基于GSM網絡的家用無線機械手

山東科技大學 劉國洋 李 楠

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基于GSM網絡的家用無線機械手

山東科技大學 劉國洋 李 楠

【摘要】為更好更便捷地體驗智能家居，本文設計了一款基于GSM網絡的家用無線機械手，闡述了系統各模塊協調工作的原理。該設計從市場需求出發，實現了現有智能家居的一般功能。

【關鍵詞】智能家居；STC12C5A60S2單片機；西門子TC35I模塊；HC-05藍牙模塊

0 引言

眾所周知，智能家具的概念在慢慢深入人心，市面上出現了很多成套的智能家具產品，，人們出差在外控制和監視家里的東西也有了很多種用成套智能家具控制的方案，但這些智能家具產品非常“固定”，必須成套購買相應產品才能有良好的用戶體驗。現在智能家居市場普及程度并不高，所以現在市場缺少一種過渡產品來讓更多的人了解和體驗智能家居，這就是我們這個產品設計的初衷。本產品努力做到讓用戶在盡可能少的改變現有家具的基礎上最大程度地體驗智能家居帶給我們的便捷。

1 總體設計

這是一種可擴展的智能家居系統，由一個在室內放置的可移動的GSM發射接收控制臺和多個機械手構成，每個機械手都可以“學習”和“記憶”指定的動作，我們可以把這些機械手固定在家中各種地方，比如開關旁，按鈕旁，甚至房門旁等等，對于每個機械手我們都可以“教”給它一定的動作，一旦收到指令后它能像示教器一樣把動作原樣再做一遍。比如我們可以“教”給機械手一個按下開關的動作，當它一旦受到相應指令后它就會按下這個開關。本設計控制和信息處理部分主要使用STC12C5A60S2單片機，此單片機的特點是有8路10位AD、EEPROM、4個定時器、兩個串口、SPI接口，還有WATCH_DOG防止程序跑飛。

系統總體框圖如圖1所示：

圖1 系統總體框圖

圖2 機械手工作框圖

2 硬件設計

機械手部分的主要零部件有：STC12C5A60S2單片機、旋鈕式電位器、MG996舵機及舵機架、HC-05藍牙接受模塊、9V電源。每個舵機的一端都和一個旋鈕式電位器相連，當按下“設置”按鈕的時候，我們可以用手給機械手做一遍動作，AD轉換開始，AD轉換器將從電位器輸出的電壓模擬量轉換成數字量，由單片機用一定頻率（本設計的頻率是10HZ）將每個舵機轉的角度和時間均轉換成數字量，然后用指定格式編碼并保存。STC12C5A60S2單片機用來記錄、分析和存儲每個舵機轉過的角度和時間到內置存儲器EEPROM中。當機械手接受到來自主控臺的指令后讀取內置存儲器EEPROM中數據，根據此數據實現控制各個舵機實現動作的再現。為了實現機械手的長時間待機我們也采用了9V大容量電池，通過降壓板為模塊組供電。目前測試的是使用兩個自由度、兩個MG996舵機的機械手，后續可以設計和添加更多自由度，功能更多的機械手。

機械手工作框圖如圖2所示。

主控臺主要起到消息的接收匯總和發出的作用。主控臺的主要部件有：TC35I模塊（GSM模塊），STC12C5A60S2單片機，HC-05藍牙模塊、5V電源。在目前中國的網絡環境下，GSM網絡覆蓋范圍是最廣的，所以用GSM做控制臺可以做到只要手機有信號就能控制家里的機械手。TC35I模塊具有體積小，重量輕，低功耗，操作簡便，功能強大，非常適合在本設計中使用。GSM模塊硬件設計框圖如圖4所示。在主控部分的發射模塊使用HC-05藍牙模塊，同時在各個機械手上也用HC-05藍牙模塊進行接收。使用藍牙連接的好處是保證了產品的可擴展性、抗干擾性和保密性，同時在家里用手機也可以通過連接指定的機械手來實現控制。

主控臺工作流程圖如圖3所示。

圖3 主控臺工作流程圖

圖4

3 軟件部分

本系統控制部分主要在GSM模塊、藍牙模塊和舵機模塊的控制上。

GSM模塊采用西門子的TC35I模塊，它支持標準AT指令集和部分

擴展AT指令集。對于短信接收方面我們采用了直接接收方式，即將AT+CMI參數設置為AT+CNMI=1，2，0，0，1或AT+CNMI=2，2，0，0，1，當主控臺接收到來自手機發送的指定命令后直接將信息通過串口發送至MSP430，使其產生串行中斷來捕獲和處理指定消息。對于短信發送方面我們用文本方式通過串口發送AT+CMGS和指定手機號碼到模塊上，模塊會發出指定短信。

藍牙模塊采用BMX-03A模塊，它也支持標準AT指令集，同時支持一對多和多對多的多機通訊。初始化時將主控臺的藍牙模塊通過設置AT+ROLE=1設置為主機，而各個舵機的藍牙模塊都為從機。經測試在一般家庭中都能實現正常的收發。

舵機模塊采用MG995舵機，它的原理是通過控制固定周期不同占空比的矩形波來控制舵機轉過的角度。要執行的動作數據存放在EEPROM中，當接收到指令時通過IIC協議讀取芯片中的數據實現對舵機轉過角度和運行時間的控制，這在MSP430單片機上用一個定時器即可完成。

4 結語

本文針對現有的智能家居系統成本高昂、可擴展性差等缺點，研究設計了一種基于GSM網絡的家用無線機械手。此系統各個模塊分工明確，可擴展性強，可以作為智能家居的替代產品和過渡產品來使用。本系統通過GSM模塊接受信號，可以實現遠距離控制；室內主控臺通過低功耗藍牙模塊與各個機械手建立連接，增強了可擴展性和保密性；各個機械手都用可以根據人的動作來存儲動作數據，增強了機械手的易用性和靈活性。與傳統智能家居系統相比，該系統還具有價格便宜、節能、功能強大等優點，因此有廣闊的市場空間。

參考文獻

［1］王浩鳴.藍牙技術的安全認證機制［J］.無線電工程，2002，32（4）﹕37-40.

［2］劉舉平，余為清.基于GSM技術的智能家居遠程控制器設計［J］.嵌入式系統應用，2010，26（4）﹕45-46.

［3］吳玉田，王瑞光，鄭喜鳳，等.GSM模塊TC35及其應用［J］.計算機測量與控制，2002，10（8）﹕557-560.

［4］陳幼平，馬志艷，袁楚明，周祖徳.六自由度機械手三維運動仿真研究計算［J］.計算機應用研究，2006，6﹕205-207.

［5］趙鳳申.焊接機器人手部示教控制方法研究［D］.杭州﹕浙江大學，2006.

劉國洋（1995—），男，山東青島人，大學本科，主要研究方向為測控技術與儀器。

李楠（1996—），女，山西臨汾人，大學本科，主要研究方向為測控技術與儀器。

作者簡介：