基于TC35模块的GSM远程控制系统的设计.docx

河南理工大学基于TC35模块的GSM远程控制系统的设计姓 名： 学 号： 专业班级： 光电一班 所在学院：电气工程与自动化学院摘要随着 GSM(Global System for Mobile communication)移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈，新技术和新业务的开发和应用已经提到一个十分重要的位置。短消息业务（SMS）作为 GSM 网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。本文提出了一种基于 GSM 短消息的远程控制系统，在给出系统的总体设计的基础上，设计了系统的硬件和软件，并对其应用领域作了一些探讨和研究。系统以 GSM 网络作为远程信号的传输平台。对 GSM 网络体系结构作了详细的讲解，并且着重讲述了对于本课题相当重要的短消息业务的通信原理。数据的传输方式主要是短消息方式，系统中采用 PDU 模式，对短消息的 PDU 编码和解码进行详细的讲述。短消息的接收和发送是通过 AT 指令来实现的，讲述了常见的 AT 指令及其使用方法。关键词：MSP430,GSM，TC35,远程控制，AT指令1 总体方案与论证1.1 设计方案模块本设计是一个基于GSM模块的远程控制系统，GSM就是global system for mobile communications 【电信】全球通, 全球移动通信系统 (亦称“泛欧数字式移动通信系统”, 是一个根据欧洲电信标准协会出版的 GSM 技术规范建造的国际无线蜂窝网) 。GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。本设计是一种利用手机短信息实现对远程监控设备如交通路灯，家庭里的门锁、家用电器、可视对讲、报警装置等进行智能控制或信息采集交流的设计思路。系统的开发基于短信息技术、自动控制技术、计算机技术、数字通信技术及加密技术，系统利用相关的网络、计算机系统和控制器，以短信息为基本控制指令和数据信息传送方式，实现手机无线遥控和数据传送，通过专设的短信控制中心和服务中心，为远程监控设备提供全方位的数字化服务。本设计就是用单片机控制GSM模块采集和控制远程设备信息的无线通信控制系统。本设计采用模块化设计，整个系统由GSM模块、控制模块、电源模块和外围模块组成，系统的整体方案框图如下图1-1：1.2 无线通信模块我们设计此系统的前提是基于短信方式，简单、方便使用、价格低廉的实用性系统，而不需要联网使用的GPRS通信模块，如SIM300T和MC35等系列模块。所以我们有两种选择，一是用TC35模块和TC35i模块。TC35和TC35i功能相似，随着西门子公司对TC35系列产品的发展，TC35i在相同技术领域相对TC35更胜一筹，但它的价格比TC35要昂贵得多，而且在本设计系统中的技术要求TC35同样能够达到标准，因此综合来考虑，选择TC35做为本设计系统的无线通信模块。1.3 控制单元模块的选择控制模块是本设计的核心，通过外围电路和向GSM模块写入相关程序，控制部分要实现能够控制GSM模块短消息的接收和发送、接收频率、功耗大小、工作模式等各项参数的功能。因此必须需要一个微控制器才能达到要求，而MSP430F149单片机开发板不仅满足设计要求，而且是自带A/D转换器、显示器和本设计调试时所需的温度传感器模块，在短时间内和有限的条件下使设计更加轻松和方便。因此本设计采用MSP430F149单片机开发板作为系统的控制核心。2 系统硬件模块设计通过图1.1可知，硬件系统主要包括电源模块、串口模块、采集控制模块、GSM模块、串行存储器模块及单片机模块。下面对各个模块进行详细介绍。2.1 电源及复位电路的设计2.1.1 MSP430电源模块的设计 MSP430电源模块：使用TPS70633稳压芯片经稳压得到3.3V电压。如图2.1所示.图2.1 3.3V电源电路2.1.2复位电路在单片系统中，为了保证系统在上电时进行初始化，同时也为了保证对电源的监视，需要采用复位芯片，在此系统中采用MAX809STR芯片，复位电路如下图： 2.2串口通信模块设计该系统实现的串口电路（RS-232电路）主要是MSP430与上位机进行通信，实现单片机系统与上位机进行通信处理。由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同，因此需要进行接口转换，这里采用MAX3238E芯片来完成接口电平的转换。具体的RS-232电路图如图所示。 图2.5 RS-232电路图2.3串行存储器的设计由图可以看出，通过一个上拉电阻将SHDN管脚拉高，使该芯片一直处于工作状态，如果系统需要处于低功耗状态，也可以通过单片机来控制该管脚。工作时将该管脚设置为低电平，需要处于低功耗时将该管脚设置为高电平这样很容易实现控制。在管脚C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-分别放置0.1uf电容实现充电作用，满足相应的充电电泵的要求，管脚T1OUT、TIN、R1OUT和RIN分别是232转换的输入/输出脚，实现单片机的TTL电平与上位机的接口电平的转换。考虑到减小电源的干扰，还需要在芯片的电源输入管脚加一个104pf的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。在本系统中，串行存储器使用24LC02B芯片来实现。24LC02B主要是通过I2C实现与单片机的连接，具体的电路如图2.10所示。 图2.10 串行存储器电路由图可以看出，该电路的设计比较简单。将24LC02B的第7管脚（写保护管脚）接地，可使该芯片始终处于可以进行读/写的状态。在实际设计的时候，也可以将WP管脚与单片机的一个一般I/O端口进行连接，通过单片机来控制24LC02B就处于写保护状态；单片机在该管脚输出低电平，则24LC02B不处于写保护状态。在本电路中，主要为了简化设计，直接将WP管脚接地，使24LC02B不处于写保护状态。24LC02B的A0、A1和A2都接地，表示该器件的地址为000.由于I2C是总线工作方式，该总线上可以挂接很多器件，所以总线上的每个器件都应该有相应的地址，这样才能实现寻址操作。24LC02B的SCL和SDA管脚分别与单片机的P1.2和P1.3进行连接，连接的方式是I2C总线方式。由于MSP430系列单片机里有的单片机没有I2C接口，因此本系统在设计时采用MSP430单片机的一般I/O端口P1.2和P1.3分别作为I2C总线的SCL和SDA线，采用软件来模拟I2C总线，从而实现与24LC02B进行接口。在设计时，需要将SCL和SDA分别通过一个10K的电阻将其拉高，以满足I2C工作条件。此外，为了减小电源的干扰，还需要在24LC02B芯片的电源输入管脚加一个0.1uf的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。2.5 采集系统模块设计在该系统中主要考虑模拟前端为传感器，从传感器送来的是标准信号，即4mA到20mA，这样设计具有一定的通用性，只要前端接不同的传感器就可以采集不同的信号源。由于A/D转折基准为电压，也就是参考源为电压，所以A/D转换的是电压，这样需要将电流信号转换成电压信号。如图2.11所示为模拟量采集具体的电路。图2.11 采集电路设计由图可以看出，采集电路通过一个电阻将电流信号转换成电压信号，为了提高采集的进度，需要采用高精度的电阻，这里采用的是精度为1%的电阻。电路中采用二极管作为ESD保护电路，考虑到干扰问题，采用电容进行滤波处理，增加采集电路的抗干扰问题。在某些应用场合，需要控制设备的状态，比如开机或者关机，因此本系统也设计了相应的控制电路。该控制电路相对比较简单，主要利用继电器来实现，具体的控制电路如图2.12所示。2.6 外部继电器控制模块设计在图2.12中，P4.0、P4.1、P4.2和P4.3与单片机连接的同时也接地。在一般状态下，继电器处于开路状态，当单片机在P4.0、P4.1、P4.2和P4.3管脚输出高电平时，继电器吸合，则电路导通，这样就可以控制设备的状态了。3系统软件设计经过前面的系统硬件设计可知，系统的软件主要包括串口程序、存储程序、短消息程序、采集控制程序和测试程序等。本系统软件采用了前后台的设计方式，前台系统是主程序，后台是由所有的中断服务程序，如串口接收中断服务程序，定时器中断服务程序等功能模块组成。装置的远程报警和开启功能通过软件控制实现，在使用装置前需准备好一张已开通的GSM网SIM卡，并在手机终端上向SIM卡第一个电话本位置存入报警的目的手机号码（无+86），此号码也是用户进行远程开启时的唯一有效号码；向SIM卡的第一个短信存储位置存入欲发送的报警短信内容。将设置好的SIM卡装入装置并上电后，装置即可按程序设计的流程运行。IAR 公司为 MSP430 系列单片机开发的 C430 集成开发环境和 C 语言调试器作为程序开发工具，程序主要由三部分代码组成：启动与初始化、报警监控、远程开启与控制。启动与初始化的设计图3.1 TC35模块的初始化3.1串口程序设计在本系统中，串口0与GSM模块接口，串口程序部分需要实现串口0。串口程序主要包括初始化和中断服务程序两个部分。3.2 存储程序设计在本系统中，利用串行存储器存储某些重要数据。单片机通过I2C与串行存储器进行接口。由于本系统使用的单片机是MSP430F149，该单片机没有I2C外围接口，因此需要采用一般的I/O端口来模拟I2C总线的功能，从而实现串行存储器的读/写操作。本系统使用的串行存储器为24LC02B.串行存储器主要有读/写操作，3.3短消息程序设计在本系统中，单片机通过串口0向GSM模块发送相应的AT命令来实现短消息的发送和接收。3.4信息采集控制程序设计模拟量采集模块主要是单片机通过A/D通道采集来自传感器的信号，并将信号进行处理。MSP430F149的A/D转换有几种模式，比如序列通道单次转换、序列通道多次转换。考虑到有8路采集，因此选用序列通道单次转换，当然也可以采用序列通道多次转换，关于转换模式的选择主要设置相应的A/D转换的寄存器来实现。数据采集的时间间隔则通过定时器A来完成，就是在每次定时器A中断到来时读取A/D采集得到的数据，在读数据之前先停止A/D 转换，当读取数据完毕后启动A/D转换，如果得到数据，则设置一个标志位通知主程序，告诉主程序已经得到新的数据。整个模块采用中断服务程序的结构。如图3.4所示为该模块的程序流程图。该模块主要涉及A/D转换和定时器A的操作。图3.4 信息采集软件流程总结本系统着眼于建立一个基于 GSM 短消息方式的远程控制平台，能够实现控制中心站与远程控制分站的 GSM 远程通信。在详细分析研究 GSM网络协议和短消息通信原理的基础上，给出了系统的大体框架，设计了短消息通信软件。同时给出了远程控制分站部分的硬件结构方案，设计了基于 MSP430 系列单片机的远程控制分站子系统，实现了对控制对象的数据采集和处理功能，并通过 GSM 通信模块 TC35 与控制中心站通信。最终设计出来的系统分为控制中心站和远程控制分站两大部分。控制中心站能够成功接收远程控制分站的控制数据并且保存在数据库当中，根据需要还可随时调用和打印出来，同时也能实时控制远程控制对象的状态，还可以通过发送短消息的方式发送设置命令给远程控制分站。同时将本系统与温度检测相结合，成功地实现了基于 GSM 的远程温度控制。研究结果表明，将 GSM 短消息方式应用于控制系统是切实可行的，基于 GSM 短消息的远程控制系统具有其他一些控制系统无法比拟的优势，因此该系统的广泛应用将指日可待。由于作者水平有限，同时又由于时间和费用的限制，本系统很多细节方面的开发还有很多不能够做到非常完美。这套系统整个研发过程都局限在实验室中，没能够在工业现场中进行运行调试，同时随着通信系统的进步和发展，以后将对这一系统升级和更新，采用更为先进和完善的 GPRS网络进行数据传输是将来的努力方向。参考文献（1）MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲 秦龙 编著 电子工业出版社 2007.7（2）MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应