基于GSM的智能家居控制系統(tǒng)

.z---..--總結(jié)資料基于GSM和AVR單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)成員：武鵬飛謝祎*善文唐述杰學(xué)院:物理學(xué)院指導(dǎo)教師：李茂奎2008年5月基于GSM和AVR單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)物理學(xué)院武鵬飛謝祎*善文唐述杰摘要：建立一套基于GSM和AVR單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管理員通過(guò)給GSM模塊發(fā)送短信息指令以控制外圍設(shè)備的目的，包括控制指定電器，開(kāi)關(guān)電子門(mén)等多種功能。它的本錢價(jià)并不高昂，適合于普通群眾使用，有著廣闊的市場(chǎng)前景。其中GSM模塊用于承受管理員的短信息，并傳送到單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)基于AVR單片機(jī)，處理來(lái)自GSM模塊的信息，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序和短信命令來(lái)控制家居電器，以及控制GSM模塊給管理員發(fā)送相關(guān)信息，使得管理員和系統(tǒng)可以進(jìn)展交互。獨(dú)有的紅外防盜報(bào)警系統(tǒng)，可以在家中出現(xiàn)可疑人時(shí)立刻通過(guò)短信向主人報(bào)告。關(guān)鍵詞：GSM單片機(jī)智能家居控制Abstract：WedesignaintelligentcontrolsystemwhichisonthebasisofGSMandSCManditwillrealizethebookfunctionofcontrolofthehomeapplications.Themainprocessisthatwhentheadministratorsendsate*tmessagemandtoGSMmodule,thesinglechipwilldeterminewhetherthemessageisfromitsmasterandthengivemandtothecontrolequipment.GSMmoduleisusedforacceptingthete*tmessageandsendtotheMCUcontrolsystem.SCMcontrolsystemisbasedontheAVRmicrocontroller,processtheinformationfromtheGSMmodule,andinaccordancewiththeproceduressetinadvanceturnedonorofftheintelligentcontrolsystem,andcontrolthroughtheGSMmoduletothemanagertoreturntotheimplementationofthedirective,enablesthemunicationbetweenadministratorsandtheintelligentcontrolSystems.Keywords:GSMSCMIntelligentcontrolsystem前言：GSM(GlobalSystemforMobilemunication)系統(tǒng)是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通訊體制中比較成熟、完善、應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。目前已建成的覆蓋全國(guó)的GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，是我國(guó)公眾移動(dòng)通信網(wǎng)的主要方式。基于GSM的短信息效勞，是一種在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳送簡(jiǎn)短信息的無(wú)線應(yīng)用,是一種信息在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)寄的過(guò)程。由于GSM網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)*圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游,具有網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)的特點(diǎn),用戶無(wú)需另外組網(wǎng),在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋*圍的同時(shí)為客戶節(jié)省了昂貴建網(wǎng)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí),它對(duì)用戶的數(shù)量也沒(méi)有限制,克制了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資本錢大,維護(hù)費(fèi)用高,且網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的覆蓋*圍和用戶數(shù)量有限的缺陷。比起傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋上具有無(wú)法比較的優(yōu)勢(shì),加上GSM的SMS本身具備的數(shù)據(jù)傳送功能,都使得這些應(yīng)用得到迅速的普及。利用GSM短信息系統(tǒng)進(jìn)展無(wú)線通信還具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能,性能穩(wěn)定,為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個(gè)強(qiáng)大的支持平臺(tái)。我們開(kāi)發(fā)的基于GSM和AVR單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)正是利用了GSM短信息系統(tǒng)的通信平臺(tái)。系統(tǒng)介紹：一．方案論證系統(tǒng)分為三個(gè)局部：GSM模塊，單片機(jī)控制模塊，外圍控制系統(tǒng)。GSM模塊與單片機(jī)的硬件接口技術(shù)方面目前市場(chǎng)上流行的大局部GSM模塊幾乎都具有數(shù)據(jù)引出口，并根本上都支持與GSM短信息相關(guān)的AT控制指令(GSM-SMS-AT指令)，GSM模塊通過(guò)數(shù)據(jù)口以串行方式接收指令并向外輸出數(shù)據(jù)。理論上講，在數(shù)據(jù)口中找出R*D、T*D和GND引腳與單片機(jī)的串口對(duì)應(yīng)連接即完成了硬件接口。GSM模塊數(shù)據(jù)線是專為連接PC機(jī)9針串口而設(shè)計(jì)的，信號(hào)電平為標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平，只要單片機(jī)的串口也轉(zhuǎn)換為RS232電平，就可方便連接。9針串口引腳定義是固定的，即2腳為T(mén)*D(GSM模塊發(fā)送)，3腳為R*D(GSM模塊接收)、5腳為GND。這樣，無(wú)論什么型號(hào)的GSM模塊與單片機(jī)的連接就成了固定連接，不需要知道GSM模塊數(shù)據(jù)口信號(hào)的具體定義，二者通過(guò)數(shù)據(jù)線的連接電路如圖1所示。GSM模塊的軟件接口及控制技術(shù)在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，采用的是GSM通信模塊為WAVE，該模塊具備GSM無(wú)線通信的全部功能,并提供標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口,支持GSM07.05所定義的AT命令集的指令。根據(jù)GSM07.05的定義,SMS短信息的發(fā)送和接收模式共有三種：Block模式、基于AT命令的Te*t模式和基于AT命令的PDU模式。(1)PDU模式發(fā)送和接收中文或中/英文混合的短信息必須采用PDU模式。根據(jù)GSM07.05的定義,只要控制器通過(guò)UART接口向GSM模塊下發(fā)AT命令,就可以直接讀取收到的PDU模式的短信息："AT+CMGF=0"‘設(shè)置為PDU模式"AT+CMGR=1"‘讀取接收的一條短信息在PDU模式下,GSM通信模塊的答復(fù)格式為：+CMGR:<stat>,,<length><CR><LF><pdu>其中：stat表示該條短信息的狀態(tài),通常為0〔未讀過(guò),新的短信息〕或1〔已讀過(guò)〕;Length為十進(jìn)制數(shù),表示pdu數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減去短信息效勞中心地址長(zhǎng)度,單位為字節(jié);<CR><LF>為回車換行;pdu為PDU模式的數(shù)據(jù)包。然后,要分析PDU數(shù)據(jù)包,根據(jù)PDU的數(shù)據(jù)格式將收到的中文信息和其它相關(guān)信息解析出來(lái)。(2)

PDU數(shù)據(jù)包格式PDU數(shù)據(jù)包由兩局部構(gòu)成,短信息效勞中心地址〔SMSCaddress〕和TPDU,表2為PDU數(shù)據(jù)包的格式,其中一個(gè)數(shù)據(jù)單元為一個(gè)字節(jié)。表2

PDU數(shù)據(jù)包格式〔承受MSM〕：(3)

PDU模式的純英文短信息解碼PDU模式的純英文短信息編碼使用GSM字符集的7位編碼,此時(shí)TP-DCS的值為00。如短信息內(nèi)容為英文字符“Hi〞,首先將各個(gè)字符轉(zhuǎn)換為7位的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制ASCII碼,然后要將后面字符的低位逐位調(diào)整到前面,補(bǔ)齊前面的差異。例如：“H〞的二進(jìn)制ASCII碼為1001000,“i〞二進(jìn)制ASCII碼為1101001;顯然H的二進(jìn)制編碼缺乏八位,則就將后面字符i的最后一位補(bǔ)足到H的前面,就成了11001000〔C8〕,i剩下六位110100,前面再補(bǔ)兩個(gè)0,變成00110100〔34〕,于是“Hi〞就變成了兩個(gè)八進(jìn)制數(shù)C834。由于PDU模式的純英文短信息采用7位編碼,解碼不方便,因此對(duì)于只需發(fā)送和接收純英文字符和數(shù)字符號(hào)的應(yīng)用,最好采用Te*t模式發(fā)送和接收短信息。(4)中文短信息的解碼由于中文字的編碼是采用2個(gè)字節(jié)的編碼,因此發(fā)送和接收中文或中英文混合的短信息只能采用PDU模式。但在GSM標(biāo)準(zhǔn)中,中文編碼采用UTF-8的編碼,不是目前國(guó)內(nèi)常用的GB-2312編碼,故還需要進(jìn)展中文編碼的轉(zhuǎn)換,才能與采用GB-2313漢字庫(kù)相配合顯示漢字字型。由于UTF-8和GB-2312編碼之間不存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系,因此只能采用查表的方式進(jìn)展轉(zhuǎn)換。下面給出一個(gè)由UTF-8到GB-2312編碼轉(zhuǎn)換的算法。①

建立UTF-8和GB-2312兩個(gè)中文編碼表,表中數(shù)據(jù)項(xiàng)為2個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的十六進(jìn)制的數(shù),代表一個(gè)中文編碼。兩個(gè)表的長(zhǎng)度分別為14890字節(jié)〔2×7445〕。UTF-8編碼表按數(shù)據(jù)項(xiàng)值從小到大排序,而在GB-2312編碼表中,與UTF-8一樣位置處為一樣漢字的GB-2312碼字,如下列圖所示。UTF-8、GB-2312編碼表構(gòu)造②

軟件解碼過(guò)程為：每次從PDU模式SMS數(shù)據(jù)包的TP-UD中取出兩個(gè)字節(jié),采用二分法快速數(shù)據(jù)查找算法,在UTF-8編碼表中找到其所在位置,然后在GB-2312表的一樣位置處讀取相對(duì)應(yīng)的GB-2312編碼。二分法的最壞查找次數(shù)為lg2(n+1),UTF-8表的長(zhǎng)度n為7445,固最壞查找次數(shù)為13次,就是說(shuō)一個(gè)中文編碼由UTF-8到GB-2312的轉(zhuǎn)換最多經(jīng)過(guò)13次比較查找就可完成。這比采用簡(jiǎn)單的順序查表要快的多,大大減少了查表所花費(fèi)的時(shí)間,非常適合在一般的嵌入式系統(tǒng)中使用。(5)TE*T模式Te*t模式只支持傳送英文及數(shù)字信息，但它的編碼要比PDU模式簡(jiǎn)單很多，因此我們?cè)谖覀兊闹悄芸刂葡到y(tǒng)中采用了Te*t模式。TE*T模式在信息傳送時(shí)通過(guò)串口傳遞的是十六進(jìn)制ASCII碼。其USART通訊默認(rèn)使用9600比特率，8位數(shù)據(jù)信息，無(wú)奇偶校驗(yàn)，有一位開(kāi)場(chǎng)位和一位完畢位。例如，我們要發(fā)送指令來(lái)讀取第一條短信，使用命令：AT+CMGR=1；我們只需要通過(guò)串口發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)碼：0*41,0*54,0*2b,0*43,0*4d,0*47,0*52,0*3d,0*31,0*0d即可。其中0*41是A對(duì)應(yīng)的ASCII碼，0*54是T對(duì)應(yīng)的ASCII碼，以此類推，只要將相應(yīng)英文字母的ASCII碼以十六進(jìn)制的形式發(fā)送即可。單片機(jī)控制系統(tǒng)我們使用的是Atmel公司的AVR高速8位微控制器ATmega16。ATmega16芯片為40個(gè)引腳,內(nèi)部集成了1K字節(jié)的RAM、512字節(jié)的EEPROM、16K字節(jié)的Flash以及2個(gè)UART串行接口等。由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外圍器件,如外擴(kuò)RAM、ROM存儲(chǔ)器等,使硬件構(gòu)造大大簡(jiǎn)化,提高了系統(tǒng)的可靠性。ATmega16芯片的引腳圖如下：其中的PD0即為R*D引腳〔R*D是USART的數(shù)據(jù)接收引腳〕，PD1即為T(mén)*D引腳〔T*D是USART的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳〕，引腳11即為GND接地。外圍控制系統(tǒng)我們的外圍控制系統(tǒng)包括D型鎖存器74LS174、220V繼電器、220V電路輸入輸出接口系統(tǒng)。(1)繼電器的選擇及控制方案。我們使用的是12V驅(qū)動(dòng)的微型電磁繼電器，型號(hào)是JQC-3F,12VDC，10A，250VAC。我們的電路圖如下其中我們使用的繼電器功率是0.36W，按12V電壓供電計(jì)算，額定電流是30mA，8050的放大倍數(shù)為300倍，故基極的輸入電流應(yīng)為0.1mA。AVR單片機(jī)IO端口的輸出電壓為5V，按8050的導(dǎo)通壓降為0.7V計(jì)算，我們?cè)O(shè)定的基極電阻為5K1。由于AVR在上電時(shí),DDR*和PORT*的值均初始化為"0",I/O引腳呈高阻輸入方式,因此電阻R2的作用是確保三極管的集電極電位在上電時(shí)為"0"電平,三極管截止,保證了加熱電爐控制系統(tǒng)上電時(shí)不會(huì)誤動(dòng)作。三極管集電極的負(fù)載繼電器吸合線圈在三極管截止時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的反峰電壓,在吸合線圈兩端并接一個(gè)二極管D1,其用途是釋放反峰電壓,保護(hù)三極管和I/O口不會(huì)被反峰電壓擊穿,提高系統(tǒng)的可靠性。(2)D型鎖存器74LS174.之所以在I/O引腳和上圖的1口之間連接一個(gè)74LS174D型鎖存器是為了防止單片機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中意外RESET時(shí)引發(fā)不必要的動(dòng)作電位。74LS174的真值表如下：很顯然，只有當(dāng)clock引腳在上升沿時(shí)才會(huì)將D引腳上的信號(hào)打入，從而有效的保證了繼電器不被其他干擾和意外信號(hào)所干擾，保證了220V用電器運(yùn)行的穩(wěn)定性和平安性。(3)220V電路的輸入輸出接口：為了保證本系統(tǒng)的通用性，我們?cè)O(shè)計(jì)了通用插座作為整個(gè)系統(tǒng)220V電壓的輸入輸出接口。使用時(shí)只要用普通雙頭電源線插入普通220V電源插座，再將想要控制的電器插在輸出插座上即可，安裝簡(jiǎn)單方便。如下列圖所示：紅外探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)我們選用了反射紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)器實(shí)為紅外光電開(kāi)關(guān)，采用9V電源供電，其特性為當(dāng)光電開(kāi)關(guān)發(fā)出的光線在探測(cè)距離內(nèi)未被反射時(shí)，OUT輸出9V高電平；當(dāng)光電開(kāi)關(guān)發(fā)出的光線在探測(cè)距離內(nèi)被反射時(shí)，OUT輸出0V低電平。根據(jù)這一電平特性，采用下列圖分壓電路，該分壓電路采用串聯(lián)分壓，兩電阻R6、R7阻值相等，使紅外探測(cè)器高電平時(shí)有4.5伏輸入MAGE16,從而到達(dá)輸入電平的變化。我們?cè)谛盘?hào)處理上選擇了使用mega16的INT0外部中斷。當(dāng)有人從探頭的前面經(jīng)過(guò)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)單片機(jī)向主人發(fā)送報(bào)警的短信程序。二．系統(tǒng)總體方案GSM模塊接收短信指令GSM模塊接收短信指令GSM模塊承受指令通過(guò)串口通訊線傳遞電平轉(zhuǎn)換最小單片機(jī)系統(tǒng)接收并識(shí)別指令，發(fā)出相應(yīng)命令外圍設(shè)備承受動(dòng)作電位產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作三．實(shí)際系統(tǒng)及電路設(shè)計(jì)1.GSM通訊模式的選擇及結(jié)論鑒于TE*T模式在運(yùn)行中的易操作性，我們最終選擇了這種模式作為我們GSM模塊與單片機(jī)之間的通信方式。但執(zhí)行一條令，也并非*些資料中介紹得則簡(jiǎn)單。事實(shí)上，指的執(zhí)行過(guò)程需要單片機(jī)與手機(jī)交互應(yīng)答完成，每一次送或接收的字節(jié)數(shù)有嚴(yán)格的規(guī)定，二者必須依據(jù)這些定實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，否則，通信就是失敗的。我們經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，總結(jié)出來(lái)如下一些規(guī)律：①所有AT指令的指令符號(hào)、常數(shù)、TE*T數(shù)據(jù)包等都是以ASCII編碼形式傳送的，比方“A〞的ASCII編碼為41H，“T〞的ASCII編碼為54H，數(shù)字“0〞的ASCII編碼為30H等。②單片機(jī)控制GSM模塊工作，必須把GSM模塊的短信息工作模式設(shè)置為T(mén)E*T〔只發(fā)英文和數(shù)字〕格式，即通過(guò)指令A(yù)T+CMGF=1完成。③單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送每一條指令后，必須以回車符作為該條指令的完畢，回車的ASCII編碼為0DH。例如，單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送“AT+CMGF=0”這條指令，其ASCII編碼序列為“41H、54H、2BH、42H、4DH、47H、46H、3DH、30H、0DH〞，最后一個(gè)字節(jié)0DH④當(dāng)GSM模塊接收到一條完整的AT指令后，GSM模塊并不立即執(zhí)行這條指令，而是先把剛剛接收到的AT指令的全部ASCII編碼序列全部反發(fā)送出來(lái)(含0DH)，然后發(fā)送一個(gè)回車符和換行符的ASCII編碼，即0DH和0AH，最后執(zhí)行該條指令。⑤GSM模塊向單片機(jī)傳送短信息內(nèi)容時(shí)，其TE*T數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是以十六進(jìn)制表示的數(shù)據(jù)，但并不是直接向單片機(jī)傳遞十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，而仍然是把每一位十六進(jìn)制數(shù)以ASCII編碼來(lái)發(fā)送。這樣，二個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)就變成4字節(jié)的ASCII碼。但是，TE*T數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度局部仍然是實(shí)際字節(jié)長(zhǎng)度，而不是變成ASCII碼的字節(jié)長(zhǎng)度。2．根據(jù)上述規(guī)則編寫(xiě)該控制系統(tǒng)的軟件軟件主要設(shè)計(jì)思想：(1)測(cè)單片機(jī)與ＧＳＭ模塊通訊是否正常，即發(fā)送ＡＴ，收到ＯＫ即成功。voidtransmit(charda){while(!(UCSRA&(1<<UDRE)));//發(fā)送指令的函數(shù)UDR=da;}Voidmain(){init_devices();for(num=0;num<3;num++)transmit(zlqueren[num]);//發(fā)送AT確認(rèn)指令，驗(yàn)證通訊是否正常delay1();}(2)機(jī)接收ＧＳＭ發(fā)送過(guò)來(lái)的指令與預(yù)設(shè)指令比照，對(duì)符合的指令執(zhí)行相應(yīng)控制程序。關(guān)鍵程序段：for(a=0;a<4;a++){if(!(tmp[a]==neirong3[a]))a=30;if(a==3)w=1;//短信內(nèi)容檢測(cè)，驗(yàn)證密碼和指令}aa=0;//關(guān)閉AAi=0;pf=&test1[0];//清空臨時(shí)數(shù)組1，準(zhǔn)被承受新命令if(dd){if(test3[6]==0*4b){ppp=3;PORTA|=0*01;delay2();PORTA|=1<<3;}//發(fā)出接通電源命令if(test3[6]==0*47){ppp=2;PORTA&=~0*01;delay2();PORTA|=1<<3;}//發(fā)出關(guān)閉電源命令}for(num=0;num<10;num++){transmit(zlshan[num]);}//刪除短信，防止SIM卡溢出３．系統(tǒng)與電路整個(gè)控制系統(tǒng)和外圍測(cè)量系統(tǒng)的電路圖如上，主要包括Mega16芯片，繼電器控制單元、紅外探測(cè)器單元、通訊指示單元。繼電器單元由74LS174芯片、三極管放大電路和繼電器組成。具體的原理已在前面闡述。紅外探測(cè)單元，主要由紅外探測(cè)器和分壓電路組成。詳細(xì)工作原理請(qǐng)見(jiàn)第二局部紅外報(bào)警系統(tǒng)的論證。通訊指示單元用于指示單片機(jī)同GSMModem之間的通訊是否正常，如果通訊正常，指示燈就會(huì)亮起。四．成果測(cè)試(1)短信控制家用電器本工程擬實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)給系統(tǒng)發(fā)送手機(jī)短信〔內(nèi)容為密碼和動(dòng)作指令〕，單片機(jī)模塊和GSM模塊通訊，單片機(jī)通過(guò)控制繼電器來(lái)控制220V家用電器〔我們這里演示用的是普通臺(tái)燈〕。在GSM模塊中插入一*普通的手機(jī)卡，連接好整個(gè)電路并上電。用另外任何一部手機(jī)向插入卡發(fā)送短信指令。例如：我們指定的短信指令為V123456KD(或V123456GD)，V為密碼標(biāo)識(shí)符，123456為系統(tǒng)密碼，KD和MD為動(dòng)作指令。當(dāng)發(fā)送V123456KD時(shí)，單片機(jī)判斷正確后，通過(guò)控制繼電器的動(dòng)作接通220V強(qiáng)電，使