基于GSM的智能家居系统设计与实现

时间：2011-10-25

　　摘要：介绍了一种基于GSM 网络的智能家居控制系统的工作原理及主要功能。采用STC 单片机为系统控制，对家庭中可能出现的意外情况用各种传感器进行采集，利用GSM 模块的短信收发功能，实现远程安防及家电控制。实践证明本系统性能可靠，成本低，可广泛应用于现代住宅中。

　　0 引言

　　随着经济的快速增长，快节奏的生活状态使得人们越来越注重生活的质量和品位。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当今世界的一个热点问题。目前，国内外各种类型的智能家居产品越来越多，其中大部分是基于电话网的安防控制系统。但在我国，家庭电话用户正逐步减少，且电话线路易被破坏，故此类产品有一定局限性。随着电信GSM 网络覆盖范围的广阔化、无缝化，以及手机的日益普及为基于GSM 网络的智能家居系统提供了巨大的应用空间。

　　本文所介绍的基于GSM 网络的智能家居系统采用GSM 模块进行短信息收发，以单片机为控制，进行信息反馈和远程控制，实现了远程报警、远程遥控等功能。

　　1 系统工作原理及主要功能

　　1.1 系统工作原理

　　图1 为智能家居系统的工作原理图。系统在正常工作时处于低功耗监控状态，一旦发生警情，即各类传感器检测到异常信号（如盗窃、火警、煤气等）时，单片机通过从不同引脚接收到的信号同预先存储在ROM 中的信息进行对比，判断出异常情况的类型，然后将报警信号由串口传送给GSM 模块，将报警短信发送给用户。几秒钟后，用户的手机上就可以接收到报警短信，提醒用户采取措施。另外用户可通过发送短信，由GSM 模块接收，经单片机解码后，驱动系统中的电器控制电路去控制相应的家电，从而实现远程控制电器工作的目的。

图1 系统设计原理图

　　系统的主要功能：

　　（1）自动报警功能：当用户住宅出现异常情况时，系统会自动发送报警短信给预先设定手机号码的用户，直至用户回复为止。

　　（2）家电控制功能：接收用户发送来的控制命令，实现短信的译码功能，并由单片机根据相应的译码来实现不同家电工作及停止功能。

　　此外，系统提供备用充电电池，在断电时可继续工作，可以防止部分不法分子利用断电进行盗窃，克服了停电时不能报警等缺点。

　　2 主要功能模块

　　2.1 单片机控制模块

　　系统的控制器选用STC89C54RD+单片机。8位STC89C54RD+单片机是STC 公司生产的一款增强型51 单片机，具有低功耗、存储容量大、运行稳定、价格便宜等特点。其支持的时钟为80MHz.内部包括16 kB 的Flash 程序存储器ROM、1 kB 的数据存储器RAM,具有ISP 在线编程功能，大大减少了开发复杂度，同时可节省购买编程器的额外投入。STC89C54RD + 单片机的开发环境与51 单片机的开发环境兼容，这给熟悉51 单片机系统的开发者带来极大的方便。

　　2.2 GSM 模块

　　本系统设计使用的GSM 模块是Siemens 公司的TC35I.TC35I 是Siemens 公司推出的新一代无线通讯模块，可以快速安全地实现数据、语音的传输、短信息服务（SMS）和传真等功能，可以工作在GSM 900 kHz 和1 800 kHz 两个频段，RS232 数据口符合ETSI 标准GSM0707 和GSM0705 .通过独特的40 引脚的ZIF 连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输；通过ZIF连接器及50 Ω 天线连接器，可分别连接SIM 卡支架和天线。该模块向用户提供标准的AT 命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。TC35I模块主要由GSM 基带处理器、GSM 射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF 连接器、天线接口六个部分组成。TC35I 构成框图如图2 所示。

图2 TC35I 构成框图

　　2.3 传感器模块

　　本系统传感器模块由一组功能不同的传感器构成，用于各种异常情况监测。

　　防盗窃使用红外线反射型传感器，将红外线反射型传感器安装在通道的位置或门窗的两侧，当有人进入时红外线反射型传感器就会检测出来，检测信号通过转换电路转换成低电平，然后送去给单片机，单片机对应引脚检测到送来低电平后就会启动防盗报警系统工作。

　　防火使用离子式烟雾传感（SS-668），通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范。烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，当一定量烟雾进入烟雾传感器的反应腔，引起电路电平变化。离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，为火灾预防和早期发现提供帮助。

　　燃气传感器使用金属氧化物半导体传感器（或称MOS）。MOS 也可以用来检测毒性水平。它由一个金属氧化物半导体的传感器件（如氧化物SnO2）构成。在新鲜空气条件下，它的电导较小，而一旦接触还原性气体或者易燃易爆气体，电导会增加，引发检测电路电平跳变从而启动报警系统工作。

　　3 硬件接口电路设计

　　本系统硬件接口电路主要由单片机与GSM 模块的接口电路和系统安防电路及控制电路构成。

　　3.1 单片机与GSM 模块的硬件连接

　　单片机与TC35I 的连接图如图3 所示，TC35I的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-TRS-232 接口电路标准，工作在CMOS 电平（2.65 V）。数据接口配置为8 位数据位、1 位停止位、无校验位，可以在300-115×103 bps 的波特率下运行。由于数据通信电路中TC35I 数据接口工作在CMOS电平，而STC 单片机工作在TTL 电平，工作电压范围一般比TC35I 宽，故应在单片机和TC35I 之间加电平转换电路。本设计使用TI 公司的MAX232芯片为，实现电平转换及串口通信功能。

图3 单片机与TC35I 的连接图

　　3.2 系统安防、控制电路

　　系统安防控制电路图如图4, 通过在J1 处连接各种传感器，利用光电耦合器将传感器采集到的信号隔离，可将输入、输出通道与单片机切断电路的联系，有效地防止干扰的侵入。单片机通过从不同引脚接收到的不同传感器信号同预先存储在ROM 中的信息对警报异常情况的类型进行判断，然后将相应类型的报警信号由串口传送给GSM模块，将报警短信发送给用户。

图4 系统安防控制电路图

　　系统的控制电路是通过单片机由弱电控制继电器的开、关，从而实现控制强电的接通/断开，J5、J6、J7 处可接不同的电器。控制系统可以根据GSM模块收到的不同短信息控制命令，由单片机做相应的译码，然后再由单片机控制不同家电工作或停止运行。

　　4 系统软件设计

　　4.1 AT 模式选择及AT 指令

　　对TC35I 的操作均采用AT 指令，它包含了GSM 语音和短信息的控制。根据AT 指令的GSM07.05 标准，发送和接收中文或中/英文混合的短信息必须采用PDU 模式，Text 模式只支持传送英文及数字信息。PDU 模式的编解码过程复杂，本系统使用Text 模式就可以满足系统功能需求，故选择Text 模式作为系统的通讯模式。

　　模块的通讯全部采用AT+XXXX 完成。发送短消息的基本命令如下：

　　（1）设置短消息发送格式（0-PDU,1-文本）

　　AT+CMGF=1;

　　（2）发送短消息（短消息内容为"test"）

　　AT+CMGS="13753485896"（目的地址）

　　>test^z（^z 表示ctrl+z）；

　　（3）列出所有的短消息AT+CMGL= "ALL";

　　4）读取短信息内容（Once more），假设INDEX= 6,

　　AT+CMGR=6.

　　4.2 系统软件的设计

　　系统的软件设计采用C 语言编写，系统安防主程序及中断程序流程图如图5 所示。系统首先对单片机的串口、中断和TC35I 短信模块初始化，STC 单片机不断对传感器接口电路的I/O 口循环进行检测，当检测到有传感器的开关量变化时，则说明报警信息产生，开中断进入中断处理子程序。

图5 安防主程序及中断处理程序流程图