基于GSM的智能家居控制系統的設計與實現

孫洪琛 邢憶魯

摘 要：智能家居控制系統以家居電器及家電設備為主要控制對象，利用了自動控制技術、電子通信技術將家庭日常生活相關的設施進行高效集成，從而構建更高效家庭住宅設施與家庭日常事務的控制管理系統。本系統在正常工作時，用戶通過手機發送指令，指令被GSM模塊接受并將指令傳送給單片機，單片機處理信號發出控制指令通過繼電器等控制電路的通斷、電動機的正轉反轉等達到控制家用電器設備的效果。在結構上采用GSM模塊進行短信收發，以STC89C52RC單片機系統為控制核心來進行信息的反饋和遠程控制，從而實現遠程報警、遠程控制等功能。

關鍵詞：GSM模塊；單片機；控制電路

1.引言

目前國內外各種類型的智能家居產品越來越多，但其中大部分是基于電話網的安防控制系統，并且只是應用于高檔住宅。一般的普通民眾都無法接受其高昂的價格。并且目前國內固定電話的用戶正在急劇減少，手機用戶的數量在飛速增長。所以一種價格低廉且功能齊全的基于GSM模塊的的家居智能控制系統就將應運而生。系統主要由以下幾部分組成：智能照明控制系統，智能電器控制系統，智能遮陽控制系統，節能控制管理系統，智能家居軟件，智能家居布線系統，智能家居網絡系統等部分。

2.系統總體設計

2.1系統體系架構

系統的總體結構框圖如圖3.1所示。當用戶家里發生火災，門窗有變動，溫度低于或高于預設溫度時，相應的傳感器發出信號，此時數據采集模塊將傳感器發出的信號轉換成數字量，并送給單片機控制系統進行計算和分析后，通過RS232串口將數據傳送給GSM模塊將家里即時信息發送到用戶手機上。同時單片機控制系統將控制啟動相應的執行機構，如打開啟動報警器等。當GSM模塊接受到用戶短信指令后，將其轉換成數字量，通過串口送給單片機系統分析指令，然后開啟相應的家電設備，實現遠程控制功能。

2.2系統各單元具體設計方案

2.21控制系統單元硬件設計方案

控制系統單元主要由STC89C52RC芯片及其復位和電源電路組成。8位STC89C52RC單片機是STC公式開發的一款增強型的51單片機芯片。具有運行穩定，功耗低，存儲空間大等特點。用戶應用程序空間為8KB。具有3個16位定時/計數器。片上集成512字節RAM，具有ISP/IAP功能，無需專用編程，可直接通過串口下載用戶程序，數秒即可完成。節約購買專用編程器的資金。最主要的是該芯片與51芯片兼容，這就給使用者帶來極大的便利。

2.22傳感器單元硬件設計方案

本系統傳感器單元包括紅外傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器和A/D轉換模塊。

（1）紅外傳感器采用主動紅外探測器。主動紅外探測器由紅外發射機，紅外接收機和報警控制器組成。紅外發送端和接收端之間有一道紅外光束，當人體穿越此光束時，必將部分或全部遮擋紅外光束，接收端輸出電信號的強度會發生變化從而啟動報警控制器發出報警信號，同時發報警短信信息給用戶。

（2）溫度傳感器采用DS18B20，它是一種可編程溫度傳感器，內置E2PROM，有限溫報警功能，最高分辨率12位，檢測溫度為-55—+125℃，在-10——+85℃時精度為±0.5℃。其外觀圖3.2所示。1號引腳接地，2號為數據輸入/輸出引腳，3號引腳當工作在寄生電源時，改為接地。由于DS18B20可由數據線本身提供電源，因此與單片機連接需要一根數據線和一根地址線。

（3）煙霧傳感器采用MQ-2，它是一種電阻控制型的氣敏器件，其阻值隨被測氣體的濃度（成分）而變化。氣敏器件又是一種“氣—電”傳感器件，它將被測氣體的濃度（成分）信號轉換成相應的電信號。響應時間≦5s，恢復時間≦30s。能夠探測的液化氣濃度范圍為300ppm-5000ppm。可滿足系統設計的需求。

（4）A/D轉換模塊，主要采用ADC0809芯片，其作用主要是將各傳感器所接收數據轉變為數字量傳送給STC89C52RC單片機。0809有8路的模擬輸入端口，22腳是地址鎖存控制，輸入電平為高時，鎖存地址信號。地址線（23-25腳）能決定將哪路的模擬輸入進行A/D轉換，6腳為A/D轉換的啟動控制，當輸入電平由低到高再由高到低后，開始進行A/D轉換。7腳為A/D轉換結束標志，當A/D轉換結束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉換數據輸出允許控制，當OE腳為高電平時，A/D轉換數據從端口輸出。

2.23GSM模塊方案

本系統設計使用的GSM模塊是Siemens公司的TC35I。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數據提供可靠、快速、安全的傳輸，方便用戶的應用開發與設計，TC35I的組成如圖2.3所示。

TC35I模塊主要由GSM射頻模塊、GSM基帶處理器、閃存、供電模塊、天線接口、ZIF連接器6部分組成。基帶處理器作為TC35I的核心，主要處理GSM終端的數據，并涵蓋了蜂窩射頻設備的所有的模擬和數字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持HR、FR和EFR語音信道編碼。

2.24 電源模塊方案

本系統采用UPS進行供電，以保證在掉電情況下防盜報警功能依然能正常運行。不間斷電源（UPS）是當交流輸入電源（俗稱市電）發生異常或斷電時，還能繼續向負載供電，并能保證供電質量，是負載供電不受影響的裝置。其基本結構原理圖如圖2.4所示。

圖3.4 UPS基本結構框圖

3.系統硬件與軟件的設計

3.1硬件電路設計

本系統的硬件電路主要包括GSM模塊與STC89C52RC芯片的連接電路和執行機構電路。

3.11 GSM與單片機硬件連接

如圖4.1所示，單片機與GSM模塊的硬件連接TC35I的數據接口采用串行異步收發，數據接口配置為8位數據位、16位停止位、無校驗位，可以在300-115×103bps的波特率下運行。由于數據通信電路中TC35I數據接口工作在CMOS電平，而STC89C52RC芯片工作在TTL點電平，所以在STC89C52RC芯片和TC35I之間加入TI公式的電平轉換芯片MAX232。實現串口通訊的功能。

3.12執行機構電路

如圖3.2所示，本系統共有八路通過繼電器通斷實現對電器控制的執行機構電路。單片機管腳通過10K限流電阻與三極管基極相連，當相應的管腳呈高電平時，相對應的三極管導通，信號繼電器線圈也就會通電吸合，從而實現家用電器的開關。當單片機管腳輸出為低電平時，三極管失去導通電壓關斷，因為繼電器線圈并聯了一個續流二極管，所以此時繼電器線圈產生的巨大的感應電流會通過續流二極管與線圈形成通路，最后電能全部在線圈上消耗，從而感應電流不會沖向三極管，因此可以保證電路的穩定性和可靠性。

3.2系統軟件設計

3.21系統流程

本系統的軟件部分由C語言編寫，C語言有較好的移植性和可閱讀行。首先對系統進行初始化，初始化包括串行通訊口的初始化，TC35I的初始化以及中斷初始化。然后單片機對是否接受到短信指令和與傳感器連接的I/O進行循環檢測。當GSM接收到短信指令時，通過單片機的分析計算啟動相應的電器，同時給用戶發送操作成功的短消息，然后繼續對傳感器進行檢測，如果傳感器沒有信號，則又返回繼續對GSM是否接收到短信指令進行檢測，就這樣循環檢測。當家里溫度過高或發生險情時，軟件調用中斷服務程序，對三個傳感器分別進行判斷，然后進行相應的處理并完成對報警信息的發送。

3.22 AT指令

AT指令是以AT作首，字符結束的字符串。不論每個指令能不能成功執行，都必須有相應返回。均采用AT 指令對TC35I進行操作，它包含GSM短信及語音控制。指令的格式“AT+XXXX”，依據AT指令的GSM07.05標準，發送與接收中文或中/英文混合的短信息要用PDU 模式，Text模式只支持傳遞數字及英文信息。本系統要求應用Text模式。系統所使用的基本命令為：

（1）短消息的發送格式（0-PDU，1-文本）設置AT+CMGF=1；

（2）短消息（短消息內容為“OK”）AT+CMGS="15173236799"（用戶電話）>OK^z（^z 表示OK+z）發送；

（3）設置本地的中心號碼"AT+CSCA=+8613800732500（湘潭）"；

（4）短信息內容讀取AT+CMGR=1；

（5）查詢GSM網絡狀態“AT+CREG？”；

（6）短消息刪除以防止溢出AT+CMGD=1；

4.總結

本文設計的智能家居系統是基于GSM網絡通信技術，以單片機為控制核心，并輔以各種傳感器以實現對家居遠程控制以及智能化安全防范與監控。能夠有效的保障人民生命財產安全，并給人們提供更加便捷，安全，時尚，先進的家居生活。