信号代表连接到m c 3 9 i 模块上的相应管脚 信号。如图所示，当s i m 卡放入卡座中并将滑盖盖上之时，7 、8 两根管脚接通， 通过c c v c c 把c c i n 管脚置高电平，指示s i m 卡已经安全放入卡座中。 第三章无线传输系统的设计与实现 m c 3 9 i 模块的启动包括一个对s i m 卡的初始化过程，这个初始化过程在模块 启动后1 秒内完成。当初始化完成时，c c i n 管脚信号电平的高低会产生不同的 影响： 如果在m c 3 9 i 启动过程中，c c i n 信号为高电平，那么随后任何时间把 卡插入或取出的状态都能够被检测到。若c c i n 变为低电平，说明没有 s i m 卡在卡座中，那么模块就会以固定的频率搜寻s i m 卡，一旦s i m 卡 放入到卡座中，则c c i n 信号再次被置为高电平。 夺如果在m c 3 9 i 启动过程中，c c i n 信号为低电平，模块仍然会尝试初始 化s i m 卡。在这种情况下，只有当s i m 卡在卡座中时才会成功进行初始 化。一旦初始化完成但s i m 卡被取出，那么模块不会再次搜寻s i m 卡， 从而只能完成紧急呼叫的功能。 3 3 电源部分 m c 3 9 i 的电源供应要求是单电源v b a t t = 3 3 v - - 一4 8 v 。由于m c 3 9 i 在进行数据 发送时电流的突发消耗会达到2 a ，所以要求电源能提供足够大的电流，并且要 求在任何情况下工作电压不能低于3 3 v 。如图3 - 4 所示： t r a n s m i t b u r s t2 a t r a n s m i t b u r s t2 a v 8 a t t + _ 广一1r 1 m i n 3 3 v 。l j 。j i 。m a 4 0 0 m v 图3 - 4m c 3 9 i 的工作电流与工作电压 m c 3 9 i 模块提供了b a t t + 管脚和g n d 管脚各5 个，在它的内部集成了电源管 理模块，具有如下特征： 夺通过线性稳压器向g s m 基带处理器和r f 部分提供稳定的电压； 控制模块功耗上升与减小的过程； 夺在基带处理器中实现一个看门狗逻辑定时向电源管理模块发送信号，以保证 其对m c 3 9 i 各部分的电源供应正常，一旦脉冲信号没有正常到达电源管理模 块，自动切断电源进行保护； 夺在v d d 管脚产生2 9 v 的电压，可用做电源，例如驱动一个外围的发光二极 第三章无线传输系统的设计与实现 管或电平转换器。由于m c 3 9 i 模块在p o w e rd o w n 模式下不在v d d 管脚产生 该电压，故也可用它来指示模块是否在p o w e rd o w n 模式； 令向s i m 卡接口电路提供电源。 基于以上考虑，电源部分选择支持大电流的可调线性稳压模块l m 3 5 0 k 。该模 块为t 0 _ 3 封装，金属外壳，可以提供3 a 的电流。l m 3 5 0 k 只需外接两个电容， 一个固定电阻和一个可调电阻，即可实现线性稳压。 l m 3 5 0 v j t 篇v 图3 5 基于l m 3 5 0 k 模块的电源部分原理图 如图3 - 5 ，l m 3 5 0 k 在v o u t 与a d j 端之间产生固定的1 2 5 v 电压，因此通过 固定电阻产生恒定的电流，这样通过调节可调电阻的阻值，即可实现对v o u t 的 p 调节。v o u t 的推导公式为：v o u t = 1 2 5 v ( 1 + 等) + l a d j r 2 。一般情况下，i a d j 代l 的值非常小，可以忽略它对v o u t 的影响。由于v i n 到v o u t 之间的压降将完全落 在l m 3 5 0 上，所以要尽量缩小v i n 与v o u t 之间的差，从而一方面降低对电能的 浪费一方面减少器件发热保持稳定性。 3 4 模块的启动与关闭 3 4 1m c 3 9 i 的启动机制 启动m c 3 9 i 有两种方式可以选择： 令通过i g t 管脚：进入到正常工作状态； 通过r t c 中断：进入警报状态。 通常采用第一种方式正常启动m c 3 9 i 模块。要求把i g t 管脚置低电平并保 持至少l o o m s 。为了防止电流倒灌入i g t 管脚，可以使用集电极开路或漏极开路 的方式实现电平驱动。以这种方式启动m c 3 9 i 模块时必须遵循以下几个步骤： 第三章无线传输系统的设计与实现 令在v b a t t + 超过3 0 v 之前不允许对i g t 管脚进行任何操作； 令在v b a t t 。达到3 0 v 并超过1 0 m s 之后可以将i g t 管脚拉低。下降沿的宽度不 得超过l m s ； 令再至少保持1 0 0 m s 的时间才能启动m c 3 9 i 模块； 夺当对i g t 管脚进行操作的过程中，必须保证v b a 丌+ 不低于3 0 v 。否则模块 不能被激活。启动时序如图3 - 6 所示： b a t t + ，l g t 图3 - 6m c 3 9 i 模块启动时序图 在试验电路中，使用了具有集电极开路结构输出的7 4 l s 0 5 芯片。它有1 4 个 管脚，在内部集成了6 个独立的反相器，输出均为集电极开路，适合设计的需要。 但在实际设计应用中，由于只需要用到一个反相器，因此会造成比较大的资源浪 费，此外还占用了宝贵的电路板上的空间。因此，样机设计中最后采用的是利用 a t 8 9 s 5 2 单片机，它的p o 口为漏极开路输出，因此占用p 0 的一根线来驱动m c 3 9 i 的i g t 管脚。 3 4 2m c 3 9 i 的关闭机制 正常模式：通过串口向m c 3 9 i 发送a t 指令a t s m s o 。m c 3 9 i 收到此 命令后，首先注销网络，然后使程序进入安全状态并把需要的数据保存 好，最后切断电源进入p o w e rd o w n 模式。在切断电源之前，模块会通 过串口反馈代码信息： s m s o ：m so f f o k 在这之后，模块不会响应任何a t 指令。需要注意的是，在模块v d d 管 脚的指示信号变为低电平之前，不要手动切断电源。因为在这之前，模块还 没有进入到p o w e rd o w n 模式，切断电源可能会导致数据丢失。 第三章无线传输系统的设计与实现 令紧急关闭：通过硬件电路驱动m c 3 9 i 的e m e r g o f f 管脚至低电平，这 样会立即停止电源向m c 3 9 i 的供应，但只限用于正常模式下无法关闭的 情况； 夺自动关闭：当电源提供电压不足或m c 3 9 i 模块温度超过临界温度时，模 块自动按照正常模式的关机步骤进行操作，并会通过串口反馈u r c 代 码，如表3 3 所示： 表3 3m c 3 9 i 的关闭机制 自动关闭( 电压不足) a t s b c ：u n d e r v o l t a g e 发送温度警报 s c t mb ：l s c t mb ：1 s b c t mb ：0 自动关闭( 温度过限) s c t mb ：2 s c t mb ：2 指示由于电压不足而自动关闭 警报：模块温度接近临界上限 警报：模块温度接近临界下限 模块温度恢复正常水平 由于模块温度超过7 0 c 而自动关闭 由于模块温度低于- - 2 5 而自动关闭 3 4 3 启动与关闭的其它注意事项 为避免m c 3 9 i 工作不正常，关闭与再启动模块之间的时间间隔最小不要低于 3 秒。模块每次关闭之前都要把相关数据从内存中写入到f l a s h 存储器中，f l a s h 的最大保证擦写周期为1 0 0 0 0 0 次。 3 5 同步指示信号电路的设计 m c 3 9 i 模块的3 2 管脚s y n c 可以向外部提供同步信号，显示在传输突发中电 能的消耗。它适用于两种不同的工作模式，可以通过a t 指令a t s s y n c 来设置。 默认状态下此管脚工作在模式0 ，产生同步信号。如果对功耗控制有比较高的要 求，推荐使用此模式。通过这个同步信号的指示，采用降低系统中其它设备的功 耗的方法，可以向m c 3 9 i 提供足够的电流。在这种模式下信号产生的时序如图 3 7 所示： 第三章无线传输系统的设计与实现 t x ：5 7 7 , i s t r a n s m i lb u r s l s y n cs i g n a l - 4 - - 3 0p - 伯田