（测试计量技术及仪器专业论文）基于gsm的远程家居智能控制研究.pdf

摘要 本文建立一个基于g s m 短信息的家居智能化遥控检测系统，实现对家庭设备，家居 环境的监控，设计中采用了a t 8 9 c 5 1 单片机，无线g s m 短信息模块，电力线载波技术 和l o n w o r k s 现场总线技术。本文主要内容包括：系统主控模块电路设计，子功能模块 电路设计( 防盗报警模块，电力线通信模块等) 和系统软件设计等几部分。 本文首先讨论了智能家居的概述和基本功能，然后介绍了常用的几种通信技术，和 其他一些与智能家居相关的技术，通过对比分析，得出采用g s m 无线通信技术实现对 家居的远程监控。g s m 短消息模块执行发送短消息给用户和接收用户短消息把数据传送 给单片机，从而建立用户和主控系统直接的远程通信功能。在家居内部，通过电力线 载波技术和l o n w o r k s 技术实现子模块和主控模块之间的通信。l o n w o r k s 的n e u r o n 芯 片本身有c p u ，所以在子模块中它可以很方便的实现数据采集处理与传输。主控模块为 单片机控制，完成发送，接收，解释短消息，并实现对各子功能模块的控制。该系统 采用c 语言编程，基本实现了各系统功能。 关键字：智能家居 6 s m 电力线载波技术单片机远程控制 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , b a s e do ng s ms h o r tm e s s a g e ，ar e m o t ea n dd e t e c t i n gs y s t e mf o rs m a r t h o m ei sd e v e l o p e d ，r e a l i z i n gt h ed e t e c t i n go ft h eh o m ee q u i p m e n ta n dt h es t a t eo fh o m e e n v i r o n m e n t i nt h ed e s i g n ，a t 8 9 c 51m i c r o - c o n t r o ls y s t e m ，w i r e l e s sg s ms h o r tm e s s a g e ， p o w e rl i n ec a r r i e rw a v em o d e ml o n w o r k sa r eu s e d t h ep a p e ri n c l u d e sh o s tc o n t r o lm o d u l e a n ds e v e r a ls u bf u n c t i o nm o d u l e s ( a l a r mm o d u l ea n dp o w e rl i n ec a r r i e rw a v em o d e m ) a n d s y s t e ms o f t w a r ea n ds oo n i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c e dt h eo v e r v i e wa n dt h eb a s i cf u n c t i o no ft h ei n t e l l i g e n th o m e a tf i r s t ，a n dt h e ni n t r o d u c e ds e v e r a lc o m m o n l yu s e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n do t h e r s m a r th o m er e l a t e d t e c h n o l o g y b yc o m p a r i n g ，w e d e c i d e dt ou s eg s mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yf o rr e m o t em o n i t o r i n go fs m a r th o m e t h ef u n c t i o no fg s m m o d u l ei st os e n da n dr e c e i v em e s s a g ea n ds e n dd a t at om c u ，t h e nt os e tu pu s e ra n da r e m o t ec o n t r o is y s t e mo fd i r e c tc o m m u n i c a t i o n i nt h eh o m e ，w eu s e dp o w e r1 i n ec a r t i e r w a v et e c h n o l o g ya n dl o n w o r k st e c h n o l o g yt oa c c o m p l i s ht h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m a s t e rm o d u l ea n ds l a v em o d u l e n e u r o nc h i ph a sac p u ，s ot h es l a v em o d u l ec a ne a s i l y h a n d l et h ed a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n t h em a s t e rm o d u l eu s e sm c u f o rc o n t r o l l i n g ， i n c l u d es e n d i n g ，r e c e i v e i n g ，t r a n s l a t i n gm e s s a g e ，c o n t r o l l i n gs l a v em o d u l e s t h es y s t e mu s e s c p r o g r a m m i n gl a n g u a g et oa c c o m p l i s ht h ew h o l ef u n c t i o n k e yw o r d s ：s m a r th o m e g s mp o w e rl i n ec a r r i e rw a v et e c h n o l o g ym c ur e m o t e c o n t r o l i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于g s m 的远程家屠智能控制 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：主园) 叠 一上丝l 年上月旦日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子舨，允许论文被查阕和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：主亟! 叠盟年上月兰日 指导导师签名： 年月竺日 第一章绪论 1 1 智能家居概述 智能家居是以住宅为平台，是将建筑、网络通信、信息家电、设备自动化、系统、 结构、服务、管理融为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的家居环境。它是通过 综合采用先进的计算机、通信和控制技术，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务 系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防 护、便利的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。 智能家居系统从功能上划分，包括以下五个基本单元：家居网络控制平台、智能远 程抄表子系统、智能家居信息子系统、智能家居安防子系统、智能家居控制子系统。 如图1 1 所示。 图1 1 智能家居网络系统组成 ( 1 ) 家居网络控制平台 家居网络控制平台是智能家居网络的核心，相当于智能家居网络的“心脏 。对外 不但可以通过i n t e m e t 、电话和手机等方式接收家庭主人命令或向家庭主人发送家居环 境信息，还可以通过总线与小区的区域控制器连接，形成小区控制网络；对内通过家 庭总线与各家居智能子系统连接，形成智能家居网络。家居网络控制平台可单独设立 服务器，亦可利用家庭计算机实现，采用超大屏幕液晶显示屏，住户不但可以利用它 监控和管理家居网络，而且还可以通过它与小区管理中心进行信息交换，既可查阅接 收小区管理中心发来的天气预报、各种通知等短信息，又可向中心发送短信息，请求 或咨询各种服务，另外，还可进行室内或远程家庭留言。 ( 2 ) 智能远程抄表子系统 智能远程抄表子系统通过家庭总线上配置的数据采集器，完成住宅三表( 水表、电 表、气表) 的数据自动记录和上传，以便小区管理中心进行记录、换算、统计、查询和 打印等管理操作，为住户提供联网付费，银行自动结算和远程在线查询水、电、气使 用情况等相关服务。 ( 3 ) 智能家居信息子系统 智能家居信息子系统由电话联接模块、有线电视分配模块和宽带网络接入模块组 成，分别用于将家居中的话音类、音频与视频类和计算机类三大类信息家电通过家居 网络控制平台与电话网、电视网和i n t e r n e t 宽带接入网相连，完成信息家电与外界的大 批量信息高速传输。 ( 4 ) 智能家居安防子系统 智能家居安防子系统中安装了各种专用探测器和前端探测设备，提供玻璃破裂、火 灾、煤气泄漏、盗贼入户、门禁破坏等报警，住户可通过监视器、监听器、可视对讲 机等设施对住宅内外的情况进行监控，利用紧急按钮进行报警。住户还可设定不同防 区的类型和报警方式，可通过远程监控方式或室内直接方式进行设防撤防，设置多种 通信报警方式，如本地声光报警、电话语音报警或向小区管理中心报警等等。 ( 5 ) 智能家居控制子系统 智能家居控制子系统的控制对象主要是网络家电中的耗能类家电，如电冰箱、空调、 微波炉、热水器、电饭煲、电灯等等家用电器。这些网络家电通过现场总线互联成智 能家居控制系统子网，再通过路由器与家居网络控制平台相连，进而实现与互联网的 连接。通过组建智能家居控制子网，不但使耗能类智能网络家电之间可通过现场总线 进行互操作，同时还可让用户通过互联网进行远程监控。 1 2 智能家居网络的协议标准 目前，在家居网络的组建中主要采用下述三种协议标准，它们分别是r a d i os h a r e c h a i n 公司的x 1 0 系统、美国电子工业协会( e i a ) 制定的总线协议c e b u s 系统和 e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 系统。 ( 1 ) x 1 0 系统 x 1 0 系统是由美国r a d i os h a r ec h a i n 公司于1 9 7 8 年研制成功的，是国际上第一个 应用于家庭设备自动控制的系统。x 1 0 系统的基本控制原理是：由主控制器发出的地 址或控制命令是以串行的二进制代码表示。在5 0 6 0 h z 的交流电源的过零处，如果出 现持续2 0 0 u s 左右时间的频率为1 2 0 k h z 的脉冲群，则表示为“1 ”信号，如果没有这 样的脉冲群，则表示为“o 信号。由于系统每次传输的二进制串行数据的长度很短， 因此，可以保证一定的可靠性。 x 1 0 系统主要实现的是单向控制，即各控制模块只能接收主控器发来的信息，而 各控制模块之间是不能交换信息的，信息的传输较慢，只能应用于普通家庭中的简单 控制和专项控制，如灯光、电饭煲和微波炉一类简单家用电器的启停控制。 ( 2 ) c e b u s 系统 x 1 0 系统存在传输速度慢，抗干扰性能差等缺点，为了解决x 1 0 技术上的不足， 2 美国电子工业协会( e i a ) 于1 9 9 2 年推出新的家居网络标准c e b u s ，并定为 i s 6 0 e i a 6 0 0 标准。c e b u s 标准支持多种信息传输方式，如电力线载波、双绞线、无 线( i 讧) 以及电缆通信等，并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的速度传输，从 而有效地避免信号传输中可能出现的“瓶颈”问题，任何符合c e b u s 标准的电器产品 都可以直接互连及通信，其寻址能力超过4 0 亿。c e b u s 的抗干扰能力比x 1 0 强得多， 控制功能也十分强大。 ( 3 ) l o n w o r k s 系统 l o n w o r k s 系统是由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年1 2 月开发成功的全分布式智能控 制网络技术。它的基本模块是具有通信和控制功能的神经元芯片，该芯片内设计有三 个微处理器，分别用于通信、系统管理和端口信息数据的处理。芯片内还内嵌了网络 服务系统、通信协议和运作时间数据库，由于它具有很强的通信能力和一定的数据处 理能力，因此它在数据采集和分散型的监控系统以及工业过程控制中得到了广泛的应 用。近年来，在美国将该系统应用于家居网络中，取得比较好的效果。 从技术上特点上看，l o n w o r k s 系统无论是在构网能力方面还是在通信协议的完备 性方面，都具有很大的优势。 1 3 智能家居网络的信号传输介质 智能家居网络通信形式多种多样，可以采用多种信号传输介质实现，大致有以下几 种： ( 1 ) 电力线 用电力线作网络信息的传输介质是最方便的，现在的家庭中几乎都已铺设了供电的 电源线并且电源线延伸到家庭的每个角落。另外，各种家用电器的运行都离不开电源， 因此利用电力线来实施智能家居网络的方案不仅方便而且经济。国际上第一个实现家 庭自动化的方案就是利用电力线作为信息传输介质的。 ( 2 ) 电话线 利用电话线作为家庭信息传输介质的研究虽然起步较电力线晚些，但由于它具有布 局简单、使用方便、安全性能好和易于大规模推广应用等优点，而且近期信号传输速 率又得到了大幅度提高，所以它的应用和发展非常快，在美国已有成熟的产品。1 9 9 8 年6 月由美国1 1 家著名公司，其中包括：3 c o m 、a d v a n c e dm i c r o d e v i c e s 、a t & t 、 c o m p a q 、h e w l e t t p a c k a r d 、i n t e l 、i b m 和l u c e n tt e c h n o l o g i e s 等，发起成立了“电话 线家居网络协会”，至今己有1 0 0 多个成员。 ( 3 ) 双绞线同轴电缆 用双绞线同轴电缆作为家居网络信号的传输介质是最通用的，虽然这种方式需要 另外铺设2 4 根专用的传输线，给实际施工带来一定的困难，但由于其具有很高的通信 可靠性和总线接口相对简单等优点，所以仍广泛使用在家居网络系统中。 ( 4 ) 无线方式 无线方式是通过红外线或射频载波等形式传输信息，尤其是近些年发展起来的“蓝 牙技术”，给无线方式带来更大的活力。目前，可用于传输家庭中应用的控制信号、音 频和视频信号、计算机网络信号。此外由于应用无线方式来传输信息时不需要铺设任 何线路其实现非常方便灵活，适合于在家居网络中使用。但无线方式存在成本高、可 靠性差、易受干扰、保密性差、电磁辐射强度大等若干问题。 ， 由此可见，电力线传输方式应用方便、易于布线，成为人们首选的智能家居网络信 号传输介质。 1 4 远程监控技术概述 本课题研究建立一个对家居环境进行远程监控，实现家居智能化的系统。远程监控 是指远端的监控系统通过通信系统对现场的系统进行监测与控制，其目的在于突破地 域和环境上的限制，实现集中和高层监控，最终实现生产资源和社会资源的优化配置。 现代远程监控技术是计算机技术、通信技术、网络技术和监控技术的结合，是信息技 术与控制技术的集成。 现在工农业的生产中，远程监控有着广泛的应用，进行远程监控有以下几种方式： 使用无线电收发设备；利用有线电话网络，使用电话线路，以双音多频( t d m f ) 信号为载体传送简单命令和数据；利用计算机，借助i n t e m e t 传送数据及命令；借 助l p m n ( 公用陆地移动网) 的s m s ( 短信) 服务平台或g p r s ( 通用分组无线业务) 的数据 业务功能传送数据或命令。 然而无论哪一种传输技术，对于用户来讲，最基本的要求便是要方便、快捷、安全、 可靠。有线传输方式，可以通过架设专线、利用公共数据网等实现，但是在很多场合 下，有线方式受到了架线环境、传输距离等条件限制。无线方式实现方式也很多，可 以通过自建无线发射接收系统，如( 超) 短波电台、架设微波线路等，但是这种方式容易 受到地形地貌的影响以及频率资源的限制，架设成本高、系统的架设和维护工作繁重， 在业务量小、用户数量大、位置分散等应用场合中也受到很大限制。移动通信经过三 代发展，g s m 系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟，最完善，应用 最广的一种移动通信系统。g m s 全球移动通讯短信息传送技术，在远距离监控、数据 采集、g p s 定位、无线报警、缴费通知等领域，都有着广泛的应用。由于g s m 网络在 全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大 提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用。同时，它对用户的 数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费用高，且网络监控 的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法 比拟的优势，加上g s m 的s m s 本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速 的普及。利用g s m 短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为 远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。 短消息传送业务采用专用控制信道( d c c h ) ，可以使网络管理端确切地知道被叫方 4 是否已经收到短消息，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络管理端会重新 发送消息，以确保被叫方能收到。因此，作为g s m 网络的一种主要的电信业务，短消 息业务的信息传递是实时可靠的。每个短消息的信息量为1 4 0 个八位组( 7 比特编码， 1 6 0 个字符) 不超过1 4 0 个字节，足以满足单个监测指标的信息量。综上所述，系统选 用g s m 的短消息业务，来实现远程家居设备的监测是可行的。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题将建立一个通过g s m 短信息的收发实现对家庭设备的遥控，对家庭环境状 况监测和数据传输的远程家居智能控制系统。 本课题的主要工作有： 完成基于g s m 短信息家居智能化遥控系统总体方案的设计 单片机主控模块的设计 防盗报警模块的设计 电力线通信电路设计 软件设计 第二章总体设计 弟一早 芯侔阪丌 本设计将构建一个基于g s m 短信息的家庭远程监控系统。通过前述分析决定采用 g s m 短信息系统进行无线通信，实现远程监控，它具有节约建设费用、节约维护费用、 节约使用费、方便实施等优点。设想整个系统由一个中心控制模块和各分散控制模块 组成。中心控制模块负责联系用户手机和各分散控制模块。整个家居系统由单片机主 控模块和各功能子模块构成。主控单片机模块接收用户手机发送的短信息，根据短信 息的内容控制各子功能模块；同时主控单片机模块将家居系统的信息以短信息形式发 送给用户手机。经绪论中分析本设计选用电力线载波方式作为信息通信媒介。l o n w o r k s 系统无论是在构网能力方面还是在通信协议的完备性方面，都具有很大的优势，因此 整个系统采用l o n w o r k s 组网。各子模块由l o n w o r k s 子节点控制和与主机通信。由于 n e u r o n 芯片的限制，主机采用单片机控制，n e u r o n 只作为一个信息接收和传递芯片。 根据以上的设计思想建立的家庭g s m 短信息遥控检测系统整体结构框图如图2 1 所示。由无线g s m 终端通信模块、主控单片机a t 8 9 c 5 1 、电力线智能收发器( p l c w ) 、 防盗报警模块、灯光控制模块等构成。 图2 1 系统框图 本系统采用g p r sm 2 2 模块。该模块不仅可以在g s m9 0 0 m h z 和g s m18 0 0 m h z 两种频段工作，而且还提供宽带的g s m 应用，能进行语音和数据的传输。向用户提供 了标准的a t 命令，用户可以利用a t 命令的切换来控制其语音、短消息的收发切换。 电力线通信模块采用s t 7 5 3 6 芯片，它是面向电力线载波通信市场而开发研制的专 用扩频调制解调器电路。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合 成等新技术，因此该电路应用在电力线通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。该 芯片在小型多功能应用系统中可以起到降低系统成本并提高系统功能的作用。 6 a t 8 9 c 5 1 作为本系统的主控部件。a t 8 9 c 5 1 是一种价格低廉、低功耗、高性能的 片含有4 k b 快闪可编程擦除只读存储器的8 位c m o s 微控制器，使用高密度、非易 失存储技术制造，芯片上的f p e r m o 允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对 程存储器重复编程。 主控模块依照g s m 模块通信协议与之进行通信，进行短信息的收发。主控单片机 电路接收并解释短信息指令，通过电力线载波对连接在其上的各功能子模块进行控制。 通过总线，可以实现对多个电源插座和电控阀门的开关控制，对室内窗户空调等的开 关控制，对室内温度、湿度进行监测，对室内有毒气体、烟雾和红外防盗进行监测， 在异常时按照预设的号码进行短消息报警。g s m 模块与主控模块单片机通过扩展的串 口通信，主控模块与总线上挂接的各子模块采用主从式串口通信。由于时间有限本设 计中主要完成了主控模块、电力线通信模块、防盗报警模块和灯光控制部分电路的软 硬件设计。 2 1 主控模块的设计 系统主控模块电路结构框图见图2 2 所示，它由看门狗电路、电源模块、g s m 通 信模块、a t 8 9 c 5 1 单片机、开关量接口电路构成。 图2 2 主控模块结构框图 电力线 g s m 短信息模块主要提供无线语音和数据传输功能，外界传输的媒介为g s m 网 络。本课题主要是利用它的数据传输功能，本系统和用户间的通信就和两个手机用户 间通信一样。a t 8 9 c 5 1 单片机是这部分的核心，它承担着短信息的接收和发送、短信 息解释、命令的发送等任务。看门狗电路实现对单片机运行的监控。主控单片机和神 经元模块以及g s m 通信模块之间通过串口进行通信，但a t 8 9 c 5 1 只有一个串口，所 以采用i n t e l 8 2 5 1 a 芯片扩展一个串口。各子模块内置c p u ，而且为了便于主控单片机 模块对各功能子模块的识别，各模块均设定地址。由于采用总线通信，因此用户可以 按实际需要安装相应的模块，亦可在安装完成后再增减模块数量。g s m 通信模块安装 了s m i 卡，这就是本系统的号码。 7 2 2 防盗报警模块设计 防盗报警模块用于室内的安全检测，并能向用户手机发送报警信息，用户收到报警 短信后采用相应的处理措施。这部分也是个小系统，包括设防电路设计，人体传感器 电路设计和串行通信电路设计等几部分。这个小系统通过电力线载波m o d e m 连接到电 力线上，采用电力线载波方式与主控模块间通信。 设防电路设计：系统使用固态继电器控制人体传感器的电源的通断来控制系统是否 设防的。我们用两种方式实现防盗系统的设防。一种是手动( 设防按钮和关闭按钮) 设防，一种是通过发送g s m 短信息设防。当设防按钮被按下时，或发送设防信息后， 固态继电器导通，人体传感器上电，防盗系统工作。 人体传感器电路设计：这部分选用热释电红外传感器检测是否有人进入。其输出信 号接到n e u r o n 芯片的i o 口。 2 3 电力线通讯系统设计 欧洲s t 公司的s t 7 5 3 6 是一个半双工、同步f s k 调制解调器芯片。它专为低压电 力线传输而设计，较好地克服了低压电力线载波传输中的技术问题。因此本系统采用 s t 7 5 3 6 做为电力线通讯系统的芯片。本论文讨论的s t 7 5 3 6 的外围接口电路，包括电 源电路、信道选择电路、晶体震荡电路、自动频率控制电路、自动电平控制电路、测 试端口电路。电力线接口电路包括缓冲器、低通滤波器、功率放大器、变压器、前置 放大器、电源开关电路等。总体结构电路图如图2 3 所示： 图2 3 电力线通讯框图 第三章g s m 短消息概述 g s m 的短消息业务s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 与话音传输及传真一样同为g s m 数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务，它通过g s m 通信网所特有的无线控制信 道进行传输，经短消息业务中心完成存储和前转功能，每个短消息的信息量限制为1 4 0 个八位组( 7 比特编码，1 6 0 个字符) 。传送短消息业务的控制信道为专用控制信道。它 不用拨号建立连接，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消 息服务中心再发送给最终的用户。这适于把每次采集到的数据随时发送到监控中心。 短消息业务可以使网络端知道被叫方是否已经收到短消息，如果传送失败，被叫方没 有回答确切消息，网络一侧会保留所传的消息，一旦网络发现被叫方能被叫通时，消 息能被重发以确保被叫方能收到。因此短消息业务作为g s m 网络的一种主要的电信业 务，它的传递是可靠的。 短消息是g s m 承载业务中唯一不要求建立端端业务路径的业务，即使移动台已处 于完全电路通信情况下仍可进行短消息传输。在整个传输过程中，有呼叫连接建立和 释放的过程。短消息中心具有短消息的存储功能，终端设备关机时，可以保持消息不 丢失，与寻呼业务相比，传输的可靠性大为提高。利用短消息双向传输的性能，可以 方便地实现对于各类电气设备的远程控制和信息采集，即实现遥控和遥测。 3 1 短消息发送协议 欧洲电信标准协会( e t s i ) 指定了一个短消息发送协议作为g s m 标准的一部分。该 规程定义了三个接口协议：即块模式、文本模式和p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t 协议数据单 元) 模式，用于移动台和终端设备之问通过异步接口传送s m s 短消息。 块模式是一个二进制协议，用于移动台和s m s c ( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r 短信服 务中心) 之间短消息传输的p d u 封装。这个协议包括了错误检测，适用于应用和移动 台之间链路容易出错的情况，特别是在需要控制远程设备时。 文本模式是在为g s m 修改的a t 指令集的基础上定义的基于字符的协议。这种模 式适合非智能终端或终端仿真器，及建立在i t uv 2 5 t e r 之类的命令结构上的应用软件。 应用将消息按简单文本传递到手机组成t p d u 。这意味着文本模式提供的功能较少， 它不支持或不会自动将收到的消息传给应用( 除非通知) 。 p d u 模式和文本模式很相似，区别只是它将组装短消息t p d u 的任务留给应用完 成。该模式使a t 命令集能方便地组构更多复杂的p d u ，例如既可以传递二进制数据 又可以传送字符数据。 基于文本的协议的优点是用户不需要任何特殊的客户软件发送短消息。他们能用任 何终端仿真软件拨叫适当的消息中心，并用提供的不同选项发送短消息。但最大的缺 点是对扩展字符集的支持能力有限。用户只能发送短消息和接收发送确认，s m s c 不 能通知端用户是否已经成功传递了消息。在显示s m s 信息，可能使用不同的字符集和 9 不同的编码方式。如果你想阅读手机上的信息，手机会为你选择一种合适的编码。那 么一个可以阅读s m s 消息的应用要么使用t e x t 模式，要么是p d u 模式。如果使用t e x t 模式，那么应用将绑定( 或限制在) 一些可能的编码选择中。在某些情况下是不够的， 如果使用p d u 模式，那么就可以使用任何编码方式。 3 2a t 命令简介 a t 命令集是调制解调器通信接口的工业标准，a t 命令是调制解调器可以识别并执 行的命令。a t 命令简单、容易掌握，使用它可以配置调制解调器，配合通信软件工作， 与远端系统通信，发起或应答一个呼叫。使用a t 命令设置调制解调器时，用户使用的 通信软件必须提供一个到调制解调器的直接连接状态，使用户能够从命令行输入所需 的a t 命令，如在w i n d o w s9 8 下的“超级终端”中建立一个直接到串口的连接便可 使用a t 命令，也可直接用a t 命令设置串口属性，通过串口控制调制解调器。 a t 命令集从t e ( t e r m i n a le q u i p m e n t ) 或d t e ( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ) 向 t a ( t e r m i n a la d a p t e r ) 或d c e ( d a t ac i r c u i tt e r m i n a t i n ge q u i p m e n t ) 发送的。通过t a ，t e 发送a t 命令来控制m s ( m o b i l es t a t i o n ) 的功能，与g s m 网络业务进行交互。用户可以 通过a t 命令来进行呼叫、短信、电话本、数据业务、补充业务、传真等方面的控制。 g m s 模块的通信全部采用a t + x x x 的格式完成。常见的a t 指令表3 1 如下： 表3 1 常见的a t 指令 g m s 模块连机后应答： 连机a t 回车 o k 回答x ( x = 2 脱网，x = l 注 网络注册a t + c r e g ? 回车 册，x = 2 状态不明) 采用文本模式，p d u 模式 发送模式设置a t + c m g f = l 回车 为a t + c m g f = 0 具体号码由当地运营商 设置短消息中心a t + c s c a = “x x x 回车 决定 接收短消息a t + c m g r = x 回车从x 存储区读取号码 删除短消息a t + c m g d = x 回车从x 存储区删除号码 发送短消息a t + c m g s = “x x x ”回车发送短消息的目标号码 改变波特率a t + i p r = x x x 回车改变波特率 保存已有参数a t & w 回车保存已有参数 3 3p d o 结构 g s m 模块采用p d u 格式收发和存贮短消息，p d u 可理解为对于组成短消息的全 部信息的一个数据包。其中包含的信息有：消息源地址、目标地址、发信时间、数据 格式、使用的协议类型、正文。 发送格式发出的短消息数据包内容依次为： 短消息中心地址一p d u 类型一信息附注一目标地址一协议鉴别符一数据编码表一 数据保存期一用户数据长度一用户数据( 以c t r lz 结束) 。 l o 接收格式接收的短消息数据包内容依次为： 短消息中心地址一p d u 类型一源地址一协议鉴别符一数据编码表一服务中心时间 标志一用户数据长度一用户数据( 以c t r lz 结束) 。 上述结构中，短消息中心地址可由各地移动通信公司取得，如中国移动电信武汉公 司应为+ 8 6 1 3 8 0 0 2 7 0 5 0 0 。目标地址为数据接收端设备( 手机或g s m 调制解调器) 的s i m 卡号。源地址为数据发送端设备的s i m 卡号，用户数据则为需传送的短消息正文。 下面举例说明p d u 格式的具体内容。例如，我们要将字符“h i ”( a s c i i 码为4 8 6 9 ) 发送到目的地“1 3 9 8 6 0 8 2 5 9 1 ”。p d u 字符串为：0 89 16 8 3 1 0 8 2 0 0 7 0 5 f 01 10 00 d9 1 6 8 3 1 8 9 0 6 2 8 9 5 f 10 00 00 00 2 c 8 3 4 。其中： 0 8 是跟在服务中心地址内的字节数。 9 l 是t o n n p i 。t o n n p i 遵守i n t e m a t i o n a l e 1 6 4 标准，指在号码前需加“+ 号； 此外还可有其他数值，但9 1 最常用。 6 8 3 1 0 8 2 0 0 7 0 5 f 0 是当地中国移动短信息中心号码即：8 6 1 3 8 0 0 2 7 0 5 0 0 。编码方式是： 短消息中心的号码每二位取反，奇数位补f 。 1 1 是文件头字节，这里1 1 指正常地发送短信息。 0 0 是m r ( m e s s a g er e f e r e n c e ) 。 o d 是目标s i m 卡号码长度。 9 l 是t o n n p i ：接收短消息手机号码的类型。 6 8 318 9 0 6 2 8 9 5 f 1 是被叫s i m 号码，即：l3 9 8 6 0 8 2 5 9 1 。 o o 是p i d ( p r o t o c o li d ) 。 0 0 是d c s ( d a t ac o d i n gs c h e m e ) 。 其中d c s 的b i tn o - 3 与b i tn o 2 表示数据编码采用什么编码方案：0 0 7 b i t 编码， 0 1 8 b i t 编码，1 0 u s c 2 ( 1 6 b i t ) ，1 1 一预留；默认为0 0 ，即g s m 字符集默认采用7 b i t 编码方案。 0 0 是v p ( v | a l i d i t yp e r i o d ) 。 0 2 是用户传送数据字节个数。 c 8 3 4 是用户数据“h i ”的a s c i i 码经过7 b i t 编码后生成的数据。 p d u 格式中要注意的是数据编码方案d c s ，由它决定用户数据的编码格式，缺省 的g s m 字符集为7 位编码，而a s c i i 码为8 位编码，因此还存在用户数据的g s m 编 码问题。 第四章主控模块设计 主控模块主要有四部分组成：单片机串口扩展电路设计，单片机与g s m 通信接口 电路设计，单片机与n e u r o n 芯片的通信接口电路设计，看门狗电路设计。 系统主控模块以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心，它的主要任务是完成g s m 模块与单片机， 单片机与n e u r o n 芯片的数据通信，为了充分利用单片机还预留了一部分开关量控制接 口。 g s m 短信模块与主控单片机之间根据短信模块的软件通信协议实现互相之间的通 信，因此主控单片机主要是对通信协议进行解释，然后通过串口送指令到总线上去控 制各功能子模块。在总体设计中已分析该单片机须具有两个串口的通信能力。a t 8 9 c 5 1 单片机只有一个串口，我们要进行串口扩展。本设计中选用i n t e l 8 2 5 1 a 进行串口扩展。 a t 8 9 c 5 1 单片机的引脚分配如下： p 0 口：p 0 口作为地址数据总线使用。a t 8 9 c 5 1 外扩展了一块i n t e l 8 2 5 1 a ，p 0 0 与 8 2 5 1 a 的控制数据端c d 引脚相连。 p l 口：p i 口是做i 0 口使用，p 1 0 作为看门狗电路的输入。p 1 1 和p 1 2 用作单片 机和n e u r o n 芯片的握手信号接口，其他口用作预留的开关量接口。 p 2 口：p 2 口输出高八位地址，p 2 7 直接与8 2 5 1a 的片选信号c s 相连。 p 3 口：设计中主要使用p 3 口的第二引脚功能。 p 3 x d 串行输出口。 p 3 1 一t x d 串行输入口。 p 3 2 一外部中断0 的请求，接收器准备好状态线r x r d y 和发送器准备好状态线 t x r d y 通过一个或非门之后接到该引脚上。 4 1 单片机串口扩展电路 4 1 18 2 5 1 芯片介绍 8 2 5 1 a 是一种通用的同步异步接收器发送器，作为外设器件，通过c p u 编程，它 可以有效地运用目前常用的任何一种串行数据传输技术。 8 2 5 1 的内部结构 该芯片的内部结构框图如图4 1 所示。 1 2 r i - 4 f m i f - 4o 断讷 数据总 一d e ： 线缓冲 发送缓 器 冲器 r c v u 发送 r s t 控制 c l k， 读写 c d控制逻 w r 辑 r d d s r _ _ 卜 接收缓 冲器 d t r 卜一 调制解 一 调器控 c t s 叫， 制 - 接收 r t s 控制 图4 i8 2 5 1 芯片内部结构 t x d t x r d y t x s t x c r x d r x r d y r x c s y n d 由图可以看出它由5 个主要部分组成。各部分之间通过内部总线互相通信，其中， 读写控制逻辑用于接收单片机送来的并行格式的数据，并通过发送缓冲器转换成串行 数据，同时可以根据通信的要求以及用户的需要自动增加某些位，如起始位、停止位 和奇偶校验位等，使之形成适合于串行通信的数据桢；接收缓冲器用于接收外部发来 的串行数据，经过适当处理( 删除上述通信特征并建立状态标志) 串并格式转换后，送 往数据总线缓冲器供单片机读取；调制解调器控制单元则用来与调制解调器握手联络， 使之完成计算机之问的远程通信。 发送器：由发送缓冲器和发送控制电路两部分组成。接收移位寄存器从r x d 引脚 上接收串行数据转换成并行数据后存入接收缓冲器。 异步方式：在r x d 上检测低电平，将检测到的低电平作为起始位，8 2 5 1 开始进行 采样，完成字符的装配，并进行奇偶校验和去掉停止位，变成并行数据后，送到数据 输入寄存器，同时发出r x r d y 信号送c p u ，表示已经收到一个可用的数据。 同步方式：首先搜索同步字符。8 2 5 1 a 监测r x d 线，每当r x d 线上出现一个数 据位时，接收下来并送入移位寄存器移位，与同步字符寄存器的内容进行比较，如果 两者不相等，则接收下一位数据，并且重复上述比较过程。当两个寄存器的内容比较 相等时，8 2 5 1 a 的s y n d e t 升为高电平，表示同步字符已经找到，同步已经实现。 采用双同步方式，就要在测得输入移位寄存器的内容与第一个同步字符寄存器的内 容相等后，再继续检测此后输入移位寄存器的内容是否与第二个同步字符寄存器的内 容相同。如果相同，则认为同步已经实现。 在外同步情况下，同步输入端s y n d e t 加一个高电位来实现同步的。 实现同步之后，接收器和发送器问就开始进行数据的同步传输。这时，接收器利用 时钟信号对r x d 线进行采样，并把收到的数据位送入移位寄存器中。在r x r d y 引脚 发出一个信号，表示收到了一个字符。 数据总线缓冲器：是c p u 与8 2 5 1 a 之间的数据接口。包含3 个8 位的缓冲寄存器： 两个寄存器分别用了存放c p u 向8 2 5 1 a 读取的数据或状态信息。一个寄存器用于存放 c p u 向8 2 5 1 a 写入的数据或控制。 读写控制电路：用于配合数据总线缓冲器的工作，功能如下： 接收写信号，并将数据或状态字从8 2 5 1 a 送往数据总线； 接收控n 数据信号，高电平时为控制字或状态字：低电平时为数据； 接收时钟信号c l k 完成内部定时； 接收复位信号r e s e t ，使8 2 5 1 a 处于空闲状态。 调制解调器控制电路 调制解调控制电路用来简化8 2 5 1 a 和调制解调器的连接。 8 2 5 l 的引脚功能 8 2 51 a 和c p u 直接的连接信号可以分为四类： 片选信号c s ：片选信号，它由c p u 的地址信号通过译码后得到。 数据信号d o d 7 ：8 位，三态，双向数据线，与系统的数据总线相连，传输 c p u 对8 2 51 a 的编程命令字和8 2 51 a 送往c p u 的状态信息及数据。 读写控制信号：r d ，读信号，低电平时，c p u 当前正字从8 2 5 1 a 读取 数据或者状态信息；w r ，写信号，低电乎时，c p u 当前j 下在往8 2 5 1 a 写入数据 或者控制信息；c d ：控n 数据信号，用来区分当前读写的是数据还是控制信息或状 态信息。该信号也可看作是8 2 5 1 a 数据i ：1 控制口的选择信号。 收发联络信号：a t x r d y ，发送器准备好信号，用来通知c p u ，8 2 5 1 a 已准备好 发送一个字符；t x e ，发送器空信号，t x e 为高电平时有效，用来表示此时8 2 5 1 a 发 送器中并行到串行转换器空，说明一个发送动作已完成；r x r d y ，接收器准备好信号， 用来表示当前8 2 5 1 a 已经从外部设备或调制解调器接收到一个字符，等待c p u 来取走。 因此，在中断方式时，r x r d y 可用来作为中断请求信号；在查询方式时，r x r d y 可 用来作为查询信号。s y n d e t ，同步检测信号，只用于同步方式。 8 2 5 l 的工作方式 8 2 5 i 有两种工作方式：同步通信和异步通信方式。同步方式下每个字符可以用5 ， 6 ，7 或8 位来表示，并且内部能自动检测同步字符，从而实现同步。除此之外，8 2 5 1 a 也允许同步方式下增加奇偶校验位进行校验；异步方式下，每个字符也可以用5 ，6 ，7 或8 为来表示，时钟频率为传输波特率的l 、1 6 或6 4 倍，用1 位作为奇偶校验位。一 个启动位，并能根据编程为每个数据增加1 个、1 5 个、或2 个停止位，可以检测假