GSM在远程住宅智能控制系统中的应用

1、GSM在远程住宅智能控制系统中的应用摘要随着国民生活水平的不断提高和安全防范意识的增强，人们对家居环境的智能化和安全化也提出了更高的要求。 本设计利用GSM无线通讯网络、智能监控器和用户手机终端构建一套功能完整的远程智能住宅监控系统。 关键词：住宅监控；GSM ；单片机；手机终端 1绪论 近年来，远程监控技术备受人们的关注，尤其在设备的性能监测和故障诊断领域都得到了广泛的应用。目前使用 较多的是基于Internet、PSTN公用电话网或者现场总线网络的有线数据传输方式。但是在最近几年，随着数字无 线通信技术的成熟，特别是GSM/GPRS/CDMA公用网络的完善，远程监控技术进入一个新的发展阶段

2、。在工程应用中，无线远程监控主要采用两种传输模式：建立以无线数字电台为基础的专用通信网络；利用GSM/GPRS陆地公用移动通信网络，甚至运用正在兴起的3G网络CDMA也是一种发展趋势1。对于前者，系统运行成本低，但是初期投资成本大，而且通信距离有一定的限制，只适合于较大数据量传输、并且监控点相对固定的场合。 而现在GSM网络覆盖了国内的几乎所有地区，基于GSM的远程监控系统一般不用考虑通信距离的问题。所以对于数据传输量较小、实时性相对要求不高的场合，利用GSM公用无线网络进行数据传输是最好的选择221,22。GSM系统的短信息业务为远程监控提供了一种廉价的数据通信方式。它已成功应用于农业灌溉控

3、制、农业信息 采集、水文监测、自来水水位自动监控等领域。它不需要建立拨号连接，只需把要发的信息加上目的地址发送到 短信息中心，再由短信息中心转发到最终目标。只要求每次发送的数据量限制在160byte以内即可，这对传送少量现场数据和控制指令信息已经足够。1.1住宅智能化产生的目的和意义随着生活水平的提高，人们对生活的要求越来越高。这时利用GSM无线通讯网络、智能监控器和用户手机终端构建的一套功能完整的远程智能住宅监控系统已经成为大多数人的要求。该系统可以在用户外出期间，利用51单片机对整个住宅的安全环境进实时监控。一旦有安全事故发生，监控系统就会立即通过GSM网络将情况以短信的形式传递给户主，户

4、主在得到信息后，可以立即采取有效的措施3。由社会背景之层面来看，近年来信息化的高速发展，通信的自由化与高层次化，业务量的急速增加与人类对工作 环境的安全性、舒适性、效率性要求的提高，造成智能住宅的需求大为增加，在科学技术方面，由于计算机控制 技术的发展与电子信息技术的成长，也促成了智能住宅的诞生。1.2住宅智能化发展目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网是我国公众移动通信网的主要方式。GSM工作在900MHZ，采用数字调制速率为270.833KBIT/S的高斯滤波最小移频键控（ GMSK ）调制（BT=0.3 ）。每载频使用时分多址（TDMA技术），分为8个全速率业务信道（TCH/F

5、）或16个半速率业务信道（TCH/H），并包括各自所带有的 随路控制信道，全速率业务信道速率为11.4BIT/S12。短信息服务（SMS ）是GSM技术应用的一项重要内容，它具有一些突出特点如：一次可传输140BYTE的数据，数据的内容可以是字符或数字；可以在GSM网络内端对端传输，还可以从 GSM网络外（如互联网）发送短信息给一个端点站；短信息通过设在移动通信部门的短信息 中心（MSC ）用GSM系统的信令信道传送，与语音信道不冲突，即使终端处在通话状态下也可以进行传送；在 短信息传送过程中，不进行呼叫连接建立和释放的过程；MSC具有短信息的存储功能，在终端设备关机时，可以保持信息在一定时间

6、内有效。利用这些特点，及其双向传输的性能，可方便地实现对于采集站设备的信息采集 和远程控制，即实现遥测和遥控6 o GSM短信息是移动通信部门利用GSM网络在提供电路交换的各种电信业务和承载业务之外提供的基于数据分组交换的一项增值业务。基于GSM网络的SMS业务现在以其快捷，方便，价格低廉的特点已普遍用于各个领域。本系统已经投入重庆移动试用，运行稳定，能及时反映基站的运行状况，克服了传统维护基站时被动，费时费力的局面，减低了用户对营运商的投诉率，改善了网络运营环境，对基站起到了统一高效 的维护与管理。世界一流的各大电子测量 仪器公司都为GSM的测试发挥着重要作用，其中HP公司成了 GSM系统测

7、试的先驱。1989年HP英国Briscl分部首先提供了 HP11836A-0.3GMSK 调制测试软件和第一部 GSM射频信源 HP8657A，接 着HP又提供了 GSM系统多层协议分析和和信号分析的 仪器其中通信协议分析 仪可接至群接口 ，监测X.25、LAPD 和 CCS7 协议。1.2.3 总体要求和规划本课题要研究的问题是基于 GSM 的远程住宅智能监控系统。首先，要了解所用到的模块的原理、结构、功能； 然后对各个模块进行更为细致的了解和掌握。最后实现各个模块之间的衔接，即对接口进行设计。整个远程住宅监控系统由智能监控器、 GSM 通讯网络和用户手机终端三部分构成。在设计开发过程中用单

8、片机 接收检测到的信号，处理后向 GSM 模块通信，再通过 GSM 无线通信网络发送给手机用户。本次设计重点是基于单片机和 GSM 模块的接口设计。它包括硬件设计和软件实现两个部分。整个系统主要由单 片机、 GSM 通讯模块、外围设备和开关量输出接口的智能传感器构成。单片机是整个硬件系统的核心控制部件， 负责接收传感器触发的开关量报警信号，发送 GSM 通讯命令，控制信息传输。 GSM 模块是实现无线数据传输的 关键器件，它主要短信息发送提供无线接口。系统软件的设计的关键在于如何利用 GSM 模块进行通讯。2 总体方案设计此次设计是基于 GSM 的远程住宅智能控制，其中用到的模块主要有 GSM

9、 模块、单片机、传感器及其外围电路。 传感器用于检测危险信号并把信号发送到单片机中，单片机作为监测系统将报警信号传送到 GSM 模块，然后通 过 GSM 通信网络发送到用户手机。2.1 方案分析与论证本方案由智能监控器、 GSM 通讯网络和用户手机终端三部分构成如图 2.2 所示。智能监控器由单片机 AT89C51 组成、 GSM 通讯模块使用西门子的 TC35I 模块、环境监测传感器包括热释电红外传感器、火灾烟雾报警器、煤 气泄漏报警器等。本系统以 AT89C51 单片机作为整个硬件系统的核心控制部件，负责接收传感器触发的报警信 号，发送 GSM 通讯命令，控制信息传输。西门子的 TC35I

10、 模块是实现无线数据传输的关键器件，它为短信息发 送提供无线接口。整个电路采用 MAX3238 和 MAX232 实现 TC35I 和 AT89C51 之间的电平转换。图 2.2 方案二硬件框图3 远程住宅智能监控系统的硬件设计 整个远程住宅系统由智能监控器、 GSM 通讯网络和用户手机终端三部分构成。 GSM 网络为本系统的信息传输平 台，负责将报警信息以短信息形式传递给用户。由于 GSM 是目前我国主要使用的蜂窝数字移动通信系统，技术 成熟，覆盖面广，传输距离基本不受限制，而且直接面向用户手机，是良好的无线传输平台。用户手机为远程监 控终端，当有安全事故发生时，手机就会接收到一条来自智能监

11、控器的报警短信。在设计开发过程中 GSM 网络 和用户手机均为现有设备，可以直接引入系统。 GSM 通讯网络和手机用户终端都是已有的，所以重点是智能监 控器的设计与实现。智能监控器由西门子的 TC35I 模块、 AT89C51 模块、环境监测传感器（热释电红外传感器、火灾烟雾报警器、煤 气泄漏报警器等）和一些外围器件构成。3.1 TC35I 外围电路设计目前，国内已经开始使用的 GSM 模块有 Falcom 的 A2D 系列、 Wavecome 的 WM02 系列、西门子的 TC35 系列、 爱立信的 DM10/DM20 系列、中兴的 ZXGM18 系列等， 而且这些模块的功能、 用法差别不大

12、。 其中西门子的 TC35 系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证。所以本设计选用的是西门子 TC35 系列的 TC35I 。 TC35I 与 GSM 2/2 兼容、双频( GSM900/GSM1800 )、RS232 数据口、符合 ETSI 标准 GSM0705 ，且易于升级为 GPRS 模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的 AT 命令接口，为数据、语音、短信息和传真 提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计 14 。TC35I 的主要特性与技术指标包括以下几点：(1) 频段为双频 GSM900MHz 和 GSM1800MHz ( phase 2/2

13、+)；(2) 支持数据、语音、短信息和传真；(3) 高集成度(54.5mm< 36mrW 3.6mm);( 4 )质量为 9g ；( 5 )电源电压为单一电压3.34.8V ；(6)可选波特率 300bps 115kbps,动波特率 4.8 115kbps;(7 )电流消耗一一休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为 300mA (平均),2.5A峰值；(8 )温度范围 一一正常操作-20 C +55 C,存放-30 C +85 C；(9) SIM 电压为 3V/1.8V 。TC35I 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 RS232 接口标准。它固有

14、的参数： 8 位数据位和1位停止位，无校验位，硬件握手信号用 RTSO/CTSO，波特率在300bps 115kbps之间可选，软件流量控制 在用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的 AT命令集15。图 3.6 MAX3238 模块3.2 AT89C5I 及其外围电路AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4KB 的可反复擦写的程序存储 器和 128B 的随机存取数据存取数据存储器( RAM )，器件采用 Atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产， 兼容标准的 MCS-51 指令系统，片内配置通用 8 位中央处理器( CPU )

15、和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C51 单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C51 的极限参数：(1) 工作温度：-55 C +125 C(2) 储藏温度：-65 C +15 C(3) 任一引脚对地电压：-1.0V +7.0V( 4)最高工作电压： 6.6V(5)直流输出电流： 15.0mAAT89C51 单片机是整个系统的核心控制部件，负责接收传感器采集的报警信号，再发送GSM 通讯命令，控制信息传输与 LED 指示。主要包括采用 MAX232 接口的串行通信电路图、复位电路、按键显示电路 20 。其外围电 路参见附录 B 所示。3.2.1 采用 MAX232 接口的串行通

16、信由于 RS-232 标准采用负逻辑，而一般单片机均为 0-5V 的正逻辑，为了实现单片机的通信，在电路上采用电平转 换芯片 MAX232 实现正电压、负电压的转换，如图 3.7 所示。MAX232 芯片是包含两路接收器和驱动器的 IC 芯片，适用于各种通信接口。芯片内部有一个电源电压变换器，它可以完全 MAX3238和AT89C51间的电压转换，电压转换范围是-10V +5V或+5V +10V。所以采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的 +5V 电压就可以了 17。图 3.7 采用 MAX232 接口的串行通信电路3.3 环境监测传感器环境监测传感器如火灾烟雾报警器、煤气泄漏报警器、热释电红

17、外传感器用于环境监测。例如，安装在门窗位置 的热释电红外传感器可用来监测盗窃者的非法入侵； 安装在天花板上的火灾烟雾报警器可以监测到室内出现的突 发火灾；安装在厨房的煤气泄漏报警器可以用来监测有无煤气泄漏。这些安全监测传感器，均可以提供全方位的 安全监测保障。整个智能监控器在设计时，采用节能模式 21 。3.3.1 火灾烟雾报警器电路 本节介绍的火灾烟雾报警器适用于对煤气、液化气、汽油、一氧化碳、烷类等挥发性气体及纸张、木材、橡胶、 塑料制品等燃烧生成的烟雾进行检测。其电路如图 3.12 所示。采用 QM-N5 气敏传感器，实现气电转换， 555 时基集成电路及其周围元器件组成触发电 路和报警

18、电路。 由于气敏元件工作时， 要求其加热电压相当稳定， 所以利用 12V 电源对气敏元件的加热丝进行稳 压，报警器就能稳定地工作在180 260V 范围内。电路工作时，由 555 时基电路组成自激多谐振荡器，利用它的复位端进行触发。当气敏元件接触到可燃性气体和烟雾时，其阻值降低，使 555 时基电路复位端即 4 脚电压上 升，当电压达到 555 时基电路电源电压 Ucc 的 1/3 时，其输出端即 3 脚输出高电平，继电器吸合发出报警信号。 系统中电源采用蓄电池 12V 供电。气敏元件可采用 QM-N5 气敏传感器或 PS810 型光电式感烟器等通用性较强的 气敏元件，适用于天然气、煤气、液化

19、石油气、一氧化碳及醚类、苯类等挥发性气体及木材、纸张、棉布、塑料 制品的燃烧烟雾进行报警 23 。其他元器件规格按图中的标注进行选择，无特殊要求。图 3.12 火灾烟雾报警器3.3.2 煤气泄漏报警器电路家庭煤气泄漏报警器电路如图3.13所示，其工作原理是：当无瓦斯气体时，气敏元件QM-N5的A、B之间电导率很小，由电位器 RW 的滑动触头的输出电压小于 0.7V， 555集成电路的 4 脚被强行复位。当瓦斯浓度达到危险 值时，三极管 VT1 导通，振荡器工作，继电器 KA 一吸一合，发出高低变换的电平信号。图中 R1 为限流电阻， 调节器 RP 可改变报警电路的灵敏度。图 3.13 煤气报警

20、器电路4 远程住宅智能监控系统的软件设计 发送短信息要使用无线通信模块，所以都需要根据 TC35I 的接口协议编制通信程序。 TC35I 的串口数据通信支持 GSM7.07 和 GSM7.05 标准的 AT 指令集。提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口； GSM07.05 对短 信息作了详细的规定。在短信息模块收到网络发来的短信息时，能够通过串口发送指示信息，数据终端设备可以向 GSM 模块发送各种命令集，是由诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP 等厂家共同为 GSM 系统研制的，其中包含了对SMS的控制。常用与 SMS相关的AT命令主要有以下几条：AT+CMGC ：发出一条短消息命令；A

21、T+CMGD ：删除 SIM 卡内存的短消息；AT+CMGF ：选择短消息信息格式，0 为 PDU 格式， 1 为 TEXT 格式；AT+CMGL :列出SIM卡中的短消息，0/ “REC UNREA”为未读，1/ “REC READ为已读，2/ “STOU NSENT为待 发，3/ “STO SENT为已发,4 “/ALL'为全部的；AT+CMGR/CMGS: 读/发送短消息；AT+CMGW: 向 SIM 内存中写入待发适消息；AT+CMSS: 从 SIM 内存中发送短消息；AT+CNMI: 显示新收到的短消息；AT+CSCA: 短消息中心地址。目前，发送短消息常用 Text和PDU

22、 （Protocol Data Unit，协议数据单元）模式。使用Text模式收发短信息代码简单，实现起来容易，但缺点是不能收发中文短信：而 PDU 模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。 PDU 模 式收发短信可使用 3 种编码 :7-bit 、 8-bit 和 UCS2 编码。 7-bit 编码用于发送普通的 ASCII 字符， 8-bit 编码通常用 于发送数据消息， UCS2 编码用于发送 Unicode 编码字符。 在这三种编码方式下， 可发送的最大字符数分别是 160、 140、70。若发送中文， 必须采用 PDU 模式的 Unicode 编码方式 22 。一般的 PDU 编码由

23、 A B C D E F G H I J K L M 十三项组成。A ：短信息中心地址长度， 2 位十六进制数（ 1 个字）。B ：短信息中心号码类型， 2 位十六进制数。C:短信息中心号码，B+C的长度将由A中的数据决定。D ：文件头字节， 2 位十六进制数。E:信息类型，2位十六进制数。F:被叫号码长度，2位十六进制数。G :被叫号码类型，2位十六进制数，取值同B。H :被叫号码，长度由 F中的数据决定。I :协议标识， 2 位十六进制数。J：数据编码方案，2位十六进制数。K :有效期，2位十六进制数。L :用户数据长度， 2 位十六进制数。M :用户数据，起长度由L中的数据决定。J中设定

24、采用UCS2编码，这里是英文的 UNICODE字符。4.3.2 串口发送模块程序设计单片机与 TC35I 的软件接口其实就是单片机通过 AT 指令控制手机的控制技术， 首先设置 TC35I 模块的工作模式； AT+CMGF=n,n=0 为 PDU 模式 ;n=1 为文本模式 ;通常设置为 PDU 模式 ,在这种模式下 ,能传送或接受透明数据 （用户 自定义数据 ）。 AT+CMGL=n 为读 TC35i 模块内的短消息， n 为短消息信号。 AT+CMGL=n 为列出模块内的短消息， n=o时未读的短消息，n=1为已读的短消息，n=2为未发送的短消息，n=3为已发送的短消息，n=4为所有短消息

25、。 AT+CMGL=n 为删除 TC35i 模块内的短消息， n 为短消息编号。通过 TC35i 写入不同的 AT 指令，能完成多种功 能，如网络登录、发送 SMS 消息、接受 SMS 消息等 5 。其主要流程图如图 4.5 所示。图 4.5 串口发送模块流程图下面介绍工作过程中通过串口控制 TC35I 的关键指令。TC35I 初始化AT+CMGF=0 ；设置 PDU 编码模式；AT+CMNM1=1 ， 1， 2；设置短信息到来自动提示；AT+CMGD= ；将所有在位置的信息删除，准备接收；发送短信息过程AT+CMGS= ；设置发送数据长度；接收到“符号后开始发送短信息格式帧，以ASCII码“

26、1A'结束。格式帧中包含短信息服务中心的地址、对方地址、消息生命周期以及需要传输的数据内容等。地址和日期采用压缩BCD 编码方式。在发送过程中，还需要保证语句之间足够的延迟时间，否则，TC35I 会出现报错信息。由以上可知 TC35I 会出现报错信息的情况发生，所以异常处理是保证远程通信与控制的一个关键。TC35I 异常状态可以分成几类:TC35I 损坏或者物理连接故障； SIM 卡损坏； SIM 卡欠费:收到非期望信息。在主程序中检测到这些状态后，进入异常状态处理模块进行处理，进行声光报警。软件编程通过向 TC35I 写入不同的 AT 指令能完成多种功能，如网络登录、读取 SIM 卡

27、上电话号码、发送 SMS 消息、接收 SMS 消息等。下面给出部分功能程序 :启动 TC35i 模块程序STAR: CLR P1.0 ；IGT=0LCALL DL100ms ；延时 100毫秒SETB P1.0；IGT=1 启动 TC35i 模块MOV PCON ， #80H；SMOD=1 ，波特率加倍MOV TH1 ， #0FAH ；采用 11.5PZHz 晶振时，设置串口为 4800波特率MOV TL1 ， #0FAH ；定时器 1 赋初值MOV SCON ，#50H ；串口设置工作方式 1，允许接受SETB TR1 ；启动定时器设置 TC35I 模块为 PDU 工作模式程序CMGF: M

28、OV 40h, #41H; AMOV 41H, #54H; TMOV 42H, #2BH; +MOV 43H, #43H; CMOV 44H, #4DH; MMOV 45H, #47H; GMOV 46H, #46H; FMOV 47H, #3DH; =MOV 48H, #30H; 0MOV 49H, #0DH; CR ；发送十个字符MOV R2, #0AH ；发送十个数据MOV R0, #40H; 数据块首地址CMGF1: MOV A, R0 ；初始地址给累加器MOV SBUF, A ；开始发送JNB T1 ；等待，直到发送完成CLR T1 ；清发送标志位INC R0 ；数据块地址加 1DJ

29、NZ R2, CMGF1 ；判断是否发够十个数据RET;子程序返回AT 指令的指令符号、常数、 PDU 数据等都是以 ASCII 编码形式传送；传送透明数据必须把 TC35I 模块的工作模 式设置为 PDU 模式;单片机向 TC35I 模块发送每一条后，必须以回车符作为该条指令的结束，例如单片机向手 机发送 “AT+CMGF”=0 这条指令，其 ASCII 码序列为 “41H、 54H、 2BH 、 42H 、4DH 、 47H 、 46H、3DH 、30H、 ODH'，最后一个字节 ODH就是回车符，表示该条指令结束，如果没有这个回车符，手机将不识别这条指令。当TC35I 模块接收到

30、一条完整的 AT 指令后， TC35I 模块并不立即执行该条指令，而是把刚才接收到的 AT 指令的ASCII编码序列全部反发送出来（含 ODH）；其次发送一个回车符合一个换行符的ASCII编码，即ODH和0AH ；然后执行该命令 28 。单片机读取 TC35I 模块的 PDU 数据时，原始数据应该是 16 进制数，但读回的数据仍然是 ASCII 表示的 16 进制 数。这样一个字节的 16 进制数就变成了 2 个字节的 ASCII 码。 但是 PDU 数据包中的数据字节长度部分仍然是实 际字符长度。而不是变成 ASCII 码的字节长度，这在编程时应特别注意，否则，接收的数据就不完整。单片机接 收到PDU数据包数据后，必须将其恢复成16进制数据，其算法如下：设 a为