基于GSM短消息實驗室環境監控的硬件系統設計

【摘 要】采用單片機STC89C52為控制核心、結合無線GSM短信模塊，從主控模塊的設計、主控模塊與各子功能模塊的連接、GSM通信模塊的設計、防盜部分、傳感器信號采集、電器控制、門窗控制等方面設計一個基于GSM短信息的實驗室環境監測系統，以實現對實驗室設備、環境狀況的監控。

【關鍵詞】GSM 短信息 TC35 單片機 環境監控

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2014）11C-0187-02

實踐教學是高職院校人才培養的重要組成部分，智能化的實驗室環境監控已經成為各個高職院校實驗室建設的熱議話題，成為發展的必然趨勢。實驗室環境監控系統是一個復雜龐大的系統，涉及通信技術、智能控制技術等相關技術，為用戶提供全方位的多功能服務，同時對實驗室環境進行遠程監控和實時管理。基于短消息數據交換的技術，具有成本低和易于維護的優點，這主要是因為省略了巨大的網絡建設投資成本和維護費用，將現有的GSM網絡資源應用于實驗室環境監控系統，可以充分發揮網絡覆蓋率高、傳輸特性好等優勢，為實驗室環境監控系統的無線數據傳輸方式提供便利條件。

本文探討的實驗室環境智能監控系統，是利用傳感器和單片機系統采集信息，通過總線接口，利用GSM網絡短消息傳輸數據，實現對實驗室環境的智能無線監控。

一、系統的工作原理和方案設計

（一）總體結構。本實驗室環境監控系統由主控模塊、功能模塊、SMS通信模塊、手機等部分組成。其中主控模塊通過SMS模塊與用戶的手機進行通信。其結構圖如圖1所示：

圖1 系統總體結構框圖

主控模塊與功能模塊組成星形拓撲結構。各控制模塊主要以單片機為控制核心完成控制工作。根據實驗室環境監控系統中各個部分電路所起的作用和實現的功能，系統可以分為三個部分。一是主控模塊。主控模塊是控制的核心，負責處理接收到的發送來各功能模塊信息，并控制有關信息發送給通信模塊的權限。并且對各功能模塊根據接收到的通信模塊信息進行控制和操作。二是通信模塊。通信模塊是實驗室監控系統的重要部分，實現主控模塊和手機用戶之間的通信，目的是完成對實驗室的遠距離控制。通信模塊接收到手機通過GSM移動網絡將SMS發送的實驗室數據后，傳輸給主控模塊，控制功能模塊進行相關操作，從而實現對實驗室的遠程控制，同時通信模塊將通過主控模塊獲取的各功能模塊的信息傳送給手機。三是功能模塊。該模塊負責完成實驗室環境智能化監控的各項工作。根據所完成工作的功能不同，可以分為信息采集模塊和自動控制模塊。采集模塊主要是采集各傳感器，門磁開關，聲控開關的狀態。自動控制模塊主要是執行短信息發過來的指令，通過繼電器，電機等實現門窗控制和電器控制。

（二）系統功能。本文探討的實驗室環境監控主要是實驗室電子設施的智能化，包括門窗控制、遠程電器控制、遠程監控、安防報警等。

二、系統硬件設計

（一）主控模塊的設計。主控模塊選用了STC89C52單片機作為主控模塊，因為STC89C52與AT89C51完全兼容，可在線編程。具有8K的ROM和512B的RAM，而且有1K的EEPROM，基本上可以滿足一個中型監控系統的開發要求。而且STC89C52已集成有看門狗，這樣可以省下外部硬件看門狗部分，所以選擇AT89C52作為主控芯片。

在本系統中，主控模塊用了兩片STC89C51芯片，一片專門用來TC35通信，處理短信息，儲存用自定義的字符；另一片用來和從單片機通信，并處理紅外線接收和發送，儲存用戶需要的紅外線代碼串，從而實現手機發短信控制帶紅外線遙控的電器，這樣功能更強大，編程更簡單。由于采用集散式控制，因此需要兩個串口，一個用來和TC35通信，一個用來和從單片機通信。

（二）主控模塊與各子功能模塊的連接

基于實驗室的特殊功結構，為方便布線，本系統采用總線形式和星型形式相結合。即主單片機和從單片機這間的關系是總線結構，而從單片機和功能模塊之間是星型結構。如圖2所示。

圖2 系統通信結構圖

功能模塊的實現都轉化為開關量了，這樣可以直接連接到P0、P1、P2口，完成信息采集和電器控制。

（三）GSM通信模塊的設計。采用TC35進行數據通信電路設計，用于實現與單片機通信、短消息收發、軟件流控制等功能。由于單片機用5V供電，而TC35用的是4.2V供電，需要對兩者的電平進行處理。由TC35串聯1K的阻R7再傳輸到STC89C52，R7起保護作用，而由STC89C52到TC35則需串一2K左右的電阻，再加一3V的穩壓二極管即可。電路如圖3所示。

圖3 數據通信電路設計

（四）防盜部分。該項模塊分多種采集方式，大門磁開關，車門門磁開關，熱紅外線人體感應等。門磁開關選用常開干簧管，關著門時閉合。這樣既可以檢測門窗關好，又可以設防。該模塊的核心是BISS0001芯片。在防盜狀態下，當門發生位移時，就把信息轉化為開關量發送給單片機，從而短信告知手機，同時打通機主手機以提示，接著啟動警笛，達到防盜目的。

（五）傳感器信號采集。實驗室環境監控需要監控實驗室環境的狀態，因此實驗室環境控制器需要連接溫感、煙感及煤氣泄漏等傳感器，采集相關的信息，遇到險情時能夠及時通知用戶或管理中心。這些傳感器的信號一般用于報警功能，只有開關兩種狀態，因此將這一類的信號稱為開關量信號。傳感器的信號采集電路如圖4所示，圖中3V穩壓管與電阻起到保護作用，外部突變電壓過大時，可以起到穩壓的作用，防止燒壞主控制器，電容起到抗干擾作用。

圖4 信號的采集電路

（六）電器控制。一般實驗室電器分為帶紅外線遙控的和普通電器，帶紅外線遙控的電器可通過紅外線遙控來控制，工作原理：遙控器由中央控制器STC89C52、程序及數據存儲器、紅外發射和接收電路、信號調理電路等組成，遙控器具有學習狀態和控制狀態。原理圖如圖5所示。

圖5 紅外線遙控接收

（七）門窗控制。本文設計一個窗戶控制模塊，室內可以手動控制，人在室外也可以通過發送短信息遠程遙控窗戶或門的開關，下雨時可以自動關窗。通過單片機采集窗的狀態，再控制電機使其開關，這個系統包括雨水傳感器、電機控制電路、按鈕、接近干簧管開關和串行通信電路等幾個部分。該系統通過單片機串口與主控模塊進行數據傳輸。

綜上，本文設計了一個基于GSM短信息實驗室智能化遙控系統，進行了總體方案設計和探討了該系統的整體構架以及功能要求，對所需元器件進行選擇，以單片機為核心處理器件，對GSM短信息主控模塊電路以及各功能模塊電路進行設計，以PC機為試驗平臺，進行了短信息接收與發送的模擬試驗調試，同時也對各部分電路功能進行了調試，并分析和解決了試驗中遇到的所有問題，證實了該系統是具有可行性的，具有較強的使用價值，很好地適應了未來實驗室環境監控發展的智能化和網絡化的必然趨勢。

【參考文獻】

[1]徐軍.GSM系統中短信息業務的技術特點[J].山東通信技術，2000（2）

[2]楊士元.智能家庭技術在中國的發展[J].電子產品世界，2003（2）

[3]何華斌.遠程遙測遙控中SMS的應用[J].閩江學院學報，2004（2）

【作者簡介】吳建軍（1966- ），男，柳州鐵道職業技術學院鐵道通信信號專業帶頭人，講師/實驗師，研究方向：電子技術、計算機應用、鐵道通信信號技術。

（責編 何田田）