摘要：介紹了一種基于GSM 網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)的工作原理及主要功能。采用STC 單片機(jī)為系統(tǒng)控制，對家庭中可能出現(xiàn)的意外情況用各種傳感器進(jìn)行采集，利用GSM 模塊的短信收發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程安防及家電控制。實(shí)踐證明本系統(tǒng)性能可靠，成本低，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代住宅中。

　　0 引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長， 快節(jié)奏的生活狀態(tài)使得人們越來越注重生活的質(zhì)量和品位。如何建立一個(gè)高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)已成為當(dāng)今世界的一個(gè)熱點(diǎn)問題。目前，國內(nèi)外各種類型的智能家居產(chǎn)品越來越多， 其中大部分是基于電話網(wǎng)的安防控制系統(tǒng)。但在我國，家庭電話用戶正逐步減少，且電話線路易被破壞，故此類產(chǎn)品有一定局限性。隨著電信GSM 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的廣闊化、無縫化，以及手機(jī)的日益普及為基于GSM 網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)提供了巨大的應(yīng)用空間。

　　本文所介紹的基于GSM 網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)采用GSM 模塊進(jìn)行短信息收發(fā)，以單片機(jī)為控制，進(jìn)行信息反饋和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程報(bào)警、遠(yuǎn)程遙控等功能。

　　圖1 為智能家居系統(tǒng)的工作原理圖。系統(tǒng)在正常工作時(shí)處于低功耗監(jiān)控狀態(tài)，一旦發(fā)生警情，即各類傳感器檢測到異常信號（如盜竊、火警、煤氣等）時(shí)，單片機(jī)通過從不同引腳接收到的信號同預(yù)先存儲(chǔ)在ROM 中的信息進(jìn)行對比，判斷出異常情況的類型，然后將報(bào)警信號由串口傳送給GSM 模塊，將報(bào)警短信發(fā)送給用戶。幾秒鐘后，用戶的手機(jī)上就可以接收到報(bào)警短信， 提醒用戶采取措施。另外用戶可通過發(fā)送短信，由GSM 模塊接收，經(jīng)單片機(jī)解碼后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電器控制電路去控制相應(yīng)的家電， 從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電器工作的目的。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

　　系統(tǒng)的主要功能：

　?。?）自動(dòng)報(bào)警功能：當(dāng)用戶住宅出現(xiàn)異常情況時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信給預(yù)先設(shè)定手機(jī)號碼的用戶，直至用戶回復(fù)為止。

　　（2）家電控制功能：接收用戶發(fā)送來的控制命令，實(shí)現(xiàn)短信的譯碼功能，并由單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)的譯碼來實(shí)現(xiàn)不同家電工作及停止功能。

　　此外，系統(tǒng)提供備用充電電池，在斷電時(shí)可繼續(xù)工作， 可以防止部分不法分子利用斷電進(jìn)行盜竊，克服了停電時(shí)不能報(bào)警等缺點(diǎn)。

　　2 主要功能模塊

　　2.1 單片機(jī)控制模塊

　　系統(tǒng)的控制器選用STC89C54RD+單片機(jī)。8位STC89C54RD+單片機(jī)是STC 公司生產(chǎn)的一款增強(qiáng)型51 單片機(jī)，具有低功耗、存儲(chǔ)容量大、運(yùn)行穩(wěn)定、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。其支持的時(shí)鐘為80MHz.內(nèi)部包括16 kB 的Flash 程序存儲(chǔ)器ROM、1 kB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM,具有ISP 在線編程功能，大大減少了開發(fā)復(fù)雜度，同時(shí)可節(jié)省購買編程器的額外投入。STC89C54RD + 單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境與51 單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境兼容， 這給熟悉51 單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)者帶來極大的方便。

　　2.2 GSM 模塊

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的GSM 模塊是Siemens 公司的TC35I.TC35I 是Siemens 公司推出的新一代無線通訊模塊，可以快速安全地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音的傳輸、短信息服務(wù)（SMS） 和傳真等功能，可以工作在GSM 900 kHz 和1 800 kHz 兩個(gè)頻段，RS232 數(shù)據(jù)口符合ETSI 標(biāo)準(zhǔn)GSM0707 和GSM0705 .通過獨(dú)特的40 引腳的ZIF 連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸；通過ZIF連接器及50 Ω 天線連接器，可分別連接SIM 卡支架和天線。該模塊向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計(jì)。TC35I模塊主要由GSM 基帶處理器、GSM 射頻模塊、供電模塊（ASIC）、閃存、ZIF 連接器、天線接口六個(gè)部分組成。TC35I 構(gòu)成框圖如圖2 所示。

圖2 TC35I 構(gòu)成框圖

　　2.3 傳感器模塊

　　本系統(tǒng)傳感器模塊由一組功能不同的傳感器構(gòu)成，用于各種異常情況監(jiān)測。

　　防盜竊使用紅外線反射型傳感器， 將紅外線反射型傳感器安裝在通道的位置或門窗的兩側(cè)，當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)紅外線反射型傳感器就會(huì)檢測出來，檢測信號通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成低電平，然后送去給單片機(jī)， 單片機(jī)對應(yīng)引腳檢測到送來低電平后就會(huì)啟動(dòng)防盜報(bào)警系統(tǒng)工作。

　　防火使用離子式煙霧傳感（SS-668），通過監(jiān)測煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范。煙霧報(bào)警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感， 當(dāng)一定量煙霧進(jìn)入煙霧傳感器的反應(yīng)腔，引起電路電平變化。離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，為火災(zāi)預(yù)防和早期發(fā)現(xiàn)提供幫助。

　　燃?xì)鈧鞲衅魇褂媒饘傺趸锇雽?dǎo)體傳感器（或稱MOS）。MOS 也可以用來檢測毒性水平。它由一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體的傳感器件（如氧化物SnO2）構(gòu)成。在新鮮空氣條件下，它的電導(dǎo)較小，而一旦接觸還原性氣體或者易燃易爆氣體， 電導(dǎo)會(huì)增加，引發(fā)檢測電路電平跳變從而啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作。

　　3 硬件接口電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件接口電路主要由單片機(jī)與GSM 模塊的接口電路和系統(tǒng)安防電路及控制電路構(gòu)成。

　　3.1 單片機(jī)與GSM 模塊的硬件連接

　　單片機(jī)與TC35I 的連接圖如圖3 所示，TC35I的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)， 符合ITU-TRS-232 接口電路標(biāo)準(zhǔn)，工作在CMOS 電平（2.65 V）。數(shù)據(jù)接口配置為8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無校驗(yàn)位，可以在300-115×103 bps 的波特率下運(yùn)行。由于數(shù)據(jù)通信電路中TC35I 數(shù)據(jù)接口工作在CMOS電平，而STC 單片機(jī)工作在TTL 電平，工作電壓范圍一般比TC35I 寬， 故應(yīng)在單片機(jī)和TC35I 之間加電平轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計(jì)使用TI 公司的MAX232芯片為，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能。

圖3 單片機(jī)與TC35I 的連接圖

　　3.2 系統(tǒng)安防、控制電路

　　系統(tǒng)安防控制電路圖如圖4, 通過在J1 處連接各種傳感器， 利用光電耦合器將傳感器采集到的信號隔離，可將輸入、輸出通道與單片機(jī)切斷電路的聯(lián)系，有效地防止干擾的侵入。單片機(jī)通過從不同引腳接收到的不同傳感器信號同預(yù)先存儲(chǔ)在ROM 中的信息對警報(bào)異常情況的類型進(jìn)行判斷，然后將相應(yīng)類型的報(bào)警信號由串口傳送給GSM模塊，將報(bào)警短信發(fā)送給用戶。

圖4 系統(tǒng)安防控制電路圖

　　系統(tǒng)的控制電路是通過單片機(jī)由弱電控制繼電器的開、關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)控制強(qiáng)電的接通/斷開，J5、J6、J7 處可接不同的電器。控制系統(tǒng)可以根據(jù)GSM模塊收到的不同短信息控制命令， 由單片機(jī)做相應(yīng)的譯碼， 然后再由單片機(jī)控制不同家電工作或停止運(yùn)行。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 AT 模式選擇及AT 指令

　　對TC35I 的操作均采用AT 指令， 它包含了GSM 語音和短信息的控制。根據(jù)AT 指令的GSM07.05 標(biāo)準(zhǔn)，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，Text 模式只支持傳送英文及數(shù)字信息。PDU 模式的編解碼過程復(fù)雜，本系統(tǒng)使用Text 模式就可以滿足系統(tǒng)功能需求，故選擇Text 模式作為系統(tǒng)的通訊模式。

　　模塊的通訊全部采用AT+XXXX 完成。發(fā)送短消息的基本命令如下：

　　（1）設(shè)置短消息發(fā)送格式（0-PDU,1-文本）

　　AT+CMGF=1;

　?。?）發(fā)送短消息（短消息內(nèi)容為"test"）

　　AT+CMGS="13753485896"（目的地址）

　　>test^z（^z 表示ctrl+z）；

　?。?）列出所有的短消息AT+CMGL= "ALL";

　　4）讀取短信息內(nèi)容（Once more），假設(shè)INDEX= 6,

　　AT+CMGR=6.

　　4.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C 語言編寫， 系統(tǒng)安防主程序及中斷程序流程圖如圖5 所示。系統(tǒng)首先對單片機(jī)的串口、中斷和TC35I 短信模塊初始化，STC 單片機(jī)不斷對傳感器接口電路的I/O 口循環(huán)進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到有傳感器的開關(guān)量變化時(shí)，則說明報(bào)警信息產(chǎn)生，開中斷進(jìn)入中斷處理子程序。

圖5 安防主程序及中斷處理程序流程圖

　　中斷處理子程序完成對相應(yīng)防盜、防火、防煤氣泄漏等事件的短信息發(fā)送。利用STC 單片機(jī)通過UART 串口向GSM 模塊發(fā)送一系列AT 指令，就能實(shí)現(xiàn)基于GSM 的短信息的收發(fā)、查尋和管理。

　　5 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)方案借助于GSM 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和單片機(jī)的控制功能， 實(shí)現(xiàn)了安防監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。

　　GSM 模塊與控制電路集成在同一線路板上， 這樣既節(jié)約了成本， 又提高了整個(gè)系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性，不僅可用于居民住宅，還可以用于倉庫、廠房與花卉大棚等地方的安防監(jiān)控與電路遠(yuǎn)程控制等，并具有實(shí)現(xiàn)簡單、成本低、適用范圍廣、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1]. STC  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/STC+_2043151.html.
[2]. ROM  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ROM+_1188413.html.
[3]. STC89C54RD+ datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/STC89C54RD%2b_1132297.html.
[4]. RS232  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/RS232+_585128.html.
[5]. TTL  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TTL+_1174409.html.
[6]. MAX232 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX232_1074207.html.