【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 各功能模塊進(jìn)行相 關(guān)操作。 功能模塊： 功能模塊用以實(shí)現(xiàn)智能化家居產(chǎn)品的各種功能。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，功能模塊分為數(shù)據(jù)采集模塊和自動(dòng)控模塊。 通信模塊： 通信模塊的功能是實(shí)現(xiàn)主控模塊和手機(jī)的通信。即完成對(duì)家居的遠(yuǎn)程控制。手機(jī)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將 SMS 發(fā)送給通信模塊，通信模塊將接收到的信息傳送給主控模塊，進(jìn)而控制各功能模塊，實(shí)現(xiàn)家居的遠(yuǎn)程控制。并可將主控模塊從各功能模塊得到的信息傳遞給手機(jī)。 智能家居 系統(tǒng) 的優(yōu)點(diǎn) 智能家居是現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)與嵌入式技術(shù)的結(jié)合，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在家居生活的集中反應(yīng)，具有許多傳統(tǒng)家居所無(wú)法 匹敵的優(yōu)點(diǎn)： 節(jié)約能源：各種電器本身都是能源消耗裝置，傳統(tǒng)的家用電器都是機(jī)械式開(kāi)常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) GSM 智能家居控制系統(tǒng) 5 關(guān)，即只要電源開(kāi)關(guān)接通就開(kāi)始消耗能源，直到電源斷開(kāi)為止，而不區(qū)分電器是否處于有效工作狀態(tài)。在智能家居系統(tǒng)，家用電器的丌關(guān)實(shí)現(xiàn)智能化，自動(dòng)化控制，由系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體情況決定是否將電器電源接通，從而避免了家電處于無(wú)效工作狀態(tài)，節(jié)約能耗，有效的降低日常開(kāi)支。 遠(yuǎn)程控制：智能家居系統(tǒng)提供了對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，即使在您外出或工作時(shí)，亦可通過(guò)移動(dòng)電話來(lái)方便的控制家中所有電器。安全高效：傳統(tǒng)家居安全防范產(chǎn)品只能對(duì)諸如盜竊等外來(lái)的不安全 因素進(jìn)行防范，智能家居系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能不僅能有效的監(jiān)控到外來(lái)非法入侵，更能很好的對(duì)家庭空間的每個(gè)角落進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，從而預(yù)防火災(zāi)等的發(fā)生。大大提高家居生活的安全系數(shù)。 節(jié)省時(shí)間：較之傳統(tǒng)家居，智能家居可以為人們帶來(lái)更為愜意，輕松的生活。在工作節(jié)奏越來(lái)越快的今天，家居智能化可以為人們減少繁瑣家務(wù)、提高效率．節(jié)約時(shí)間，讓人們有更多的時(shí)間去休息、鍛煉身體或進(jìn)行其它娛樂(lè)活動(dòng)，使人們的生活質(zhì)量大大提高。 常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) GSM 智能家居控制系統(tǒng) 6 二、 GSM 智能家居 系統(tǒng) 系統(tǒng) 控制簡(jiǎn)介 實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)給 系統(tǒng)發(fā)送短信，在 GSM 模塊中插入一張普通的手機(jī)卡，連接電路并上電，再用另一部手機(jī)發(fā)送短信指令，單片機(jī)模塊和 GSM 模塊接受短信，單片機(jī)通過(guò)控制繼電器來(lái)控制 220V家用電器進(jìn)行工作。 其結(jié)構(gòu)圖如 下圖 所 示： 圖 控制 示意 圖 系統(tǒng) 模塊組成及聯(lián)系 GSM 智能家居系統(tǒng)是涉及嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、智能控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，對(duì)用戶(hù)提供全方位的多功能服務(wù)，同時(shí)對(duì)住房室內(nèi)情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)管理。智能家居系統(tǒng)由 GSM 模塊、單片機(jī)控制模塊、外圍控制系統(tǒng)組成。其中 常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) GSM 智能家居控制系統(tǒng) 7 圖 結(jié)構(gòu)圖 GSM 模塊和單片機(jī)控制模塊與用戶(hù)的手機(jī)進(jìn)行通信。其結(jié)構(gòu)圖如上圖所示 GSM 模塊與單片機(jī)的硬件接口技術(shù)方面 目前市場(chǎng)上流行的大部分 GSM 模塊幾乎都具有數(shù)據(jù)引出口，并基本上都支持與 GSM 短信息相關(guān)的 AT 控制指令 (GSMSMSAT 指令 )， GSM 模塊通過(guò)數(shù)據(jù)口以串行方式接收指令并向外輸出數(shù)據(jù)。理論上講，在數(shù)據(jù)口中找出 RXD、TXD 和 GND 引腳與單片機(jī)的串口對(duì)應(yīng)連接即完成了硬件接口。 GSM 模塊數(shù)據(jù)線是專(zhuān)為連接 PC 機(jī) 9 針串口而設(shè)計(jì)的，信號(hào)電平為標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 電平，只要單片機(jī)的串口也轉(zhuǎn)換為 RS232 電平，就可方便連接。 9 針串口引腳定義是固定的，即 2 腳為 TXD(GSM 模塊發(fā)送 )， 3 腳為 RXD(GSM 模塊接收 )、 5 腳為GND。這樣，無(wú)論什么型號(hào)的 GSM 模塊與單片機(jī)的連接就成了固定連接，不需要知道 GSM 模塊數(shù)據(jù)口信號(hào)的具體定義，二者通過(guò)數(shù)據(jù)線的連接電路圖如下圖所示。 圖 鏈接示意圖 GSM 模塊的軟件接口及控制技術(shù) 在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，采用的是 GSM 通信模塊為 WAVECOM，該模塊 具備GSM 無(wú)線通信的全部功能 ， 并提供標(biāo)準(zhǔn)的 UART 串行接口 ， 支持 GSM 所家用電器 單片機(jī) 模塊 GSM 模塊 用戶(hù) 手機(jī) 常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) GSM 智能家居控制系統(tǒng) 8 定義的 AT 命令集的指令。 根據(jù) GSM 的定義 ， SMS 短信息的發(fā)送和接收模式共有三種： Block模式 、 基于 AT 命令的 Text 模式和基于 AT 命令的 PDU模式。 PDU 模式 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。根據(jù) GSM 的定義 ， 只要控制器通過(guò) UART 接口向 GSM 模塊下發(fā) AT 命令 ， 就可以直接讀取收到的 PDU模式的短信息： “ AT+CMGF=0” 設(shè)置為 PDU模式 “ AT+CMGR=1” 讀取接收的一條短信息 在 PDU模式下 ， GSM通信模塊的回答格式為： +CMGR: stat,lengthCRLFpdu 其中： stat 表示該條短信息的狀態(tài) ， 通常為 0（未讀過(guò) ， 新的短信息）或 1（已讀過(guò)） ； Length為十進(jìn)制數(shù) ， 表示 pdu數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減去短信息服務(wù)中心地址長(zhǎng)度 ， 單位為字節(jié) ； CRLF為回車(chē)換行 ； pdu為 PDU模式的數(shù)據(jù)包。 然后 ， 要分析 PDU數(shù)據(jù)包 ， 根據(jù) PDU 的數(shù)據(jù)格式將收到的中文信息和其它相關(guān)信息解析出來(lái)。 PDU 數(shù)據(jù)包格式 常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) GSM 智能家居控制系統(tǒng) 9 PDU數(shù)據(jù)包的格式 PDU數(shù)據(jù)包由兩部分構(gòu)成，短信息服務(wù)中心地址（ SMSC address）和 TPDU， PDU數(shù)據(jù)包的格式如上圖所示，其中一個(gè)數(shù)據(jù)單元為一個(gè)字節(jié)。 PDU 模式的純英文短信息解碼 PDU模式的純英文短信息編碼使用 GSM 字符集的 7 位編碼 ， 此時(shí) TPDCS的值為 00。如短信息內(nèi)容為英文字符 “Hi”， 首先將各個(gè)字符轉(zhuǎn)換為 7 位的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制 ASCII 碼 ， 然后要將后面字符的低位逐位調(diào)整到前面 ， 補(bǔ)齊前面的差別。例如： “H”的二進(jìn)制 ASCII 碼為 1001000，“ i” 二進(jìn)制 ASCII 碼為 1101001； 顯然H 的二進(jìn)制編碼不足八位 ， 那么就將后面字符 i 的最后一位補(bǔ)足到 H 的前面 ， 就成了 11001000（ C8） ， i 剩下六位 110100， 前面再補(bǔ)兩個(gè) 0， 變成 00110100（ 34） ，于是 “ Hi” 就變成了兩個(gè)八進(jìn)制數(shù) C834。由于 PDU模式的純英文短信息采用 7位編碼 ， 解碼不方便 ， 因此對(duì)于只需發(fā)送和接收純英文字符和數(shù)字符號(hào)的應(yīng)用 ，最好采用 Text 模式發(fā)送和接收短信息。 中文短信息的解碼 常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) GSM 智能家居控制系統(tǒng) 10 由于中文字的編碼是采用 2 個(gè)字節(jié)的編碼 ， 因此發(fā)送和接收中文或中英文混合的短信息只能采用 PDU 模式。但在 GSM 標(biāo)準(zhǔn)中 ， 中文編碼采用 UTF8 的編碼 ， 不是目前國(guó)內(nèi)常用的 GB2312 編碼 ， 故還需要進(jìn)行中文編碼的轉(zhuǎn)換 ， 才能與采用 GB2313 漢字庫(kù)相配合顯示漢字字型。 由于 UTF8 和 GB2312 編碼之間不存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系 ， 因此只能采用查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。下面給出一個(gè)由 UTF8 到 GB2312 編碼轉(zhuǎn)換的算法。 建立 UTF8 和 GB2312 兩個(gè)中文編碼表 ， 表中數(shù)據(jù)項(xiàng)為 2 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的十六 進(jìn)制的數(shù) ， 代表一個(gè)中文編碼。兩個(gè)表的長(zhǎng)度分別為 14 890 字節(jié)（ 27445）。UTF8 編碼表按數(shù)據(jù)項(xiàng)值從小到大排序 ， 而在 GB2312 編碼表中 ， 與 UTF8 相同位置處為相同漢字的 GB2312 碼字 ， 如 下圖 所示。 圖 UTF GB2312 編碼表結(jié)構(gòu) 軟件解碼過(guò)程為：每次從 PDU模式 SMS 數(shù)據(jù)包的 TPUD 中取出兩個(gè)字節(jié) ，采用二分法快速數(shù)據(jù)查找算法 ， 在 UTF8 編碼表中找到其所在位置 ， 然后在GB2312 表的相同位置處讀取相對(duì)應(yīng)的 GB2312 編碼。 二分法的最壞查找次數(shù)為 lg2(n+1)， UTF8 表的長(zhǎng)度 n為 7445， 固最壞查找次數(shù)為 13 次 ， 就是說(shuō)一個(gè)中文編碼由 UTF8 到 GB2312 的轉(zhuǎn)換最多經(jīng)過(guò) 13 次比較查找就可完成。 這比采用簡(jiǎn)單的順序查表要快的多 ， 大大減少了查表所花費(fèi)的時(shí)間 ， 非常適合在一般的嵌入式系統(tǒng)中使用。 TEXT 模式 Text 模式只支持傳送英文及數(shù)字信息，但它的編 碼要比 PDU模式簡(jiǎn)單很多，因此我們?cè)谖覀兊闹悄芸刂葡到y(tǒng)中采用了 Text 模式。 TEXT 模式在信息傳送時(shí)通過(guò)串口傳遞的是十六進(jìn)制 ASCII 碼。其 USART 通訊默認(rèn)使用 9600 比特率， 8常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) GSM 智能家居控制系統(tǒng) 11 位數(shù)據(jù)信息，無(wú)奇偶校驗(yàn)，有一位開(kāi)始位和一位結(jié)束位。 例如，我們要發(fā)送指令來(lái)讀取第一條短信，使用命令： AT+CMGR=1；我們只需要通過(guò)串口發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)碼： 0x41， 0x54， 0x2b， 0x43， 0x4d， 0x47， 0x52，0x3d， 0x31， 0x0d 即可。其中 0x41 是 A 對(duì)應(yīng)的 ASCII 碼， 0x54 是 T 對(duì)應(yīng)的ASCII 碼，以 此類(lèi)推，只要將相應(yīng)英文字母的 ASCII 碼以十六進(jìn)制的形式發(fā)送即可。 單片機(jī)控制系統(tǒng) 我們使用 的是 Atmel 公司 的 AVR 高速 8 位微控制器 ATmega16 。 ATmega16芯 片為 40 個(gè)引腳 ， 內(nèi)部集成了 1K 字節(jié)的 RAM、 512 字節(jié)的 EEPROM、 16K 字節(jié)的 Flash 以及 2 個(gè) UART 串行接口等。由于采用了高性能的 MCU， 省掉了大量的外圍器件 ， 如外擴(kuò) RAM、 ROM 存儲(chǔ)器等 ， 使硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化 ， 提高了系統(tǒng)的可靠性。 ATmega16 芯 片 的引腳圖如下： 圖 ATmega16 芯 片 的引腳 其 中的 PD0 即為 RXD 引腳（ RXD 是 USART 的數(shù)據(jù)接收引腳）， PD1 即為常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) GSM 智能家居控制系統(tǒng) 12 TXD 引腳（ TXD 是 USART 的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳），引腳 11 即為 GND 接地。 外圍控制系統(tǒng) 我們的外圍控制系統(tǒng)包括 D 型鎖存器 74LS17 220V繼電器、 220V電路輸入輸出接口系統(tǒng)。 繼電器的選擇及控制方案。 我們使用的是 12V驅(qū)動(dòng)的微型電磁繼電器，型號(hào)是 JQC3F， 12VDC， 10A，250VAC。 我們的電路圖如下 ： 圖 繼電器電路 其中我們使用的繼電器功率是 ，按 12V電壓供電 計(jì)算，額定電流是30mA， 8050 的放大倍數(shù)為 300 倍，故基極的輸入電流應(yīng)為 。 AVR 單片機(jī)IO 端口的輸出電壓為 5V，按 8050 的導(dǎo)通壓降為 計(jì)算，我們?cè)O(shè)定的基極電阻為 5K1。 由于 AVR 在上電時(shí) ， DDRx 和 PORTx 的值均初始化為 “ 0”， I/O 引腳呈高阻輸入方式 ， 因此電阻 R2 的作用是確保三極管的集電極電位在上電時(shí)為“ 0” 電平 ， 三極管截止 ， 保證了加熱電爐控制系統(tǒng)上電時(shí)不會(huì)誤動(dòng)作 。 常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) GSM 智能家居控制系統(tǒng) 13 三極管集電極的負(fù)載繼電器吸合線圈在三極管截止時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的反峰電壓 ， 在吸合線圈兩端并接一個(gè)二極管 D1， 其用途是釋 放反峰電壓 ， 保護(hù)三極管和 I/O 口不會(huì)被反峰電壓擊穿 ， 提高系統(tǒng)的可靠性 。 繼電器用法和引腳連接使用如下圖 圖 繼電器用法 D 型鎖存器 74LS174. 之所以在 I/O引腳和上圖的 COM1口之間連接一個(gè) 74LS174D型鎖存器是為了防止單片機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中意外 RESET 時(shí)引發(fā)不必要的動(dòng)作電位。 74LS174 的真值表圖如下： 圖 74LS174 的真值表圖 很顯然，只有當(dāng) clock引腳在上升沿時(shí)才會(huì)將 D 引腳上的信號(hào)打入，從而有效的保證了繼電器不被其他干擾和意外信號(hào)所干擾 ，保證了 22