基于GPRS的家用空调智能终端设计方案.doc

基于GPRS的家用空调智能终端设计方案第1章 引言1.1 课题设计的背景及意义随着经济生活水平的提高，社会信息化的加快，人们的工作生活与信息通信之间的关系日益紧密，而在人们逐渐改变生活工作习惯的同时，对居住与家居的硬件条件要求也更加高，这不仅是一种生活方式的改变，更是一种相对于传统生活家居观念的巨大革新。因此，在智能家居这一领域，家用电器便朝着方便化、远程化、智能化、人性化这一方向发展。本次设计是以家用空调设计为例，它在保持了传统家电适用功能的基础上，摆脱单一的被动操作模式，成为了一种相对能动的、智能化的、方便的、可远程操控的新型家电工具。这种无线的智能终端工具增加了远程数据传输和接收，在传统模式上进行了较大优化，也使人们的生活理念得到了改变。这种快捷的人机交互模式把人们从繁杂的生活琐事中解脱出来，不仅提高了生活工作效率，更大大节约了时间，从而可以使我们去做更加有意义的事情，生活品质提高了，也节约了资源，何乐而不为呢？1.2 家用电器及智能终端的发展概况家用电器智能控制器是计算机网络与时代科技的产物，是信息技术与生活理念的完美结合，是社会文明快速向前发展的一种标志。1.2.1 国外家用智能终端的发展现状1977年美国华纳电缆通讯公司在有线电视的基础上开发了QUBE(库贝)交互电视系统，它为每一个用户提供一个机顶盒，供用户输入接收、选择、拒绝等一系列控制信息，这应该被认为是最早的家电信息化系统。47姓名：论文题目自从1984年在美国诞生第一座智能大厦之后，智能建筑在全世界范围内迅速发展起来，由于智能建筑本身舒适化、人性化、智能化的变革，带动了家用电器控制系统的智能化，进而形成信息家电产业的雏形。 美国的很多家电智能控制系统科研工作者在20世纪末期历尽千辛才将家电控制自动化形成一定的模式与协议，如：西欧的EHS、EIB、BatiBUS、美国的CEBUS、BACNETS、Marthous Lonworks、BACEBUS等，由于这个模式在全世界都没有成型，且弊端多多，而由几种到分部的总线型控制方式是它们总的研究方向。目前，发达国家的奇胜、ABB、HONEYWELL、GE、莫顿是高端智能家居产品的代表。1.2.2 国内家用空调产业的发展概况近几年对中国的空调市场来说是有特殊意义的年份，从几年前开始中国家电市场先后经历了“家电下乡”，“以旧换新”，“节能惠民补贴”三轮政策长达数年的刺激。近两年是中国家电行业的政策真空期，市场秩序也正在接受一番洗礼。而奥维咨询(AVC)数据显示，中国家用空调终端零售量在冷年2014年达到了4430万台，同比上升3.8%；而零售额为1570亿元，同比上升4.4%，从以上宏观数据可以看出虽然缺少了政策刺激，家用空调的终端零售规模在整体市场低迷的情况下仍然实现稳定增长22。所以，接下来的时间里，空调需求量的增长趋势将更加不可限量。在国内家电行业总体规模和使用智能终端的高端家电产品比例环环上升下，我国智能家电行业的总体规模与市场占有率都在不断扩大。根据相关的行业资料统计，图1-1给出了中国智能终端市场的容量和发展趋势1。陈海平:基于GPRS的家用空调智能终端设计 图1-1中国智能终端市场的容量和发展趋势现在各大家电企业都越来越重视智能家居这一新兴家电领域中新的机会点，相继提出了智能家居战略。传统的家电产品和研发优势与现阶段互联网信息技术的深入融合将是智能家居系统发展的一大趋势。随着无线网络信息技术的快速发展、数据传输功能的进一步优化等等，这些都无疑为智能家电的发展提供了强大的技术支撑。未来家电的智能化程度将进一步提高，它除了满足传统的智能化需求，还可以在人体感知方面达到一个新的高度，这些家电可以让大家消除沟通中不必要的代沟。不过多依赖人的操控的，让人放心的，而且具备对人体和环境感知的智能家电才是未来智能终端系统的发展方向1。1.3 设计的总体工作这次设计的总体部分共分为五章，各个部分的设计工作如下所述：第1章：阐述设计背景以及实际应用意义，综合概述国内外家用空调控制系统的发展概况。第2章：全面比较几种智能控制系统方案，选择一种切实可行的方案，提出本次设计课题的总体设计方案。然后介绍涉及的关键技术，包括：嵌入式系统、GPRS技术、SMS技术、RS-485和RS-232接口技术。第3章：介绍家用空调智能终端系统的硬件设计。首先给出总体硬件设计方案，再分布详细说明各个部分，包括：主控MUC及晶振、复位电路、接口电路，GPRS模块和相关的电源电路、开关电路等，最后是空调控制器的简单介绍。第4章：介绍家用空调智能终端系统的软件设计。包括软件设计环境、总体程序设计、接口通信软件设计、SMS短信收发软件设计等第5章：结束语。这部分是对本次设计中实现的功能简要概括，以及这次课题的心得体会、过程中的不足、展望和实际应用价值的归纳。接下来是致谢、参考文献、附录。感谢学习期间父母、老师、同学的大力支持和无私热情的帮助。列出了与这次课题及主要内容相关的参考文献。最后，附录中列出了原理图和相关整体程序。第2章 设计方案与相关技术介绍2.1几种智能终端方案设计比较智能终端控制系统可以有不同的构成，以下列举了几种设计方案：1.由手机App及网络、PC网络组成的控制系统：这种系统要求智能手机通过网络与PC建立IP/TCP连接，然后向PC端发送一系列操作指令。而另一方面，需要将空调的嵌入式设备通过总线技术与PC相连，并进行数据传输，这样，就可以通过手机终端控制智能空调了。不过，这个方法的缺点也很明显，那就是必须要使用智能手机，还要能上网，再者，还要PC作为中间环节进行数据编码与传输，这在要求简单方便生活方式的今天显得有些繁琐了。2.智能空调与Internet网络相融合的控制系统：这种系统要求空调具有网络收发功能，可以连接英特网，而无线终端可以直接与空调进行通信传输，进而发送操作指令。但是这种系统的弊端显而易见必须是智能空调，虽然我国在加大智能家电的应用比例，但是它的市场占有比例还很小，要实现互联技术无疑是一个大麻烦。3.由GPRS与嵌入式系统相结合的控制系统：这种终端控制系统在嵌入式系统的和各种工具语言的支撑下，手机通过GSM/GPRS蜂窝网络向GPRS模块发送一系列控制指令，而GPRS模块通过有线电路将电信号传输给空调，空调再做相应的状态改变，完成之后GPRS通信模块又把状态信息反馈给手机终端。因为采用了单片机内核，该系统性能稳定，处理速度快，方便，成本低廉，而手机普及率高，短消息功能成熟，总的来说性价比高，是现阶段的不二之选。2.2 总体方案设计在比较了几种智能终端系统设计方案后,本次设计采用手机作为移动终端,基于GSM/GPRS网络的短消息SMS作为远程传输控制媒介。单片机AT89C51和SIM900A构成GPRS控制模块作为核心通信控制器,通过RS-485总线与空调控制器相连接，空调的机组控制器再去控制它的温度、开关等各种状态。而此次GPRS控制器作为系统通信传输的中转站，可谓是起到了“承前启后“的作用，是空调终端与移动终端信息传输的桥梁。总体的方案设计如图2-1所示。图2-1 总体方案设计2.3 嵌入式系统操作系统（Operating System）是一种计算机系统软件，是控制计算机硬件和软件资源的计算机程序，它为用户与计算机之间提供一种接口，使人们在舒适友好的环境下工作，同时计算机又为人们提供各种所需的资源。2.3.1 嵌入式操作系统及其应用嵌入式操作系统（Embedded Operating System，简称：EOS）则是用于嵌入式系统的操作系统，它通常是利用系统的模块化设计来达到对功能的整合，而且它一般具有系统内核小、专用性强、系统精简、实时性高等显著特点，在现实生活中应用十分广泛。目前，几乎在各个领域都有嵌入式操作系统的应用，比如数控机床、电力系统的工业控制，车辆的定位导航、交通管理中的信息监控，家庭服务领域的家庭智能控制，各种ATM终端的POS网络等等。而嵌入式系统应用最广泛的要数信息家电领域，这些应用在改善人们生活质量的同时，也深深地影响着人们的生活方式。2-2图给出了嵌入式操作系统的几种应用。图2-2 嵌入式操作系统的几种应用2.3.2 常见的几种嵌入式操作系统总的来说，嵌入式操作系统可以从硬件和软件来进行划分，但是由于其种类、数量繁多，目前在我们嵌入式领域广泛见到的的操作系统有：Linux、uC/OS-、VxWorks、Windows Embessed等，而在智能手机领域有iOS、Android等。下面是常见的几种嵌入式操作系统：1. Windows Embessed嵌入式操作系统它是一种基于二进制的、包含成百上千个功能组件的嵌入式操作系统，并且可以提供Windows操作系统的功能。这种系统开发周期短、技术可信赖，而且可以通过已构建的设备对智能系统进行优化，具有很强的商业竞争有优势。另一方面，它具有行业内领先的安全性、可靠性和性能，具备新的多媒体、电源管理等功能，出色的可操作性受到了很多人的青睐。2.Linux嵌入式操作系统嵌入式的Linux是在Linux的基础上进行裁剪修改发展而来的，由于继承了Internet的开放源代码资源，用户免费使用，软件的移植性好，而且性能优异，开发周期短，有很多应用软件都支持，实时性、稳定性、安全性好，所以这种嵌入式操作系统被广泛应用在航天、船舶、军工、卫星、数字电化、多媒体、网络电话以及许多电子消费产品领域。此外，Linux的内核网络结构很完善，支持以太网和无线网，因此在信息家电和图形界面方面发展很快，所以发展前景非常可观。3. uC/OS-嵌入式操作系统具有实时性，是uC/OS-的特点。它最早出自于Jean J.Labrosse所发表的杂志上，其前身是uC/OS。自从问世以来，uC/OS-已经通过了美国联邦航空局（FAA）商用航行器认证，可见其存在的优越性。由于uC/OS-的绝大多数程序都是通过C语言编写的，这对于很多人来说无疑方便了不少。其次，它方便移植、可读性强、构思巧妙、空间占用小、效率执行高、具有优良的实时性等，且最小内核可编译至2KB，基于以上的等等优点使uC/OS-的使用度非常高，范围广泛。它有核心、任务同步和接口、时钟、任务处理5大部分，并且还可以通过函数调用等实现任务的优先等级和切换。目前，uC/OS-已在家电控制、网络适配器、医疗器械、ATM等方面广泛应用。它的体系结构图如2-3所示。图2-3 uC/OS-体系结构图相对于其它内型的嵌入式操作系统，uC/OS-的优点独特，尤其是经济适用，实时性好，任务优先级的调度，结构分明，因此，是这次毕业设计选择它的原因。2.4 GPRS系统和SMS技术2.4.1 GPRS技术介绍GPRS，全称（General Packet Radio Service），及通用分组无线服务技术。它是第二代通信技术升级版本，也称2.5G。可以说，GPRS是在GSM网络的基础上新增加了网络实体来实现数据分组业务，主要增加的是GPRS服务支持节点SGSN、GPRS网关支持节点GGSN、分组控制单元PCU等。GPRS系统对GSM网络具有兼容性，能够更加快速有效地进行数据和信令传输，图2-4是GPRS系统原理图1。图2-4 GPRS系统原理图SGSN（GPRS服务支持节点）：主要是完成对用户身份识别，加密，压缩等功能的移动数据进行管理和接入控制以及对用户数据库的访问；对IP数据进行通路传输和协议转换，以实现无线数据的传输；为了节约空口信令，支持数据业务和电路业务同时工作；还可以支持短信的收发。GGSN (GPRS网关支持节点)：主要是完成网关作用，它能够与ISDN、PSPDN和LAN等不同的数据网络相连。对 GPRS分组数据包进行GGSN的协议转换，就能够将数据包发送到X.25网络或者TCP/IP。PCU（分组控制单元）：主要是用来处理从GSM语音业务中抽离出来的数据业务。由于PCU使用了分组功能，从而能够控制无线链路，且能够让多用户连入一个无线资源。PCU的基本功能包括数据的分组、无线信道的管理、发送误差检测和自动重发。GPRS的网络访问速度远远快于GSM，而在连接建立的时间上也极短，传输速率相对更高，费效比低，更适用于移动办公、多媒体业务、移动互联网等信息服务领域。而且，GPRS在资源分配上采用动态的信道分配方式，物理信道只有在有效资源通过的时候才会被占用，这样的分配方式会使频道利用率极高，此外数据在信道中还可以进行打包分组传送。除此之外，GPRS承载了GSM系统的WAP，即短消息、电路型数据、GPRS型数据。而基于它本身的分组特点，系统资源占用少，连接速度快，所以较GSM而言优势明显。2.4.2 SMS系统介绍SMS（Short Message Service）短消息服务，它是在短息服务中心的帮助下，消息通过存储转发的方式从一个手机终端传送到另一个终端，即SMS短信服务并不是直线无障碍传输给接收终端，而是通过短信服务中心进行存储转发，因此它只是一种储存和转发的服务。如果接收人未连接移动网络，则短信将在接收人连接网络时再发送给接收人。即SMS把收到发送者的短信转发给短信服务中心，SMS网关收到短息服务中心发送的短信后，就向归属位置寄存器查找接收端的路由信息，再通过查询到的路由信息将短信发送至接收者的移动交换中心，最后基站子系统将移动交换中心发送的短信发送给接收终端。其传输流程如图2-5所示1。图2-5 SMS数据传输流程短消息应用起来简单、方便，常常为用户提供一些感兴趣的信息，比如：气象信息、交通信息、寻呼信息、位置信息等，正是由于这些简便实用的功能使得它经久不衰，在近些年来发展迅速，应用范围更加广泛，像远程无线终端控制、双向数据传输等便是最流行的应用。由于技术成熟、性能稳定、保密性强，深受各行各业的青睐。2.4.3 AT指令AT指令，即Attention Commands。AT指令集是从终端设备（TE）或数据终端设备（DTE）向终端适配器（TA）或数据电路终端设备（DCE）发送的。移动台(MS)的功能的控制是GSM/GPRS通过TE和TA发送AT指令来实现的。用户通过AT指令的控制表现在短信、呼叫、数据业务、电话本、传真等诸多方面。AT指令的使用如图2-6所示。图2-6 AT指令的使用AT指令一般分为通用AT指令、呼叫控制AT指令、短消息指令、TCP/IP指令、GPRS指令、电话簿指令等等。图2-7是SMS短消息的相关AT指令。图2-7 SMS相关AT指令2.5 RS-485总线技术在很多工业控制和嵌入式系统中，单片机电路、PC和移动端的信息通信，特别是串行通信往往采用总线连接，这些线路具有抗干扰性好、传输稳定、传输距离较远、简单、成本低等特点，所以应用非常广泛，RS-485总线就是其中之一。RS-485接口采用有协议的半双工网络通信，多是主从通信的两线制接线方式，一般是终端匹配总线型的网络拓扑，传输距离不同，总线标准也相应有所不同。RS-485具有以下特点：1.电气特性：采用差分信号负逻辑，以两线间的电压差+（2-6）V表示逻辑“0”；两线间的电压差-（2-6）V表示逻辑“1”。由于接口电路芯片不容易损坏，接口信号电平比RS-232-C低，且该电平与TTL电平兼容，所以两者连接很方便。2.RS-485的数据最高传输率为10Mbps。3.RS-485接口采用差分接收器和平衡驱动器，所以抗干扰性能非常好。4. RS-485的最大通信距离超过1200Km，传输距离与传输速率成反比，其最大传输距离下的传输速率为100Kbps,加485中继器就可以传输更远，并且RS-485最大可以支持32个节点。2.5.1 MAX485芯片Max485接口芯片是生产商Maxim的一种RS-485芯片，采用RS-485总线协议，额定电压为5V，负载数位32个，最大通信速率为25Mbps。它是一系列芯片，包括RS-483、RS-485、RS-487、RS-489等，采用5V的单一电源工作，额定电流为300uA，半双工通信方式，功能是将TTL电平转换为RS-485电平。图2-8为MAX485管脚图，表2-1为MAX485管脚功能。图2-8 MAX485管脚图表2-1 MAX485管脚功能管脚功能 RO接收电平的TTL电平输出低电平有效的接受允许DE高电平有效的发送允许DI发送数据的TTL电平输入A485差分信号的正向端B485差分信号的反向端VCC电源接口GND接地通常在RS-485电路中，把与DE短接，用一根信号线连接，从而做到收发的切换。此外，MAX485是目前市面上最常见，应用最广泛的RS422芯片，性价比高，质量好，性能稳定，这也是这次选择它的由来。2.6 RS-232接口技术RS-232是现阶段一种非常流行的串行通信异步传输接口,它的标准是由电子工业协会(EIA)所制定的。通常的的RS-232接口有9个和25个两种引脚形态，分别称为DB-9和DB-25。RS-232采用RS-232C标准协议，传输速率在020000b/s以内，一般传输距离在20m范围之内。图2-9是RS-232的串口原理图，图2-10是RS-232的管脚功能。图2-9 RS-232串口原理图图2-10 RS-232管脚功能RS-232非常通用，在编程与价格方面占有很大的优势，并且与接口配套的导线较长，在诸如监视和控制等各种系统中应用广泛。2.6.1 MAX232芯片MAX232芯片是Maxim公司为RS-232标准串口设计的一种电平转换芯片。MAX232使用+5V的单电源，特别适合电池供电系统。通常情况下，由于RS-232接口的信号电平较高，容易损坏接口电路的芯片，且与TTL电平不兼容等缘故，MAX232模块一般与RS-232串口结合使用构成电平转换电路，再与其它电路连接。MAX232具有以下特点：1.符合所有的RS-232C技术标准。2.仅仅需要+5V的供电电源。3.功耗低，一般供电电流5mA。4.成本低，集成度高。5. MAX232电路中通常选用10uF的电解电容。MAX232的原理图如2-11所示，引脚介绍如下：第一部分数据转换通道。11脚（T1IN）、12脚（R1OUT）、13脚（R1IN）、14脚（T1OUT）构成第一数据通道；7脚（T2OUT）、8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）构成第二数据通道。TTL电平数据从10引脚、11引脚输入，转换成RS-232数据后从14脚、7脚输出；DB9插头的RS-232数据从8脚、13脚输入后，转换成TTL电平数据后从9脚、12脚输出。因此在实际设计中，我们可以根据需要选择合适的数据通道，来达到电平转换和通道连接的作用。第二部分供电。15引脚（GND）,16引脚（VCC）为+5V。第三部分电荷泵电路。它是由1、2、3、4、5、6引脚与4只10uF电容构成，其目的是产生+12V、-12V两个电源，供给给RS-232电平。图2-11 MAX232原理图第3章 家用空调智能终端硬件设计硬件系统是整个智能终端设计的骨架部分，系统设计的合理性、经济性、可行性、实时性、稳定性等都是在硬件设计阶段必须要考虑的问题，也是任务的具体要求。以下给出了具体的硬件设计方案。3.1 硬件总体方案设计基于简单实用原则，本次硬件设计在参考了已有的诸多实例的前提下，总体采用8位51单片机为系统内核，通过嵌入式操作系统，并结合相应的应用程序、驱动程序、空调控制器、RS-485接口电路，以及GPRS通信模块，实现了一个简单的远程家用智能终端控制系统20。图3-1为硬件系统结构框图。图3-1 硬件系统结构框图3.2 主芯片介绍主控单片机AT89C51是一种低电压、高性能的带4K字节FLASH存储器的8位微处理器。AT89C51带有2K字节的闪存只读存储器ROM，可反复擦除1000次5。这个器件具有很高的技术制造水准，与工业标准的51单片机的指令集与输出管脚的兼容性非常好，性能稳定，并且在很多价钱便宜且灵活性高的嵌入式的控制系统方案中AT89C51单片机是不错的选择3。表3-1是AT89C51的主要特性参数。表3-1 AT89C51主要特性参数特性参数值FLASH存储器4寿命写擦循环数据保留时间年全静态工作-内部位口线个定时计数器个位中断源个AT89C51单片机中，VCC为供电电压，GND为接地，P0P3为I/O口，RST为复位输入，EA/VPP为外部访问允许，XTAL1/2为振荡器反相放大器的输入/输出端。AT89C51设有稳态逻辑，可以在闲置模式和掉电模式下工作，除此之外，这种单片机还具有进行串口通信功能，而它的结构和特殊寄存器则是编写软件的关键，常用的特殊功能寄存器有SCON串行口特殊控制寄存器等21。以下图3-2、图3-3分别为AT89C51的管脚图和结构原理图。图3-2 AT89C51管脚图图3-3 AT89C51结构原理图3.2.1晶振电路晶体振荡器电路是系统电路中必不可少的一部分，其作用是是为系统提供一个基本的时钟信号，为了使各部分频率保持同步，系统通常会共用一个晶振。本次设计采用了最简单的设计方案，一个晶振加上两个电容和一个接地脚便构成了晶振电路，然后和主芯片的XTAL1与XTAL2接口相连，XTAL1为反相放大器的输入以及内部时钟工作电路的输入，XTAL2为振荡放大器的输出3。简单的晶振电路如图3-4所示。图3-4 晶振电路3.2.2复位电路为了确保系统中电路稳定可靠工作，复位电路也是本次原理图设计中不可缺少的部分，其作用是利用它使电路恢复到初始状态，确定时钟信号。本系统的复位电路如图3-5所示，主要由按键、电阻、电容组成，其向上端是与单片机AT89C51中的复位输入端RST相连。图3-5 复位电路3.2.3 单片机接口电路单片机AT89C51是整个硬件系统中数据通信的中枢，起到了“承前启后“的作用，它通过RS-485接口电路与空调的控制器连接通信，以中断方式完成数据的接收与处理，然后通过RS-232接口电路控制GPRS模块在短信中心的帮助下以SMS短消息形式完成与手机移动终端MS的连接通信。以下是关于两部分接口电路的介绍。1.MAX485与AT89C51之间的接口电路虽然单片机AT89C51与空调控制器是通过RS-485总线进行通信的，但是实际上他们之间是通过Maxim公司MAX485模块实现RS-485电平与TTL电平的转换的，以此来完成单片机与空调控制器之间的信息接收与传送，以及它们之间的数据处理。在原理图中AT89C51与MAX485之间是通过3个主要接口相连的，MAX485的引脚1即RO（接收信号与输出引脚）与单片机的P3.0/RXD（串行输入口）连接，主要是为了把通过A与B的空调端信号传输给单片机；MAX485的引脚4即DI（输出驱动器的输入引脚）与AT89C51的引脚3.1/TXD（串行输出口）连接，主要是把信号通过A、B脚加载给总线；通常把接收与输入信号的控制引脚DE和短接后再与单片机的外中断引脚P3.2/相连，主要是为了好做到信号的收发切换；A、B分别为差分信号收发端，所以连线时在它们之间接一个100左右的匹配电阻即可；其余的引脚中VCC接电源，GND接地。图3-6是RS-485接口电路。图3-6 RS-485接口电路2.AT89C51与GPRS模块之间的接口电路在这次的GPRS通信控制器中，GPRS模块采用了SIM900A,关于SIM900A我们在之后具体介绍。SIM900A的功能强大，接口众多，我只是用到了其中很小的一部分。AT89C51与GPRS模块之间采用的是RS-232接口电路，由于RS-232电路电平比单片机电平高，且与TTL电平不兼容，容易损坏电路芯片等问题，我在RS-232串口上耦合了一个MAX232电平转换模块构成了电平转换电路，然后使单片机与SIM900A相连。图3-7是RS-232电平转换接口电路。（1）根据MAX232数据通道的定义，我选择了其中一种连接方式。首先，MAX232的管脚11（T1IN）、管脚12（R1OUT）分别与单片机AT89C51的数据传输口管脚P3.1（TXD）、P3.0（RXD）相连，以达到两者之间的信息传输。（2）串口与MAX232的连接。MAX232的引脚14（T1OUT）、引脚13（R1IN）分别与COMPIM的引脚2（RXD）、引脚3（TXD）连接，以达到电平转换传输。（3）最后，串口与GPRS模块的连接。串口的管脚1（DCD）、管脚2（RXD）、管脚3（TXD）、管脚4（DTR）分别与SIM900A的对应接口连接，分别达到数据载波检测、数据接收、数据发送、数据终端准备的功能。图3-7 RS-232电平转换接口电路3.3 GPRS通信模块设计3.3.1 SIM900A简介GPRS无线通信模块使用SIMCOM公司生产设计的SIM900A模块6，SIM900A是一个二频的GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式。SIM900A使用的是工业标准性的接口，工作的频段为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz。可在低功耗下，实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。SIM900A支持GPRS multi-slot class10或class 8和GPRS编码格式为CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。SIM900A自带TCP/IP协议，扩展的TCP/IP AT指令能够很容易使用TCP/IP协议，这些AT指令在做数据传输方面的应用时非常有用的，而且操作也很方便。SIM900A具有以下的主要特性38：双频 900/ 1800 MHz；GPRS multi-slot class 10/8；GPRS mobile station class B；通过AT命令控制（GSM 07.07，07.05和SIMCOM增强AT命令集）；SIM应用工具包；供应电压范围为3.1到4.8V；在睡眠模式下低功耗为1.5mA；操作温度范围为-40到+85。SIM900A的内部功能模块主要有存储器、基带、射频，而本次主要用到的外部接口有天线接口、电源接口、RS232串口、SIM卡接口、开关接口等，所以SIM900A系统中主要包含的电路有开关电路、电源电路、天线电路、RS232串口电路、指示灯电路、SIM卡电路以及其它相应电路719。此外，SIM900A中的部分原理图未能画出，GND引脚全部接地，为了简洁最后原理图中也不再画出。SIM900A的功能图如图3-22所示。图3-22 SIM900A功能图3.3.2 电源电路整个SIM900A模块是由将外接的5V直流电源通过电路变压后得到2.8V直流电压和4V直流电压进行供电，2.8V直流电压是提供给射频芯片和微处理器芯片的电源，4V直流电压提供给GPRS模块813的电源。SIM900A使用的是单电源供电，VBAT的电压输入范围为3.2C-4.8V。SIM900A模块发射时电流可能会达到2A，因此在VBAT输入附近设计了一个旁路电容，以防止电流过高而烧坏电路板。输入直流电源通过保护电路和滤波电路之后得到线性稳压芯片的输入电压，稳压电路的芯片则使用MIC29302，则电源电路如图3-22所示。图3-22 SIM900A系统电源电路3.3.3 开关电路SIM900A的开关机有几种形式：一是使用PWRKEY驱动电路开关机；二是使用PWRKEY_OUT引脚进行开关机；三是高压或低压自动开关机；四是高温或低温自动开关机；五是使用AT命令关机。本系统采用PWRKEY驱动电路开关机。通过拉低PWRKEY至少一秒然后释放就可以达到开机模式，此时模块内部已经上拉至3V；同开机一样，可以关机，只是使用外部引脚 NRESET让SIM900A模块进行复位。复位电路主要用于SIM900A模块无法响应或无法正常开关机等紧急复位。三极管都采用9013型来实现开关电路，开关复位电路如图3-23所示。图3-23 SIM900A开关复位电路3.3.4 SIM卡接口电路SIM900A模块的SIM卡接口不仅支持GSM Phase1规范，而且也支持GSM Phase2+规范和FAST 64kbps SIM卡，以及1.8V和3.0V的SIM卡。SIM900A模块能够对SIM卡进行检测，从而得到SIM卡接口的电源电压值，并提供稳定的电源电压。在SIM卡接口电路中设计了一个静电防护器件SMF05C，以防止静电干扰。为了匹配SIM900A模块和SIM卡之间的阻抗，则设计了在I/O串口中加22电阻，并且数据信号线在SIM900A模块内上拉。模块当中不需要使用SIM卡的插拔检测功能，所以可以让SIM_PRESENCE悬空，则SIM卡接口电路如图3-24所示。图3-24 SIM卡接口电路3.3.5 指示灯电路SIM900A模块通过输出引脚LIGHT驱动LED灯，采用9013型三极管通过控制电流来实现LED灯闪烁的频率，并显示当前SIM900A模块所处的工作状态：当灯熄灭时，表明SIM900A模块没有工作；当以64ms亮/800ms灭的频率闪烁时，表明模块正在工作，但仍然没有搜索到网络；当以64ms亮/3000ms灭的低频率闪烁时，表明SIM900A模块已经搜索到网络，并已经注册；当LED灯以64ms亮/300ms灭的高频数率闪烁时，则表明GPRS模块正在通信19。其电路如图3-25所示。图3-25 SIM900A指示灯电路3.4 空调控制器空调控制器功能众多，结构控制复杂，就是在它的控制下实现空调自动的开关、制冷制热、变频等多项功能。空调控制器现在一般都是采用单片机或者可编程逻辑控制器（PLC）设计，然后再通过RS-485接口等通信接口实现与远程端的数据交换通信。本次设计采用的是无锡华威HAC冷风热泵空调控制器，在这个系统中还可以使用多个控制器组成网络控制系统，各个部分均采用RS-485通信接口连接，结构简单，布线容易。基于实践需要，此次只选择了它的开关量、温度传感等主要功能中很少的一部分加以理论说明。图3-26是HAC空调控制器结构框图。图3-26 HAC空调控制器结构框图3.4.1 温度传感器输入温度对空调可说是最重要的一个参数，它不仅是我们对空调控制最直观的参考量，还是实现各项指标的关键检测值。空调的温度传感器一般采用热敏电阻，可以检测-50+200的温度值。本次的温度传感器向空调控制器传入的是总回水温度、外环境温度、外管温度、出水温度等主要温度参数值19。3.4.2 保护开关量输入保护输入部分主要是对空调的工作状态实行一个保护措施，可以调整空调的各种状态。而这次的保护量开关主要有：外风过载开关、低压保护开关、高压保护开关、超温保护开关、内风过载开关、相序开关等等19。3.4.3 控制输出空调控制器中的输出量一般都选用继电器，因为输出量比较多，采用继电器开关就可以实现各种信号量的输出通断19。而此次控制输出开关部分主要有压缩机、内外加热、通阀、冷冻冷却水泵、循环水泵等。3.4.4 电源输入与RS-485接口毫无疑问，电源的输入主要是为了给空调控制器提供电量，一般的电源都是采用家庭用电，即220V，50Hz的标准用电。此外，RS-485通信接口是为了通过总线与GPRS通信控制器HAC进行数据传输通信，而RS-485接口电路已经在本章第一部分作了说明。RS-485接口使用半双工通信模式，并经过专用的通信协议进行数据的接收和发送。而在传输的数据中包含了各种控制与反馈信息，比如:空调的状态和相应的工作模式，空调温度值，故障信息，空调的各项运行参数的反聩信息，远程端对空调的各种控制信息等。第4章 家用空调智能终端软件设计硬件撑起了个系统的基本骨架，各个部分是器官；那么基于嵌入式操作系统的软件则是整个系统的血管和神经。相比之下，软件部分的难度比较大，是实现远程控制的精华和灵魂所在，此次软件系统实现了对相关数据的处理、模拟通信、界面显示等相关功能。4.1 开发环境介绍有一个软件编程环境是软件部分的基础，而嵌入式操作系统的软件编程不仅要求系统具有实时性，而且要求软件语言对硬件具有直接的控制操作能力。由于汇编语言的编程难度较高，所以此次采用了熟悉且通用化程度较高的C语言来编程。家用智能终端软件包含了主程序模块、温度控制模块、液晶显示模块等模块化编程，区分明显，清晰明了。Keil uvision3是一种可用于多种51MUC的集成开发环境(IDE)，同时它也是一种强大的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具，它集编辑、编译和仿真于一体，界面简单易学好用，功能强大，是单片机应用程序软件开发最合适的工具之选。除了在原有基础上增加模版编辑、功能导航以及搜索功能外，Keil uvision3还提供了一个内置向导功能，加速了程序启动和相关配置文件的生成。考虑到对软件的熟悉程度，因此系统选择AT89C51单片机作为核心MUC，以Keil uvision3作为了编译仿真软件。4.2 GPRS通信控制器软件设计GPRS通信控制器任务模块是软件系统中的核心功能部分，它的主要任务是串口连接的建立，手机短信通过GSM/GPRS网络与SIM900A模块通信连接的建立，SIM900A通过RS-232串口电路与单片机AT89C51连接互通，单片机与空调控制器经过RS-485接口电路连接互通，空调控制器再去控制空调的各种状态。单片机发送AT指令对系统的主要操作功能都是在这一任务堆栈中实现的。GPRS通信控制器的程序以串口通信、中断请求服务为基础，来实现信息数据的接收、处理与发送。由于GPRS通信控制器是整个控制系统的中枢，信息的往来与处理都非常复杂，所以在程序的设计时采用了模块化的组合方法，并用C语言进行编程，融合度高，简便，可移植性好，又便于修改。各个源程序文件完成各自范围内相应的模块任务，而它们之间的部分主要源程序结构如图4-1所示。 图4-1 部分主要源程序结构图4.2.1主程序设计主程序的主要功能有系统的复位，时钟频率设置，端口模式设置，串口中断设置，SIM900A模块的初始化以及中断请求等等。然后就是进行SIM卡的网络注册，一直到注册成功，之后便是建立GSM/GPRS网络连接，启动数据传输模式，单片机等待中断响应。图4-2是系统的主程序流程。图4-2 系统主程序流程主程序是整个系统程序的入口，它的作用是通过对子函数的调用完成各个模块的初始化，使系统进入低功耗工作状态，等待中断唤醒；系统初始化程序InitSys主要是激活单片机系统的晶振电路系统，使其进入时钟工作频率，调用各个模块子函数完成整个系统初始化；定时器函数也称中断函数，它主要是为了完成定时、计数、电平和时钟触发等工作；串口初始化函数是为了完成波特率的设置、中断请求等任务的。4.2.2 RS-232串口通信设计网关中GPRS模块与SIM900A模块的数据传输经过RS-232串行口进行数据通信。在网关中需要对RS232串口程序进行设计。网关中的RS232串口软件设计主要包括初始化、发送与接收三部分。（1）RS232串口初始化RS232串口初始化通过init_UARTSE(void)函数来完成的，其主要程序如下： void init_UARTSE(void)CLKCONCMD &= 0x40; /设置系统时钟为32MHzwhile(CLKCONSTA & 0x40); /等待晶振稳定CLKCON &= 0x47; /设置系统主时钟频率为32MHZPERCFG =0x00; /设置位置1为P0.0P0SEL =0x3c; / 设置P0.2，P0.3，P0.4，P0.5为串口P2DIR &= 0XC0; /P0.0优先作为UART0U0CSR |=0x80; /选择UART方式U0GCR |=9;U0BAUD |=216; /波特率设为57600UTX0IF =0; /UART0的TX中断标志初始化U0CSR |=0X40; /允许接收IEN0 |=0x84; /开总中断，接收中断（2）RS232串口发送RS232串口发送数据通过void UartTX_SEND(uchar*Data, int nod)函数来完成的，其主要程序如下：void UartTX_SEND(uchar *Data,int nod)int i;for(i=0;i”表明提示用户输入短信内容。转换发送短信内容：和上一步一样，先用软件把短信内容转换成unicode码，在之前反馈结果“”发送短信内容相应的unicode码即可。发送后等待模块执行发送短信命令，成功后会反馈结果“+CMGS:*”，*表示已发送短信的计数。（2）PDU方式需要固定的格式编好PDU的信息编码，具体步骤如下：组织PDU信息编码：此方式需要通过PDU信息编码才可以命令模块发送PDU格式短信，PDU信息编码由13段组成，发送短信需要根据每一段的内容进行填写。发送指令：发送指令“AT+CMGF = 0”设置发送类型为PDU,并发送指令“AT+CMGS = *”设置所需发送短信的字符串个数，*为字符串个数，计算方法为15+短信内容字数*2。发送短信内容：在反馈结果“”后，发送短信内容相应的PDU信息编码即可。（3）不需要短信中心号码的PDU格式的短信发送，这方法和之前的操作类似，只是发送的时候把PDU编码的1、2、3段使用00来代替。以下是手机终端与GPRS模块短信连接建立的部分程序：main() init(); LED=0; delay(5000); while(1) while(RI) /除杂 while(!RI); laji = SBUF; RI = 0; if(key = 0) /按键判断 LED=!LED; delay(1); if(!key) while(!key);LED=!LED; delay(5000); /确保稳定接受 while(send_cmgf()!= 1) /进行短信模式设置并作出判断，如果连接正确进行重复连接 send_cmgf();LED=!LED;delay(1000); send_phone(); /连接成功后发送短信第5章 结束语家用空调智能终端系统没有明确的定义，具体的功能是每个人根据现实需要而划定的。家用空调智能终端只是智能家居系统中很小的一员，当我们对普通智能家居的控制终端进行适当的拓展，就发展成了智能家居