智能家居系统 论文

天津工业大学毕业设计（论文）基于GSM网络智能家居系统设计姓 名： 谢振峰 院(系)别： 电子与信息工程学院专 业： 通信工程 班 级： 通信082 指导教师： 王金海 2012年 6 月 6 日天津工业大学毕业设计（论文）任务书 题目基于GSM网络智能家居系统设计学生姓名谢振峰学院名称电子与信息工程学院专业班级通信082课题类型模拟课题课题意义目前，国内外各种类的智能家居产品越来越多，但其中大部分是基于电话网的安防控制系统。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。任务与进度要求第12周 开题、文献查阅、调研第35周 熟悉TC35i模块第69周 单片机与TC35i模块的通信第1012周 烟雾传感器的硬件电路设计第1314周 各功能模块的软件设计第1516周 毕业论文定稿，准备毕业答辩主要参考文献1 张俊.SMS短消息传输的远端控制技术及其实现.仪器仪表学报，2003,24 (4):6106112 徐方荣.无线智能家居控制系统设计.现代建设电器，2010,1(1):24273 张云,熊承燕.基于GSM的短消息业务协议分析.无线通信技术，2001,2 (10):3440 4 刘松，赵忠，孙学磊.基于GSM 的远程家庭智能监控系统设计.电子测量技术，2009,32(1):89915 时磊，董金祥.面向嵌入式环境的远程控制系统.计算机工程，2004,20(2):3035起止日期2012.3.18-2012.6.18备注院长 教研室主任 指导教师 毕业设计（论文）开题报告表 2012 年 3 月 19 日姓名谢振峰学院信息与通信工程学院专业通信工程班级通信082题目基于GSM网络智能家居系统设计指导教师王金海一、 与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义： 目前，国内外各种类的智能家居产品越来越多，但其中大部分是基于电话网的安防控制系统。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。本课题主要研究基于GSM网络智能家居系统的设计，包括GSM模块与单片机之间的通信，灯光控制模块、煤气检测模块、指纹识别模块的研究。本设计涵盖了智能家居的基本功能。 本课题较全面地研究了GSM网络在智能家居中具体应用，为利用GSM网络组建智能家居系统提供了技术方案。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果第12周第35周第69周第1012周第1314周第1516周开题、文献查阅、调研熟悉TC35i模块单片机与TC35i模块的通信研究烟雾传感器的硬件电路设计各功能模块的软件设计毕业论文定稿，准备毕业答辩熟悉tc35i模块与单片机的通信、完成各功能模块的设计完成课题的现有条件TC35i模块、相关文献、实验室所有的硬件和软件审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日天津工业大学毕业设计（论文）进度检查记录 题目基于GSM网络智能家居系统设计学生姓名谢振峰学院名称电子与信息工程学院专业班级通信082指导教师姓名王金海指导教师职称教授日 期指 导 记 录2012.2.18查阅文献整理资料2012.2.27填写任务书与开题报告2012.3.8确定设计要完成的任务，实现的功能2012.3.15撰写需求报告2012.3.22方案的选择及总体设计2012.4.1所用电子器件及核心芯片的选择2012.4.12指纹识别的硬件设计和软件设计2012.4.19对灯光控制节点进行调试2012.4.28烟雾传感器的软件总体设计2012.5.5编写各个功能模块的软件代码2012.5.15对灯光控制系统进行调试2012.5.22进行系统的组网和功能联调2012.5.26论文书写内容及规范要求2012.6.4对论文不足之处加以改正 天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表（设计类）毕业设计题目基于GSM网络智能家居系统设计学生姓名谢振峰学生班级通信082指导教师姓名王金海评审项目指标满分评分选题能体现本专业培养目标，题目大小、难度适中；学生工作量饱满，能得到较全面训练。10题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10课题调研文献检索能独立查阅文献以及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息从中获取新知识的能力。15外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。5设计说明书（论文）设计图纸（插图）简洁、规范、无差错，设计栏目齐全合理，能正确使用国家标准单位。15设计说明书（论文）结构严谨，表达清楚，文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，书写格式符合规范。15能根据毕业设计目标进行实验设计，对数据的运算及处理正确无差错，对实验结果的分析准确。20设计具有创新性或实用价值。10合计100意见及建议评阅人签名：年 月 日天津工业大学毕业设计（论文）成绩考核表学生姓名谢振峰学院名称电子与信息工程学院专业班级通信082题目基于GSM网络智能家居系统设计1毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：成绩： 指导教师签字： 年 月 日2毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：成绩：答辩主席（或组长）签字： 年 月 日3毕业设计（论文）总成绩：a.指导教师给定成绩b.评阅教师给定成绩c.毕业答辩成绩总成绩(a0.5+b0.2+c0.3)摘 要GSM 网络能力强，用户无需另外组网，对用户的数量没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高、且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，利用GSM 短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。本设计利用TC35i GSM模块与STC89C52单片机组建控制终端，用户通过手机发送短信指令到控制终端，控制终端提取短信控制指令通过单片机控制各个功能模块从而实现对智能家居的远程控制。本设计设计包含的系统有：智能照明控制系统、智能安防和环境监测报警系统和智能家电、窗帘的系统控制。该设计的各个系统不是独立的，而是彼此相互联系，融合为一个统一的整体，并相互响应，做到真正意义上的智能集中控制和远程GSM控制。本论文实现了家居系统的硬件设计和软件设计，并对整个系统进行了测试，顺利实现了手机通过GSM网络对智能家居系统的远程控制。关键词：智能家居；GSM；远程控制；单片机ABSTRACTWith the progress of technology and the raise of material and cultural life at the present stage, people are looking forward to have a safe, comfortable, energy-saving and convenient living environment. Smart home can be centralized or remote monitoring for family affairs by integrating the computer technology, embedded technology, sensor technology, network communication technology and control technology. The information society is gradually changing the way people live and work, so the development and construction of smart home is the inevitable trend of 21st century.This paper described the basic functions of the intelligent home systems and smart home system design based on the GSM network , design a home system function module hardware circuit design and software programming , and finally test the entire system .The thesis describe the meaning of intelligent home and how this technology can contribute to our home living, compare and have a outlook of the developing of intelligent home technology. According above, paper gives an architecture designing which based on general communication protocol, control center and intelligent terminal.Keywords: smart home; GSM ; remote control; MCU目 录第一章 绪 论11.1 课题背景11.2 智能家居控制系统概述31.3 课题研究的目的及意义41.4 本论文研究的主要内容和组织结构51.5 本章小结5第二章 GSM智能家居系统方案设计62.1 智能家居系统需求分析62.2 系统总体设计与分析72.3 本章小结7第三章 系统硬件电路设计83.1 相关芯片及模块83.1.1 STC89C52RC93.1.2 TC35i模块103.1.3 MQ-2传感器143.1.4 FM-180指纹识别模块153.1.5 ULN2003173.2 STC89C52最小系统电路173.3 窗户、窗帘控制电路183.4 灯光调节电路183.5 烟雾传感器电路193.6家用电器模拟电路203.7 指纹识别电路203.9 本章小结21第四章 系统软件设计224.1 短消息发送程序设计224.2 煤气检测模块程序设计244.3 灯光控制模块软件设计254.4 指纹识别模块软件设计274.5 本章小结28第五章 智能家居系统测试295.1 测试目的与目标295.2 测试方案295.3 测试平台305.4 基于GSM网络智能家居系统测试315.4.1 灯光控制系统测试315.4.2 煤气报警电路测试315.4.3 指纹识别系统测试325.5 测试结论32结束语33参考文献34附 录 一35附 录 二36附 录 三39外文资料51中文翻译57谢 辞62天津工业大学2012届本科生毕业设计（论文）第一章 绪 论进入21实际，科学技术与生产力水平进入加速发展阶段，随之而来的是人类物质文化生活的极大提高。随着人们生活水平的不断提高，人们不断的对居住环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全与便利。而智能家居是一个利用通讯和互联网以及综合布线等技术，按照人体工学，农合个性化需求，通过统一的家庭管理平台，将与家庭生活息息相关的各种子系统有机地结合在一起的系统。因此从市场需求的角度来看，智能家居必然是前景广阔。智能家居是一门新兴的综合性交叉学科。智能家居可以定义为一个过程或一个系统，利用先进的计算机技、网络通讯技术、综合布线技术，将与家庭生活有关的各种子系统，有机地结合在一起。智能家居的目标是用各种方法或设备使家居生活实现自动化、智能化，使家居变得更加舒适、安全和有效，从而提高人们的生活质量1。随着GSM移动通信网络的迅速普及，目前GSM网络基本覆盖全国，GSM移动通信运营商之间竞争日益激烈，使得手机在全国收发短消息的费用将为0.1元/条或更低。而且，手机有汉字显示和输入功能，使得对系统的操作变得更为直观。因此利用GSM手机的短消息功能实现遥控检测功能的优势比较明显。智能家居已成为现代家庭装修的大势所趋。同事，可以预见在将来很长一段时间内手机依然是人们交换信息的主流设备。因此若要实现智能家居的推广和普及，有必要将智能家居这一先进理念和手机这一大众媒介相结合。在总结前人理论和实践的基础上，并参与当前国内外同行研究现状，深化了基于GSM短消息的智能家居这一理论。1.1 课题背景随着科技的飞速发展及生活水平的不断提高，人们对智能化家居生活的需求也逐渐增大。越来越多的智能住宅、智能小区应运而生。21 世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。自从1876 年，Alexander Graham Bell（贝尔）发明电话以来，世界各国的电话网络发展非常迅速，近十年来，中国的固定电话业务呈现出举世瞩目的快速增长。1997 年8 月公用电话交换机总容量突破1 亿门，网络规模跃居世界第二位，2006 年初固定电话用户总数达到35539.2 万户，移动电话用户达到40407.2 万户，现代电话网络是由程控交换机进行交换传输，移动通信也从模拟时代走向了高度数字化时代，它们的性能已经有了很大的进展，而且可靠性非常高。正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。数字化家居控制系统可以使得人们可以通过手机在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD 录像机）进行远程控制；也可以在下班途中预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭；而这一切的实现都仅仅是打一个简单的电话。短信息服务（Short Message Service，SMS）是GSM（Global System for Mobile Communication）系统中提供的一种GSM 终端（手机）之间，通过服务中心(service center)进行文本信息收发的应用服务，其中服务中心完成信息的存储和转发功能2。短信息服务作为GSM 网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。由于GSM 网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。同时，他对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高、且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM 的SMS 本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速的普及。利用GSM 短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。在此以GSM 网络作为数据无线传输网络，它可以应用在银行、储蓄点机房监控、电信机房动力环境监控、通信行业远端无人值守站机房监控和远程维护（如移动通信基站、微波站、光纤中继站等）及其他无人值守点（如仓库、办公楼等）监控及城市公用事业实时监控维护系统像煤气调压站、自来水、污水管网和热力系统 、电力系统城市中电网等情况中。在此本系统采用了Siemens 公司新一代无线通信GSM 模块TC35i，它设计小巧、功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系统的设计。1.2 智能家居控制系统概述图1-1 智能家居控制系统示意图随着社会信息化的加快，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。家居智能化技术起源于美国，它是以家为平台进行设计的。如图1-1所示,智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。大型的智能家居控制系统通常由系统服务器、家庭控制器(各种模块)、各种路由器、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。一般智能家居系统的功能主要包括以下三个方面：1. 照明控制传统的机械式电灯开关从明装式到暗装式，其发展只是外形结构的改变，其功能单一使用不便。于是出现了调光开关、单通道和多通道红外开关、无线开关，但因这些各种各样电子开关都有各自的局限性，不能取代传统的机械开关15。智能住宅控制系统的照明控制部分可对白炽灯、荧光灯、和各种新灯具进行开、关或调光等功能操作。可进行分布多点控制、集中控制、远程电话以及自动程序控制。即可对单个灯光照明点进行控制，有可对灯光组进行组合控制。同时该系统具有极高的可靠性，因此可完全取代传统的机械开关。2. 电器控制现代社会是一个电器时代，家中的各种电器越来越多，各种功能相当繁杂，智能家居控制系统的电器控制功能，能对家用电器进行全功能的控制或远程控制。窗帘控制，根据光照、时间、室内灯光差等因素自动控制窗帘的开、闭或用遥控手动控制。能通过手机对家电的工作情况进行远程查询和控制。3. 安防报警能对系统网内各电灯、电器的工作状态以及室内温度、湿度、火警、煤气等室内环境进行检测并做出警告，并能根据事先设定的应急处理程序自动做出反应，防止事态的进一步扩大（如：发现有火灾发生，能自动发送短消息告诉房屋主人）。1.3 课题研究的目的及意义智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间10。还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、计算机控制等多种功能和手段。使生活更加舒适、便利和安全。因智能家居控制系统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用9。1.4 本论文研究的主要内容和组织结构本论文主要研究了基于GSM网络手机短信通信的智能家居控制系统。确定了智能家居系统的总体设计方案以及各个功能模块硬件电路设计和软件程序设计。最后对整个系统进行了系统测试。本论文的主要组织安排结构如下：第一章绪论，简要阐述了智能家居控制系统的主要功能以及课题研究的目的和意义。第二章介绍了智能家居系统的需求分析，提出了本设计所要实现的基本功能，并确定了家居系统的总体设计方案。第三章提出了智能家居系统的总体电路设计框图，并设计了系统的各个模块电路。第四章在各功能模块硬件设计的基础上对其进行了软件设计以实现各功能模块的功能。第五章对设计的整个系统进行测试。1.5 本章小结本章首先讲叙了基于GSM网络智能家居控制系统的课题背景、课题研究目的和意义，从高效率、低成本两个方面阐明了基于GSM网络智能家居系统的优点。最后阐述了本论文的主要内容和组织结构。 64天津工业大学2012届本科生毕业设计（论文）第二章 GSM智能家居系统方案设计第1章 讲述了智能家居系统所具有的三大基本功能：照明控制、家电控制、安防报警功能。本章为符合智能家居系统的要求对基于GSM网络的智能家居系统进行了需求分析确定了本设计所需实现的基本功能。在需求分析的基础上，确定了基于GSM网络家居系统的整体方案设计。2.1 智能家居系统需求分析智能家居系统融合计算机技术、通信技术、控制技术将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。一般智能家居系统要求实现的功能有照明控制、电器控制、安防报警等功能3。本设计为符合智能家居系统的基本功能，要求实现的功能有：1.灯光控制用户通过手机发送短信控制命令给GSM接收终端模块时，对灯光开启、关闭进行相应控制，且灯光系统具有自动调光功能，当室内光线强度变化时，能智能控制所要亮灭的灯管数目。2.智能家电、窗帘的系统控制用户通过手机利用GSM网络发送短信控制命令到GSM收发控制终端，实现对家用电器、窗帘的远程控制。本设计的智能家居、窗帘的控制采用5V步进电机和直流小电动机模拟家电和窗帘控制器。3.环境监测报警系统通过燃气感应传感器监测居室环境，当指标超出设定值时，报警信号会通过短信立刻反馈到智能手机上，并可以根据反馈的内容，对现场作出处理，如远程打开窗户、启动排风设备等等。4.智能安防安防系统中装有指纹识别系统，当当前录入的指纹正确时门禁系统解禁，当当前录入指纹不正确时门禁系统通过GSM网络向用户发送信息提示有陌生人闯入。2.2 系统总体设计与分析针对智能家居系统的需求分析，系统的总体设计如图2-1所示。图2-1 系统设计原理图单片机与GSM模块构成GSM收发终端控制模块，是本系统设计的核心部分，用于读取用户手机的短信控制指令以及向用户手机发送状态信息。灯光控制电路、煤气报警电路、门禁系统、电器控制电路均与单片机相连。当用户发送控制指令到GSM接受模块，单片机通过发送AT指令到GSM模块读取控制指令，并根据相应指令控制相应功能模块。功能模块与手机是双向通信，即系统可以向用户手机反馈状态信息，例如当室内出现煤气泄漏事件时，煤气传感器检测到室内煤气浓度变化，单片机控制电路检测到端口电平变化，并向GSM模块发送AT指令以向用户手机发送报警信息。2.3 本章小结本章对智能家居系统进行了需求分析，确定了所设计的系统须具有家电控制、家居安防、家居监控三大功能。根据需求分析确定了所设计系统的总体方案设计。本设计以单片机和GSM模块通信为控制核心，单片机外接各个功能模块，用户通过手机发送短信控制指令控制各个功能模块。第三章 系统硬件电路设计第二章通过对家居系统进行需求分析确定了本设计的总体方案。本章将在总体方案设计的基础上实现系统的硬件电路。系统由六大模块电路组成：GSM模块与STC89C52通信构成的GSM收发控制终端电路、双MCU通信电路、烟雾传感器电路、窗户和窗帘控制电路、灯光调节电路、模拟家用电器电路。本设计以STC89C52为核心，图3-1所示为家居智能控制硬件电路的结构框图，为了保证功能的可靠实现，电路设计采用双CPU结构。在软件编程中按主从机工作的方式实现系统的整体控制。图3-1 系统硬件连接框图3.1 相关芯片及模块本设计中用到了主要芯片以及模块有TC35i模块、指纹识别模块、STC89C52、MQ-2烟雾传感器、ULN2003步进电动机驱动芯片等。3.1.1 STC89C52RCSTC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。STC89C52RC 还有一个重要特点在于它可以在线编程，无需专用编程器，可通过串口（P3.0和P3.1）直接下载用户程序，在编程调试过程中尤为方便。STC89C52RC 的管脚和MCS-51 系列单片机兼容，各管脚功能见表3-1，其中P3 口的第二功能单独列出，见表3-2。表3-1 单片机管脚功能名称序号管脚说明P1 口 1-88 位准双向I/O 口RST 9复位信号输入端，高电平有效P3 口 10-178 位准双向I/O 口，有第二功能XTAL2，XTAL1 18,19 时钟引脚GND 20 接地引脚P2 口 21-288 位准双向I/O 口，与地址总线高8 位复用PSEN 29程序存储器允许输出控制端ALE 30地址锁存允许信号（第二功能为片内EPROM 编程脉冲输入端EA 31内外程序存储器选择控制端（第二功能为对片内EPROM 固化编程的编程电压输入）P0 口32-39双向8 位三态I/O 口，地址总线低8 位和数据总线分时复用口VCC 40 电源引脚（+5V）表3-2 P3口第二功能定义P3口引脚第二功能P3.0RXD(串行口输入端)P3.1TXD(串行口输出端)P3.2INT0 (外部中断0 输入端)P3.3INT1 (外部中断1 输入端)P3.4T0(计数器0 计数输入)P3.5T1(计数器1 计数输入)P3.6WR (外部数据存储器“写”控制输出信号)P3.7RD (外部数据存储器“读”控制输出信号)3.1.2 TC35i模块Siemens 公司的TC35i 模块主要由GSM 基带处理器、GSM 射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35 的核心，基带处理器主要处理GSM 终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR 和EFR 语音信道编码（外观如图2-2所示）。图2-2 TC35i GSM模块GSM 模块可分为GSM 基带处理器（Basedband Processor）、无线收发模块（Radio）、电源供给模块（Power Supply ASIC）和FLASH 闪存几部分，其结构如图2-3 所示。图2-3 TC35i 模块功能结构框图GSM 基带处理器是GSM 模块的核心，它集成了C166MCU 处理器内核及DSP 内核，MCU 及DSP程序和数据存储器，可编程的系统时间发生器PLL，MCU 及DSP 定时器，脉冲载波调制输出，串行RF 控制接口，兼容ISO-7816SIM 卡接口，数字和模拟语音滤波器和AD-DA 转换器，电池电压测量电路，电池环境温度检测电路，C51 及C52 密码单元，GMSK 调节器，静、动态电源管理器等模块。无线收发模块是建立在无线收发芯片SMARTI 基础上，收发器由差分接收电路、非转移调制环路传送器、RF PLL 及IF 合成器、外置收发天线组成。电源供给模块为系统供电。GSM 引擎TC35i 所需直流电压为3.3-4.4V，最大电流为2A（待机时电流很小，一般为3mA，但在发送语音、数据机短信时要很大的电流驱动，因此必须外加电源，额定电流至少2A）。FLASH 存储器存储各种操作指令、数据及控制信息，掉电数据不丢失。模块的供电电压如果低于3.3V会自动关机。同时模块在在发射时，电流峰值可高达2A。同时在此电流峰值时，电源电压（送入模块的电压）下降值不能超过0.4V。所以该模块对电源的要求较高，电源的内阻+FFC联接线的电阻必需小于200m。TC35i 接口电路如图2-3 所示，只需利用单片机的RXD 和TXD 管脚对TC35i 进行控制，就可完成短消息方式的数据传输。TC35i 默认的串行通信方式是8 位数据位，1 位停止位，无校验位，波特率在1.2KBit/s到115Kbit/s 之间自动可调。值得注意的是TC35i 管脚定义是针对外部连线，对于TC35i来说，TXD 是信号输入脚，连接单片机的TXD；RXD 是信号输出脚，连接单片机的RXD。图2-4 TC35i 接口电路结构图AT 指令及PDU 工作模式：1. AT 指令简介控制器与GSM 模块之间采用RS-232 连接，采用AT 指令实现相互间的通信。常用的一些短消息命令如表2-1所示。表2-1 常用的短消息AT指令AT命令功能AT+CSMS选择消息服务（支持GSM-MO、SMS-MT、SMS-CB）AT+CMGF设置短信息格式（1-TEXT 0-PDU）AT+CSCA设置短信服务中心地址AT+CMGD删除短消息AT+CMGS发送信息AT+CMGR读取短消息AT+CSAS保存设置（保存+CSAS 和+CSMP 的参数）AT+CRES恢复设置AT+CNMA新信息确认应答AT+CPMS优先信息存储（定义用来读写信息的存储区域）AT+CNMI新信息指示（选择如何从网络上接收短信息）AT+CMGL列出存储的信息2.PDU 包协议格式用PDU 模式发送短消息数据包是以GSM03.04 规范为标准的，其内容依次为：短消息中心地址、PDU 类型、消息附注、目的地址、协议鉴别符、数据编码表、数据保存期、用户数据长度、用户数据。 例如：发送信息“这是测试消息”给手机号码为15831682091 的用户，其PDU 字符串为：“0891683108401505F011000D91683138069123F50008A90C8fd9662f6d4b8bd56d88606f”，具体分析见表2-2表2-2 PDU编码说明分段说明08表示短消息中心地址（SCA）长度，共8 个8 位字（包括91）91表示地址类型685108401505F0表示短消息中心地址（实为+8613800451500，F 为偶数补位）11表示头地址与TP-RP|TP-UDHI|TP-SRR|TP-VPF|TP-RD|TP-MTI 对应00表示对应TP-MR0D表示短消息目标用户长度91目标地址格式，用国际式号码（前加“+”）685138612890F1表示目标用户号码（F 为偶数补位）1583168209100表示协议标志，是普通GSM 类型，点对点方式08表示编码方式，16 位Unicode 编码A9表示短消息有效期0C表示用户数据长度8fd9662f6d4b8bd56d88606f用户数据Unicode 编码（“这是测试消息”）（3）短消息工作模式短消息是由欧洲电信标准委员会所制定ETSI 的一个规范，为了控制GSM MODEM 实现短消息服务，GSM 协议中提供了3 种接口协议，它们分别是BLOCK 模式、TEXT 模式和PDU 模式。BLOCK 模式就是利用二进制数据来控制移动终端设备的短消息功能，但此模式复杂且不直观，实用性差，目前使用较少；TEXT 模式是一种利用文本信息来控制移动终端设备短消息功能的接口协议，它主要用AT 命令集完成对终端设备的操作，直观易用，但需要多条AT 命令共同执行来完成一次短消息操作，不方便；PDU 模式也是采用AT 命令集来控制移动终端设备的短消息功能，但它与TEXT 模式不同，它是在AT 命令集的数据段中直接采用协议数据单元（PDU）来完成短消息的控制，只需一条指令就能完成整个短消息的处理过程。如果用PDU 模式发送短消息数据包不包含短消息中心地址（SCA），则相应的PDU 字符串为“0011000D91683138069123F50008A90C8fd9662f6d4b8bd56d88606f”，这里短消息中心地址SCA 长度为0，意味着使用AT+CSCA 命令设置SCA，在这种情况下PDU 字符串中没有对应SCA类型及短消息中心地址的字符串“91683108401505F0”短消息的编码方法及实现:短消息（SMS）是由ETSI 组织制定的一个规范（GSM03.40 和GSM03.38），当使用7bits编码时，最多可以发送160 个字符；当使用8bits 编码时，最多可以发送140 个字符；当使用16bits 编码时，最多可以发送70 个汉字字符。此文中采用16bits 的Unicode 编码显示文本信息。3.1.3 MQ-2传感器MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2/MQ-2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。基本电路如图3-2。图3-2 MQ-2基本电路3.1.4 FM-180指纹识别模块FM-180 亮背景光学头指纹识别设备采用光学指纹传感器，由高性能DSP 处理器和FLASH 等芯片构成，具有指纹图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索和模板存储等项功能。FM-180模块与用户设备通讯时，接口定义如表3-3所示。表3-3 FM-180模块引脚定义引脚号名称类型功能描述1VinIn电源正输入端2TDOut串行数据输出（TTL电平）3RDIn串行数据输入（TTL电平）4GND信号地5NC未定义悬空指纹识别模块UART通信格式详解：指令/数据包共分为三类：包标识=01 命令包；包标识=02 数据包，且有后续包；包标识=08 最后一个数据包，即结束包。所有的数据包都要加包头：0xEF01。各指令/数据包格式分别如表3-4、表3-5、表3-6所示表3-4 命令包格式字节数2 bytes4 bytes1 byte2 bytes1 byte 2 bytes名称包头地址包标识包长度指令参数1.参数n校验和内容0XEF01xxxx01N=表3-5 数据包格式字节数2 bytes4 bytes1 byte2 bytesN bytes2 bytes名称包头芯片地址包标识包长度数据校验和内容0XEF01xxxx02表3-6 结束包格式字节数2 bytes4 bytes1 byte2 bytesN bytes2 bytes名称包头芯片地址包标识包长度数据校验和内容0XEF01xxxx08指令应答应答是将有关命令执行情况与结果上报给上位机，应答包含有参数，并可跟后续数据包。上位机只有在收到SOC 的应答包后才能确认SOC 收包情况与指令执行情况。指令应答包格式如表3-7所示。表3-7 应答包格式2bytes4 bytes1 byte2 bytes1 byteN bytes2 bytes0XEF01芯片地址包标识07包长度确认码返回参数校验和常用应答包确认码如下：1. 00h：表示指令执行完毕或OK；2.01h：表示数据包接收错误；3. 02h：表示传感器上没有手指；4. 03h：表示录入指纹图像失败；5. 04h：表示指纹图像太干、太淡而生不成特征；6. 05h：表示指纹图像太湿、太糊而生不成特征；7. 06h：表示指纹图像太乱而生不成特征；8. 07h：表示指纹图像正常，但特征点太少（或面积太小）而生不成特征；9. 08h：表示指纹不匹配；10. 09h：表示没搜索到指纹；11. 0ah：表示特征合并失败；12. 0bh：表示访问指纹库时地址序号超出指纹库范围；13. 0ch：表示从指纹库读模板出错或无效；14. 0dh：表示上传特征失败；15. 0eh：表示模块不能接受后续数据包；16. 0fh：表示上传图像失败；17. 10h：表示删除模板失败；18. 11h：表示清空指纹库失败；19. 12h：表示不能进入低功耗状态；3.1.5 ULN2003高耐压、大电流达林顿陈列ULN2003，是布进电动机的电流驱动芯片。由七个硅NPN 达林顿管组成。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。其方框图如下图3-3所示。图3-3 ULN2003框图3.2 STC89C52最小系统电路系统采用STC89C52作为MCU，其最小系统电路图如图3-4所示。图3-4 单片机最小系统图3.3 窗户、窗帘控制电路由于窗户、窗帘的开启与关闭需要电动机得到一定的控制，直流电动机不易控制好所需转动的圈数，而步进电动机能够通过程序控制其所转圈数精确到度。本设计采用5V步进马达作为窗户、窗帘的控制器。ULN2003（DIP封装）作为步进马达驱动芯片。控制电路如图3-5所示。图3-5 窗户、窗帘控制电路3.4 灯光调节电路智能家居灯光系统利用8只LED灯（F3圆头白光，3mm白色LED直插发光二极管）进行模拟，其与单片机的连接电路如图3-6所示。图3-6 灯光连接电路灯光调节电路中光敏电阻将光线强度的变化转化电阻值的变化，通过电路又可以将其转换为电路电压的变化7。通过AD转换芯片ADC0804（DIP封装）将模拟电路电压变化量转化为数字变化量输入单片机接口。单片机内部通过程序设置两个阈值，当光线强度过强或较弱时，智能控制8盏LED灯的亮灭数目。灯光调节电路如图3-7所示。图3-7 灯光调节电路3.5 烟雾传感器电路烟雾传感器电路如图3-8所示。MQ-2检测室内烟雾浓度的变化而引起阻值的变化，从而引起NPN基极电压的变化，再经过NPN放大电路进行放大传送至单片机进行控制。图3-8 烟雾传感器电路3.6家用电器模拟电路图中直流电机模拟排风系统，用户可以通过短信控制排风系统的启动与关闭。当室内出现煤气泄漏时，单片机会控制继电器闭合打开排风系统并发送短信告知用户。图3-9 家用电器模拟电路3.7 指纹识别电路本设计门禁系统以指纹识别模块为核心，指纹模块与单片机的连接电路如图3-10所示。图3-10 指纹模块与单片机连接电路如图3-11所示：KEY1为指纹删除按键，KEY2为模式切换按键，KEY3录入确认按键。当要往系统中录入指纹时，按下KEY2键切换到指纹录入模式，此时模式指示灯电路（图3-12）D2灯亮。手指接触指纹传感器界面，按下KEY3键录取当前指纹，数码管显示系统中录取的指纹数量。按下KEY2键切换到指纹识别电路，此时图3-12中D3灯亮。图3-11 指纹录入电路图3-12 模式指示灯电路3.9 本章小结本章根据智能家居系统整体硬件电路框图，设计了STC89C52最小系统电路、窗户、窗帘控制电路、灯光调节电路、烟雾传感器电路、家用电器模拟电路、指纹识别电路，能实现智能家居系统家电控制功能、家居安防功能、家居监控功能。第四章 系统软件设计第三章设计了各个功能模块的硬件电路，本章将介绍各个功能模块的软件实现。程序采用C语言编程。其中单片机与GSM模块和指纹识别模块是以指令集的形式进行通信。本设计采用顺序执行的方式将各个软件子模块置于主程序的大循环中。当有外部触发时能进入相应的子程序执行相应的功能。系统软件总设计流程如图4-1所示。图4-1 系统软件设计流程图各模块的软件程序设计如一下小节所示。4.1 短消息发送程序设计TC35i 模块支持8 位数据位,无奇偶校验位,1 位停止位数据传输。传输速率可以在4.8kbit/s 到115kbit/s 间自适应。对TC35 模块控制,IGT 信号非常地重要,只有正确的IGT信号才可以使TC35 模块正常地运行。IGT 的下降沿启动TC35,并且IGT 的低电平应该至少保持100ms。单片机对TC35i 模块的控制采用AT指令。单片机可以通过正确的AT 指令对TC35i模块进行初始化和短消息的接收发送。对短消息的控制共有三种模式:Block 模式、PDU 模式和Text 模式。使用Block 模式需要手机生产厂家提供驱动支持。目前,PDU 模式已取代Block 模式,而Text 模式不支持中文,因此本系统使用PDU 模式进行短消息的发送。单片机通过以下系列AT 指令对短消息进行控制。TC35i 初始化：首先设置短消息发送格式AT+CMGF=1,设置1 代表PDU 模式,是回车符号,也就是0x0d。指令正确则模块返回OK,是回车换行符号。其次设置短消息中心AT+CSCA=d+8613800531500d( 短消息中心), 设置正确则模块返回OK。注意短消息中心号码可能会因不同手机或不同区域而不同。用PDU 模式发送短消息,则首先发送短消息数据长度。AT+CMGS=。等待TC35模块返回ASCII 字符/0,则可以将PDU 数据输入,PDU 数据以(也就是0x1a)作为结束符。短消息发送成功,模块返回OK。发送数据格式例如，需要发送汉字“一氧化碳的浓度超标，排气扇已打开”到手机15831682091,则首先发送数据串AT+CMGS=16,然后等待ASCII 字符/0,然后输入PDU 数据。短消息发送是将待发送的短消息内容发送到目的地址，发送过程首先经历赋值过程，即将对方号码及待发送的消息内容赋给交换变量；其次经历数据处理过程，即将交换变量中的信息处理成为PDU 串；最后经历AT 命令调用过程，即利用AT 命令将待发送的PDU 串通过串口发送出去。对于编好的PDU 串，可通过相应的AT 命令来实现短消息的发送。用来实现消息发送的AT 命令是AT + CMGS。短消息发送流程图如图4-2 所示。图4-2 短消息发送模块流程图发送短消息的部分软件设计如下：发送英文短信关键程序代码void send_sms() /发送短信 uchar j=1,i=1; Send_AT_Command(SIM_ID); switch(sms_tmp) case smss_save: / 发送英文 TMP_BUF=0; do para_tempTMP_BUF=TEL_tem