基于GSM的智能家居控制系统设计毕业论文.doc

基于GSM的智能家居控制系统设计毕业论文目 录第 1 章 概述1引言11.1智能家居概述21.2 智能家居网络构成31.3智能家居网络的信号传输介质31.4远程技术概括41.5智能家居控制系统的国内外发展现状5第2章 硬件简介72.1 GSM核心元件简介82.2 盛群单片机硬件简介10第3章 硬件介绍143.1 GSM模块设计143.1.1 MC39I功能简介153.1.2 GSM MC39i硬件设计163.2 SIM卡简介173.2.1 内部特性173.2.2 SIM卡软件特性173.3 LED模块183.4 交流继电器电路193.5 外接晶体整荡电路203.5.1 震荡功能简介203.5.2 振荡电路线路的连接203.6 连接单片机的复位电路213.7 HT46UR232单片机的链接223.7.1 单片机的工作特性233.7.2 单片机的引脚介绍24第4 章 硬件简介264.1 主控电路软件设计264.2 单片机与GSM通信模块的软件设计274.3 串口通讯模块28 第5 章 结论30设计总结31致 谢32参考文献33附 录34第1章 绪论引言 我针对开发的智能家居控制系统是以建筑住宅为目标而设计的专业平台，将GSM通讯系统、家电信息、家居电器设备自动化、以及服务管理多效合一的高效、安全、方便、节能为一体的智能家居控制系统，他以先进的通讯控制技术，组织成为以家居服务为前提，然后以家电自动化系统为服务功能的管理集成系统，充分体现方便的网络信息便利优势，以利于完成居住者舒适、方便的高效安全住宅。 智能家居系统简易操作流程 1.1 智能家居概述进入21世纪，科学技术与生产力加速了其发展创造能力，而随之而来的也是人类对于物质水平的大力需求，而居住环境和环境要求也成为了人们关注的领域，所以“智能化”这一概念也促使科学工作者们将其引入智能家居民用方面的小区住宅以及其小区建筑技术之中，因于计算机控制系统发展迅速，以及电子信息行业的发展成长快速发展，也大大促进了智能家居控制系统的产生。但是固定电话或者互联网技术基本上是传统智能家居控制系统的技术核心，所以安装固定电话或者互联网成为了达到家庭用户传统智能家居控制系统的产生的根本硬件技术、以及硬件要求，但是随之电子技术、智能通信技术以及网络技术发展日新月异的今天，还有手机在世界乃至中国普及化得那天，基于GSM网络通讯体统的低成本无限智能家居控制系统成为广大世界居民以及中国居民享受新一代智能家居控制系统的变革捷径。智能家居控制系统为一种新兴的综合技术学科。智能家居控制系统也可被定义为一个控制过程，或者控制系统，利用现在被大多数科技人员已掌握的计算机技术，网络通信系统、网络布线技术将其糅合，使之成为融合在家居控制中的多个子系统，并使其智能的结合在一起。目前基于时分多址技术当中通讯移动体制中相比较其他手段而言，更加成熟、完美、应用广泛的一种普及率很高的系统是GSM(Global System for Mobile communication)系统。在我国，已建成的基本覆盖全国的GSM数字蜂窝移动技术信息网，早已成为我国公众移动生活密不可分的一种技术之一，在GSM短信服务的基础上，智能家居控制系统是在移动网络通讯技术的短信应用功能的技术运用，同时也是一种信息在移动网络转寄以及移动的过程。由于GSM网络通讯系统在全国范围实现了联网以及漫游能力，所以它的网络功能很强大，用户无需另外搭建网络，因此，在GSM网络覆盖率达到全国范围的情况下，为客户省下了昂贵的网络搭建费用以及维护网络费用。同时，它对用户数量的限制也十分少，也为客户克服了一般智能家居控制系统，系统成本高，维护艰难，并且网络覆盖范围小以及用户组数量少的缺点。和传统网络智能家居控制系统在网络通信覆盖率上具有较大的优势，加之GSM本身就具有数据的输送功能，这也促成了GSM应用在广大生活中得到迅速普及。基于GSM的无线通讯智能系统还具有双线传送数据的功能，性能稳定，为客户在远程操控以及用户控制设备提供了强大技术平台1。远程操控系统应用广泛，遍及中国经济生活发展的各大领域，而且目前人们正在使用中的操控系统从成本、性能、稳定性、便捷性以及维护的难易方面基本都不能使人们最大程度的满意。所以，GSM网络通信技术的提出大大的提升了智能家居控制系统的完善程度。1.2 智能家居网络构成(1)家居网络控制平台智能家居主控制平台是智能家居控制系统的“心脏”部分，等效的可以说是智能家居的核心。对方可以通过手机短信的方式接受用户命令并实时操作，或者对对用户手机发送控制电器运转情况，对家庭总线和各个网络子系统实施连接，完成智能家居控制系统平台的链接构成。（2）智能家居控制子系统 智能家居控制系统的连接一般均为家电网络中的耗电类型的家电电器。例如冰箱、空调、微波炉、热水器、电饭煲、电灯等家用电器。这些消耗电类型的家庭电器可以在现场立即布线互联构成智能家居控制系统，与主控家居智能平台相连接，再进行现场网络综合布线连接智能家居控制子系统，就可以由用户利用协议中的操作指令短信操作家庭中电器设备了。1.3智能家居网络的信号传输介质智能家居网络通讯形式多彩多样，可以采用不同的传输介质传输网络通讯信号，大体上有以下几种：(1)电力线基于电力线为传输介质的通信网络现在来说，可说是最方便的，因为现在家庭基本都已铺设供电源的电源线而且家中的电源线已经延伸到家庭生活的每个角落。而且，现在大部分家用电器设备都离不开电源的存在才能运行操作，所以，利用家中的电力线完成智能家居控制系统网络方案方便而且经济便宜。在国际上，首个实现家庭电器智能化的方案便是通过电力线作为信息传输载体的而达成的。(2)电话线利用电话线作为网络信息传输载体起步虽然相较于电力线稍微晚一些，但是因为它具有布局简单、使用方便、安全性能好和易于大规模推广等优点，而且近期电话线的传输速率也完成了大幅度提升，所以它的应用和发展非常快，在美国已有成熟的产品。其中包括：3COM、Advanced MicroDevices、AT&T、Compaq、HewlettPackard、Intel、IBM和Lucent Technologies等，发起成立了“电话线家居网络协会”，至今己有100多个成员。(3)双绞线同轴电缆目前最通用的传输介质是用双绞线同轴电缆作为家居网络信号的，可是在基于双绞线同轴电缆实际操作中最大的困难是需要另外铺设24根专用的传输线，可是在于它拥有通信可靠性和总线接口相对简单等优点，其仍然可以受到广泛用户的大批量应用。(4)无线方式无线方式通过红外线以及射频载波等形式传输用户信息，尤其是最近用户发展火热的3“蓝牙技术”，给无线方式带来极大的使用活力。最近，控制信号、音频和视频信号、计算机网络信号均可以利用蓝牙技术传输家庭用户信号。而应用无线方式拥有传输信息时无需架设任何线路且实现极其方便灵活，非常适合在家庭网络中应用。 由于无线方式简单方便，易于架设，所以本论文便是使用的GSM无线技术平台操作的智能家居平台系统2。1.4远程控制技术概括本课题研究立于一个对于家居电器进行远程控制，以便于实现家居智能化的系统。远程控制指的是远端的家居控制者通过通信系统对现场的家居电器系统进行控制，其目的在于解除地域和环境对控制的限制，实现高集中的远程控制，最终实现生产资料和社会资源与通讯资源的优化配置。现代远程控制技术是计算机技术、通信技术、网络技术的集合，也是信息技术和控制技术的结合。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，GSM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。GMS全球移动通讯短信息传送技术，在远距离监控、数据采集、GPS定位、无线报警、缴费通知等领域，都有着广泛的应用。由于GSM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GSM的SMS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GSM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。短消息传送业务一般采用其专用控制信道(DCCH)，网络管理端可以通过此实时的了解到对方是否接收到短信息，一旦信息传送失败，网络管理端实时得知被叫用户没有回复信息，网络管理端则会继续发送消息，以发证被叫方能收到短信息。所以，在GSM网络的一些主要的电信业务当中，此类短消息业务的信息传递是实时安全的。每个短消息的信息量都是140个八位组(7比特编码，160个字符)不会超过140个字节，绝对可以满足单方面监测用户指标的信息量。综上所述，智能家居控制系统选用GSM的短消息控制方式，来实现智能家居设备的远程控制是可行的3。41.5智能家居控制系统的国内外发展现状目前，我国每年竣工的建筑面积为20亿平米,智能家居/建筑的产值至少在1-2万亿元以上。智能家居的发展分为三个阶段：首先是家庭电子化（Home Electronics）阶段，这个时期主要是面向单个的电器，家庭电器之间并没有形成网络，亦没有大的联系。其次是住宅自动化（Home Automation）阶段，这个时期是面向功能的阶段，一部分的家庭电器之间形成了简单的网络，主要是为了实现某个特定单一的功能，例如单一的自动抄表功能4。最后是家居智能化（欧洲称为Smart Home，美国称为 Wise House）阶段，这个时期是面向系统设计的阶段，系统通过家庭分布总线把住宅内各种与信息相关的通信设备、家用电器、报警装置并到网络节点中进行集中的监控、管理，保持家电与环境的协调，提供生活、工作、学习以及娱乐的各种优质服务，营造一种温馨舒适的家庭氛围5。智能家居控制系统提供高效、舒适的家居环境，确保住户的生命财产安全；集中或远程调节家居环境的温度、湿度以及风的速度等，同时检查空气成分，提高空气质量；调节音响，电视等娱乐设施，愉悦心情；合理利用太阳能活周遭环境的变化，尽可能的节约能耗，达到合理利用资源；提供现代化的通信、信息服务。1984年，世界上第一幢智能建筑在美国康涅迪格州落成，这栋意义非凡的建筑只是对一座旧式大楼的一定程度的改造而完成的。它只是采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监控，并提供语音通信、电子邮件、情报资料等方面的信息服务。2000年，新加坡有近30个社区的约5000户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高达4万户。2003年，网络化家居的建设带来了高达4500亿美元的市场价值，这其中有3700亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。现在，国外的智能家居系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。于此同时，由于技术的日益标准化，这些新型智能家居系统将比比尔.盖茨耗资6000万美元的高端别墅便宜得多6。在智能家居系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居的研发中。例如:微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成稳得技术强占家居市场。此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试7。全球的消费电子市场,将从2002年6570亿美元上升到2006年8570亿元,年增长率是7%,而数字电视,多媒体和计算机等产品的年增长率高达197%.智能家居控制系统当前主5要是高端市场,在今后的几年里将逐步进入中低端市场.从东部市场走向西部市场.智能化将逐步成为电子信息领域的支柱产业。国外智能家居的发展情况自从世界上第1幢智能建筑1984年在美国出现后,美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛的应用。新加坡模式的家庭智能化系统包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和系统软件配置等8。经过哥本哈根会议，我国更加明确了节能减排，绿色建筑的目标，这就使住宅智能化凸显出了其合理规划，最大限度的节约能源的优势。如果我国大力推广绿色建筑，仅在铺设智能化系统上所需的新设备的生产上就有2000亿到3000亿人民币的新市场。而中国“智能家居网络”必在“智能化住宅”的框架下形成一个新型IT产业，而这一切必将对未来几十年我国房地产的健康有效发展起着深远的影响。由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组的网络和信息交换协议，很多产品是针对特定的组网环境开发的，部分核心技术没有对外公布，技术复杂，直接导致了使用范围的局限性。再者，缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限了产品的发展。再加上，有的系统成本过高，严重影响了产品的普及。因此设计一个符合国家国情和规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居控制系统是非常具有现实意义的，且势在必行。作为智能家居的核心系统的智能家居的控制系统，它的设计功能的完善必将推动住宅智能化的发展。而系统功能的集成化、用户使用的傻瓜化以及市场的平民化将是智能家居控制器的发展趋势，系统也将逐步迈向绿色化。最终，我想全人类的梦想是智能家居控制系统将囊括所有的家事杂物，让我们真正的享受舒适温馨的家庭生活9。6第2章 硬件简介第2章 硬件简介2.1 GSM核心元件简介（1）GSM核心模块MC39i是西门子公司最近推出的新一代双频 GSM/GPRS通讯模块的无铅产品，它简洁的封装是很多应用系统中无线高速数据传输的理想解决方案，可以进行数据、语音、SMS和FAX各个方面的应用，且功耗低。它为用户提供了永远在线、高速度、更简单的移动数据通信接入手段。MC39i具有丰富的 AT指令，功能强大，操作灵活方便，是继 GPRS手机外有一种非常重要的 GPRS移动通信系统的终端设备。它的出现给 GPRS的发展注入了新的活力。 MC39i具有体积小、重量轻、功耗低等特点。MC35i的工作电压为 3.34.8伏，典型电压为 4.2伏。最大工作电流为 2安。模块可以工作在 EGSM900和 GSM1800两个频段。工作于 EGSM900时功耗为 2瓦，工作于 GSM1800时功耗为 1W。利用 AT指令进行控制，支持文本和 PDU模式的短消息、第三组的二类传真。模块常用的工作模式有省电模式、IDLE、TALK、数据等模式。通过独特的 40脚的连接器(ZIF)实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输10。Feature Implementation MC39I主要特点执行电源单电源电压为3.3V4.8V节电休眠模式下电流功耗：3mAGSM类型小型MS频带双频EGSM 900和GSM 1800兼容GSM状态2/2+传输功率4级（2W）EGSM 900 1级（1W）GSM 1800GPRS连接GPRS多时隙Class 10GPRS移动基站Class B数据GPRSGPRS数据传输下载：最大85.6 kbpsGPRS数据上传速度：最大42.8 kbps编码方案：CS-1，CS-2，CS-3和CS-4MC39i支持两种协议PAP(口令认证协议)和CHAP（挑战握手认证协议）并常用于PPP连接。分组交换广播控制信道（PBCCH）的支持下，可使你通过网络运营商提供的增强型GPRS性能中获益。CSDCSD传输率：2.4,4.8,9.6,14.4 kbps，非透明，V.110非结构化补充服务数据（USSD）的支持。短信MT，MO，CB，文本和PDU模式7短信存储SIM卡短信加25个地点短信传输模式可选CSD或GPRS。首选模式可由用户自定义。传真组3：1级，2级SIM接口支持SIM卡： 3V外部SIM卡读取器必须通过接口连接器相连（请注意，读卡器不是MC39i的一部分）天线接口50天线连接器音频接口2个模拟音频接口（平衡式麦克风输入和平衡输入）语音编解码器三种速率编解码器：半速率（ETS 06.20）全速率（ETS 06.10）增强全速率（ETS 06.50/06.60/06.80）增强免提操作的回声消除和噪声减少串口接口2.65V电压双向总线命令/数据使用AT命令支持RTS/CTS硬件握手和软件XON/XOFF流控制。根据GSM 07.10多路复用协议的多重能力，波特率从300bps至230.400bps 自动波特率调整支持速率： 1.200,2.400,4.800,9.600,19.200， 38.400,57.600,115.200和230.400bps电话薄管理支持电话簿类型：SM,FD,LD,MC,RC,ON,MESIM应用工具包支持SAT class3,GSM 11.14 98版，support of letter classc铃声提供了7种不同的铃声/旋律选择，易于通过AT指令选择。实时时钟可以实现定时器通过AT命令功能可编程环境 温度：正常操作：-20至+55限制操作：-25至-20和55至+70自动关机：-25+70当一个紧急电话或一个预定的电话号码呼叫时自动温度关闭进度延迟。湿度：最高90%的相对湿度物理特性尺寸：54.50.236.00.23.550.3毫米;重量：9g表2-1 MC39i功能特性8图2-1 西门子工业GSM模块MC39i应用功能说明：1、短信遥控：通过程序定义不同内容的控制短信命令可以实现诸多功能，例如发送“打开继电器”可以控制继电器吸合；发送“监听”可以让系统自动回拨你电话，接听后进行监听；发送“测温”后系统自动通过DS18B20测量温度后把现场温度数值发中文短信给您。2、现场温度控制并短信报警：单片机通过DS18B20检测现场温度，温度过高时控制继电器开启通风设备，温度过低时开启加热设备，当温度超限时将温度数值用中文短信发给值班人员进行处理。3、无线GSM报警系统：用无线遥控器可以设防/接防，当无线探头报警时驱动继电9器控制喇叭高响度现场报警并拨打主人电话，并把报警内容如“阳台门窗被打开”短信发给主人。4、GPS卫星定位及短信遥传系统：用我们的TC35I的实验开发板通过简单改装就能实现类似功能，首先采购一个GPS模块，然后利用板上的其中一路继电器常开转常闭触点来切换单片机串口和GPS模块及TC35I之间的通讯，正常情况时单片机的串口输入和TC35I的串口输出连接，当收到“定位”控制短信或者振铃遥控时立即驱动继电器吸合，将单片机的串口输入和GPS模块的串口输出连接，并采集一次GPS位置数据，然后恢复单片机的串口输入和TC35I的串口输出连接，并发送短信“目标位于东经XXX北纬XXX”给主人。2.2 盛群单片机硬件简介HT46R232 为一款8 位高性能精简指令集单片机，专门为需要A/D 转换的产品而设计。它的功能及其优点包括低功耗、I/O 使用灵活、可编程分频器、计数器、振荡类型选择、多通道A/D 转换、脉冲测量功能、I2C 通信、暂停和唤醒功能，可以使这款单片机广泛应用于传感器的A/D 转换、马达控制、工业控制、消费类产品等系统中11。HT46R23是8 位高性能、高效益的RISC 结构单片机，用于直接处理模拟信号，例如直接连接传感器。该系列单片机包含一个集成的多通道模数转换器，以及一个或多个脉冲宽度调制输出。同时也增强了单片机的其它内部特性，如暂停、唤醒功能、振荡器选择和可编程分频器等，增加了单片机的使用灵活度，而这些特性也同时保证实际应用时只需要最少的外部器件，进而降低了整个产品的成本。有了集成的A/D 和PWM 功能的优势，再加上低功耗、高性能、灵活控制的输入/输出和低成本等特性，此系列单片机广泛被应用在传感器信号处理、马达驱动、工业控制、消费性产品和子系统控制器等场合。该系列所有的单片机都具有相同的特性，主要的不同在于I/O 引脚数目，RAM 和ROM 的容量，定时器数目和大小，A/D 通道和PWM 输出等方面12。技术特性MC39i工作电压：fSYS=4MHz：2.2V5.5VfSYS=8MHz：3.3V5.5V最多可有40 个双向输入/输出口1 个与输入/输出口共用引脚的外部中断输入2 个16 位可编程定时/计数器，具有溢出中断内置晶体和RC 振荡电路看门狗定时器10409616 程序存储器ROM1928 数据存储器RAM具有PFD 功能，可用于发声HALT 和唤醒功能可降低功耗在VDD=5V，系统频率为8MHz 时，指令周期为0.5s8 层硬件堆栈8 通道10 位解析度的A/D 转换器4 通道8 位的PWM 输出，与输入/输出口共用引脚位操作指令查表指令，表格内容字长16 位63 条指令指令执行时间为1 或2 个指令周期低电压复位功能I2C 总线(slave 模式)28-pin SKDIP/SOP、48-pin SSOP 封装13提供高效的软硬支持工具单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机单片机图2-2 HT46R23211HT46R232引脚说明引脚名称输入/输出掩膜选项说明PA0PA2PA3/PFDPA4PA5/ INTPA6/SDAPA7/SCL输入/输出上拉电阻唤醒功能PA3 或PFDI/O 或I2C8 位双向输入/输出口。每一位可由掩膜选项设置为唤醒输入。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：位选择)的斯密特触发输入。PFD、INT 分别与PA3、PA5 共用引脚。一旦使用I2C 总线功能，则与PA6、PA7 相关的寄存器将被禁用。PB0/AN0PB1/AN1PB2/AN2PB3/AN3PB4/AN4PB5/AN5PB6/AN6PB7/AN7输入/输出上拉电阻8 位双向输入/输出口。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：位选择)的斯密特触发输入、或A/D 输入。一旦PB 有一个口做为A/D 输入(由软件设置)，则其输入/输出功能和上拉电阻会自动失效。PC0PC7输入/输出上拉电阻8 位双向输入/输出口。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：端口选择)的斯密特触发输入。PD0/PWM0PD1/PWM1PD2/PWM2PD3/PWM3PD4PD7输入/输出上拉电阻PWM8 位双向输入/输出口。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：端口选择)的斯密特触发输入。PWM0/PWM1/PWM2/PW M3 输出分别与PD0/PD1/PD2/PD3 共用引脚(由PWM 选项决定)。PF0PF7输入/输出上拉电阻8 位双向输入/输出口。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：端口选择)的斯密特触发输入。TMR0输入定时/计数器0 斯密特触发输入(不带上拉电阻)。TMR1输入定时/计数器1 斯密特触发输入(不带上拉电阻)。12RES输入斯密特触发复位输入，低电平有效。表2-2 引脚说明电源供应电压VSS-0.3VVSS+6.0V 储存温度-50125端口输入电压VSS-0.3VVDD+0.3V 工作温度-408513第3章 硬件设计第3章.硬件设计3.1 GSM模块设计基于GSM智能家居控制系统主要包括HT46ru232单片机、GSM远程通信模块、SIM模块、连接家用电器使用继电器，家用电器等主要组成。系统通过识别用户手机发送到连接指定GSM模块的sim中，并将此信号传送至单片机中，完成单片机中可执行语言指令后，使连接家用电器的继电器闭合，以达到远程控制家用电器的功能。图3-1用户操作流程图143.1.1 MC39I功能简介 MC39i新版西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块,工作在EGSM900和GSM1800双频段,电源范围为直流3.34.8V ,电流消耗休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA(平均)，2.5A峰值；可传输语音和数据信号, 功耗在EGSM900(4类)和GSM1800(1类)分别为2W和1W ,通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V/1.8V，MC39I的数据接口(CMOS电平)通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s115kb/s , 自动波特率为1.2kb/s115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service,短消息),可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复14图3-1 MC39i153.1.2 GSM MC39i硬件设计Mc39i含有40个引脚，由一个ZIP（零阻力插座）连接器引出，这40个引脚大体可以分成五个类别，即电源接口，数据输入/输出接口，SIM卡接口，以及音频接口和控制接口。MC39i的第15引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V，第610引脚是电源地。11、12为充电引脚，可以外接锂电池，13为对外输出电压(共外电路使用)，14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制。15脚是启动脚IGT，系统加电后为使MC39I进入工作状态,必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。 1623为数据输入/输出，分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0 和DCD0。Mc39i模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T RS232接口标准。它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps115kbps之间可选，默认9600。硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。 其中18脚RXD、19脚TXD为TTL的串口通讯脚，需要和单片机或者PC通讯。 MC39I使用外接式SIM卡, 2429为SIM卡引脚，SIM卡同MC39I是这样连接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与MC39I的同名端直接相连，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。 MC39I的第32脚SYNC引脚有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示MC39I的工作状态，可用AT命令AT+SYNC进行切换，本模块使用的是后一种。当LED熄灭时,表明MC39I处于关闭或睡眠状态；当LED为600 ms亮/600ms熄时，表明SIM卡没有插入或MC39I正在进行网络登录；当LED为75 ms亮/3s熄时，表明MC39I已登录进网络，处于待机状态。 30、31、32脚为控制脚，其中30为RTC backup，31为Power down，32 为SYNC。 3538为语音接口，35、36接扬声器放音。37、38可以直接接驻极体话筒来采集声音（37是话筒正端，39是话筒负端）MC39I开发技巧：模块的供电电压如果低于3.3V会自动关机。同时模块在在发射时，电流峰值可高达2A。同时在此电流峰值时，电源电压（送入模块的电压）下降值不能超过0.4V。所以该模块对电源的要求较高，电源的内阻+FFC联接线的电阻必需小于200m。单片机通过两根I/O口控制MC38的开关机、复位等，通过串口与MC39进行数据通信，通信速率为9600Kbps，采用8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。16MC39I模块输入输出的TTL正电平逻辑不是+5V，而是+2.9V，因此必要时加端口保护15。3.2 SIM卡简介SIM卡叫“用户识别卡”，它实际上是一张内含大规模集成电路的智能卡片，可以用来登记寻找用户的重要数据和信息。在SIM卡众多功能之中最重要的一项功能是进行鉴权与加密。当用户移动到新的区域拨打或接听电话时，交换机都要对用户进行指令进行鉴别，以确定发出指令用户是否为合法用户。这时，SIM卡和交换机同时利用鉴权算法，对鉴权密钥和8位随机数字进行计算，如果一旦计算结果相同的，SIM卡被承认，否则SIM卡被拒绝，用户无法直接进行呼叫。SIM卡还可利用加密算法，对话音进行加密，防止窃听16。 3.2.1内部特性：SIM卡是一个内部装有微处理器的芯片卡，它的内部包含有有5个模块，并且每个模块都对应一个功能：微处理器CPU（8位）、程序存储器ROM（3-8kbit）、工作存储器RAM（6-16kbit）数据存储器EEPROM（128-256kbit）和串行通信单元。这5个模块被胶封在SIM卡铜制接口后与普通IC卡封装方式相同。这五个模块必须集成在一块集成电路中，否则其安全性会受到威胁17。因为，芯片间的连线可能成为非法存取和盗用SIM卡的重要线索。SIM卡同手机连接时至少需要5条连接线（通常编程口未定义）。数据I/O口（Data）；复位（RST）；接地端（GND）；电源（Vcc）。3.2.2 SIM卡软件特性：SIM卡由新的单片机及存储器管理结构组成完成，所以处理功能得到大大的增强。其智能特性的逻辑结构是树型结构。全部特性参数信息都是用数据字段方式表达，SIM卡中存有三类数据信息：（1）为持卡人提供相关的信息及为SIM卡提供可行的业务服务，这种类型的数据存储在SIM卡根目录下。（2）GSM应用中特有的信息，这种类型的数据存储在GSM目录下。（3）GSM应用所使用的信息，此信息可与其它电信应用或业务共享，位于电信目录下。即在根目录下有三个应用目录，一个属于行政主管部门应用目录，两个属于技术管理的应用目录，分别是GSM应用目录和电信应用目录。所有的目录下均为数据字段，有二进制的和格式化的数据字段。数据字段中的信息有的是永存性的即不能更新的，有的是暂存的，需要更新的。每个数据字段都要表达出它的用途、更新程度、数据字段的特性(如识别符)、类型是二进制的还是格式化的等18。17图3-2 SIM模块3.3 LED模块图3-3 LED提示灯通过对GSM模块进行小型LED提示灯系统的链接，可以对用户产生使用系统的最大感官上的体现。当用户对SIM卡发送指令，单片机识别指令，并最终完成用户目的后，反馈体现到LED灯上，连接到GSM上的SYNC上，当被设置为高电平时，LED灯亮，用户最终得知发送指令操作电器成功。183.4 交流继电器电路图3-4 交流继电器电路通过一端对已选单片机的链接，当单片机语言识别用发出的指令后，对继电器进行激发，使得因1端长期供电，k1开关激发后闭合，达到对家用电器给电的效果，已完成我们对智能家居控制系统的要求。因为端口限制以及场地限制，继电气连接数目有限所以本次设计仅对四个电器设备进行了控制以及连接。可将继电器一次连接单片机的输入输出端口PB0、PB1、PB2、PB3，以达到控制家居电器目的。193.5.外接晶体整荡电路图 3-5 外接晶体整荡电路3.5.1 震荡功能简介HT46R232 有两种振荡方式，外部RC 振荡和外部晶体振荡，可以通过掩膜选项设定，不管选用哪一种振荡方式，其信号都可以做为系统时钟。3.5.2震荡电路线路的连接如果选用外部RC 振荡方式，在OSC1 与VSS 之间需要接一个外部电阻，其阻值为30k750k；而OSC2 上会输出带上拉的系统频率的4 分频信号，可用于同步外部逻辑。RC 振荡方式是一种低成本的方案，但是，RC 振荡频率会随着VDD、温度和芯片自身参数的漂移而产生误差。因此，在需要精确振荡频率做为计时操作的场合，并不适合使用RC 振荡方式。如果选用晶体振荡方式，在OSC1 和OSC2 之间需要连接一个晶体，用来提供晶体振荡器所需的反馈和相移，除此之外，不再需要其它外部元件。另外，在OSC1 和OSC2 之间也可使用谐振器来取代晶体振荡器，但是在OSC1 和OSC2 需要多连接两个电容(如果振荡频率小于1MHz)。203.6连接单片机的复位电路图3-6 复位电路总共有三种方法会产生初始复位： 正常运行时由RES引脚发生复位。 在暂停模式由RES引脚发生复位。 正常运行时由看门狗定时器溢出发生复位。暂停模式中的看门狗定时器溢出与其它系统复位状况不同，因为看门狗定时器溢出会执行“热复位”，只有程序计数器PC 和堆栈指针SP 被复位，而系统其它部分都保持原有状态。在其它复位状态下，某些寄存器不会改变。在初始复位时，大部分寄存器会复位成初始的状态。通过检测PDF 和TO 标志，即可判断出各种不同的复位原因19。TOPDF复位原因00上电时RES发生复位uu正常运行时RES发生复位01暂停模式下RES发生复位1u正常运行时WDT 溢出11暂停模式下WDT 溢出注：“u”表示不变表3-6 复位电路图标21为了保证系统振荡器起振并稳定运行，系统复位(包括上电复位、WDT 溢出或由RES端复位)或由暂停状态唤醒时，系统启动定时器(SST)提供了一个额外的延迟时间，共1024 个系统时钟周期。系统复位时，SST 会被加在复位延时中；由暂停模式唤醒也会加入SST 延迟。系统复位(包括上电复位、正常运行时WDT 溢出或由RES端复位)需要额外增加一个加载掩膜选项(Option)的时间。系统复位时各功能单元的状态如下所示：PC000H中断禁止预分频器、分频器清除WDT清除，在主系统复位后，WDT 开始计数定时/计数器停止输入/输出口输入模式堆栈指针SP指向堆栈顶部表3-6-1 复位功能表3.7 HT46UR232单片机的链接HT46R232 是8 位高性能精简指令集单片机，专门为需要A/D 转换的产品而设计，例如传感器信号输入。低功耗、I/O 使用灵活、可编程分频器、计数器、振荡类型选择、多通道A/D 转换、脉冲测量的功能、I2C 通信、暂停和唤醒功能，使这款单片机可以广泛应用于传感器的A/D 转换、马达控制、工业控制、消费类产品等系统中。22图3-7 HT46R232型单片机3.7.1单片机工作特性工作电压：fSYS=4MHz：2.2V5.5VfSYS=8MHz：3.3V5.5V最多可有40 个双向输入/输出口1 个与输入/输出口共用引脚的外部中断输入2 个16 位可编程定时/计数器，具有溢出中断内置晶体和RC 振荡电路看门狗定时器409616 程序存储器ROM1928 数据存储器RAM具有PFD 功能，可用于发声HALT 和唤醒功能可降低功耗在VDD=5V，系统频率为8MHz 时，指令周期为0.5s8 层硬件堆栈8 通道10 位解析度的A/D 转换器4 通道8 位的PWM 输出，与输入/输出口共用引脚8位操作指令23查表指令，表格内容字长16 位63 条指令指令执行时间为1 或2 个指令周期低电压复位功能I2C 总线(slave 模式)28-pin SKDIP/SOP、48-pin SSOP 封装3.7.2 引脚的介绍引脚名称输入/输出掩膜选项说明PA0PA2PA3/PFDPA4PA5/ INTPA6/SDAPA7/SCL输入/输出上拉电阻唤醒功能PA3 或PFDI/O 或I2C8 位双向输入/输出口。每一位可由掩膜选项设置为唤醒输入。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：位选择)的斯密特触发输入。PFD、INT 分别与PA3、PA5 共用引脚。一旦使用I2C 总线功能，则与PA6、PA7 相关的寄存器将被禁用。PB0/AN0PB1/AN1PB2/AN2PB3/AN3PB4/AN4PB5/AN5PB6/AN6PB7/AN7输入/输出上拉电阻8 位双向输入/输出口。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：位选择)的斯密特触发输入、或A/D 输入。一旦PB 有一个口做为A/D 输入(由软件设置)，则其输入/输出功能和上拉电阻会自动失效。PC0PC7输入/输出上拉电阻8 位双向输入/输出口。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：端口选择)的斯密特触发输入。PD0/PWM0PD1/PWM1PD2/PWM2PD3/PWM3PD4PD7输入/输出上拉电阻PWM8 位双向输入/输出口。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：端口选择)的斯密特触发输入。PWM0/PWM1/PWM2/PWM3 输出分别与PD0/PD1/PD2/PD3 共用引脚(由PWM 选项决定)。PF0PF7输入/输出上拉电阻8 位双向输入/输出口。可由软件设置为CMOS 输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：端口选择)的斯密特触发输入。24第3章 硬件设计TMR0输入定时/计数器0 斯密特触发输入(不带上拉电阻)。TMR1输入定时/计数器1 斯密特触发输入(不带上拉电阻)。RES输入斯密特触发复位输入，低电平有效。表3-7-2 单片机引脚功能值得注意的是，HT46R232的连个通讯接口必须与相应的GSM模块相连接，否则整个电路将连接失败。 将HT46R232的12、13交与gsm模块18脚RXD、19脚TXD串口通讯脚相连接，以达到通讯作用，PA0PA6与gsm模块输入输出口相连接，同时RES，VSS,VDD也相应的连接其复位电路、电源以及接地另外的输入接口与已连接家庭电器的继电器相连接，图3-73 系统总设计图25第4章 系统软件设计第4章 系统软件设计4.1主控电路软件设计本章节主要介绍针对单片