基于GSM的家庭报警及电器控制系统实验室开放项目报告

'2009年度实验室开放项目结题报告项目名称基于GSM的家庭报警及电器控制系统学院项目负责人专业班级联系电话所在实验室电子中心DSP实验分室资助经费实验类型□综合性、设计性实验□专业技能训练□自主创新实验指导教师姓名职称研究方向工作量实验时数项目实施时间参加本实验项目的学生名单姓名学号专业班级项目中承担的主要工作联系电话 一、项目内容简介：本项目是利用现有的比较成熟的GSM网络，基于单片机和先进的移动通讯技术所研发的GSM模块，集防盗、防火、防燃气泄漏及控制家电于一体的基于GSM的家庭报警及电器控制系统，实现了防盗系统与手机之间的无线传输，而且它适用于GSM 网络覆盖的所有区域，使用户可以随时随地享受到科技为生活所带来的便利。还可以进一步推广到遥控、遥测、工业数据采集、防盗报警、交通运输监控管理等场合，具有广阔的应用前景。本系统主要由GSM模块、单片机最小系统模块、无线通信模块、传感器模块、控制模块及后备电源模块等六部分组成，系统原理图如图1所示。该设计需要解决的关键问题是单片机与GSM模块的通信协议、各种物理量信号的获取、执行机构的控制等。图1家庭报警及电器控制系统设计原理图基于GSM的家庭报警及电器控制系统是基于单片机和先进的移动通讯技术所研发的GSM模块，集防盗、防火、防燃气泄漏及控制家电于一体，真正实现了手机与传感器、家居电器控制模块之间，主机与用户之间信息的无线传输。由于GSM模块不受地域限制，适用于GSM 网络覆盖的所有区域，使用户可以随时随地享受到科技为生活所带来的便利。GSM模块利用手机短消息系统进行数据传输，是目前各种利用电台做无线数据传输的理想替代产品。可广泛用于遥控、遥测、工业数据采集、防盗报警、交通运输监控管理等场合。另外，GSM模块使用方便，可以直接跟单片机的UART接口相连。本项目“基于GSM的家庭报警及电器控制系统”可实现防盗、防火、防燃气泄漏及家电控制。可以控制房屋内照明系统、加热系统、空调系统、电动窗帘、插座、门等。使用一个简单按钮开关，即使主人已离开房屋，也能实现控制，与安防系统联动可以让家人生活得更安全、更舒适、更智能化。 二、项目实施过程或技术路线：本系统主要由GSM模块、单片机最小系统模块、无线通信模块、传感器模块、控制模块及后备电源模块等六部分组成。该设计需要解决的关键问题是单片机与GSM模块的通信协议、各种物理量信号的获取、执行机构的控制等。基于GSM的家庭报警及电器控制系统是基于单片机和先进的移动通讯技术所研发的GSM模块，集防盗、防火、防燃气泄漏及控制家电于一体，真正实现了手机与传感器、家居电器控制模块之间，主机与用户之间信息的无线传输。由于GSM模块不受地域限制，适用于GSM 网络覆盖的所有区域，使用户可以随时随地享受到科技为生活所带来的便利。GSM模块利用手机短消息系统进行数据传输，是目前各种利用电台做无线数据传输的理想替代产品。可广泛用于遥控、遥测、工业数据采集、防盗报警、交通运输监控管理等场合。另外，GSM模块使用方便，可以直接跟单片机的UART接口相连。本设计的创新之处在于我们采用目前比较流行的远程监控手段，充分利用GSM短消息业务（SMS）传输速度快，单个数据传输价格便宜等特点，方便地实现家用电器的信息采集和远程控制。从而克服了以往家庭报警系统和家用电器远程控制装置，所存在的费用高、设计难度大、使用携带不方便等缺陷。真正让普通家庭也可以有安全、温馨、智能的家庭生活。技术路线：一．SMS简介以及该技术的发展1.SMS简介报警系统主要是通过SMS短信息实现报警的，SMS短信息服务是GSM系统中提供的一种GSM终端(如手机)之间，通过服务中心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。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建网费用和维护费用。同时，它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，以及网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比起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。 2.SMS业务的分类短信息业务按其实现的方式可以分为点对点短信息业务和小区广播短信息业务(点对多点)。点对点的短信息业务是指将一条短信息从一个实体经短信息服务中心SMCS发送到指定的目的地址的业务。被发送的短信息经过编码后最大长度为140个字节(如果按ASCII字符7bit编码，一次最多发送160个英文字母，如果采用Unicode编码方式则一次最多发送70个中文汉字)。用户也可以通过人工台(如中国移动的1258)和自动台(如中国移动的1259)来完成短信息的发送。3.SMS的工作原理、特点及优点GSM短信息业务系统是由移动业务交换中心MCS、短信息业务网关移动交换SMSGMSC、本地用户寄存器HLR、访问者位置寄存器VLR和短信息服务中心等部分组成的。它们之间的关系如图2所示。图2短信息SMS业务结构图其中，移动台即移动通信设备，用来收发短信息的。基站负责移动台和移动交换中心之间的信息交换。移动交换中心负责系统切换管理并控制来自发向其它电话或数据系统的拨号。短信息业务网关移动交换中心接收由短信息服务中心发送的短信息，并将它发送给接收者所在基站的交换中心。短信息服务中心在基站和短信息实体之间中继、存储和转发短信息。本地用户寄存器用于永久存储本地用户的永久性信息。访问位置寄存器可以保存本地区以外用户的数据。(1)SMS的工作原理：当SMS短信息从一个可发送SMS的手机发出去后，这个短信息和一个普通呼叫建立的处理没有什么不同，它从手机发送到基站，然后到移动交换中心，寻址到需要的短信息服务中心。当移动台接收短信息时，短信息服务中心要确定一个移动台终结短信息的路由，短信息服务中心把短信息转发到短信息业务/网关移动交换中心，再由它向目的移动台的归属位置寄存器询问路由信息并且把短信息发送到合适的移动交换中心，由该移动交换中心把信息发给目的移动台。 此外，短信息服务需要在网络中安排一台或者若干台专用服务器。这个短信息服务器可以成为服务中心，其任务是存储和重新发送短信息，直到收件人自行收到短信息。当短信息发给一个移动台，移动台会在用户关机或信号不足时，利用服务器保持该短信息；当移动台重新开机或者回到服务区时，网络就通知短信息服务器，使它成功的将存储的信息重新发给收件人。(2)SMS的发送方式第一种方式：为有线短信息发送方式。第二种方式：移动或者联通授权的中间运营商和一部分网络站点都为企业或者个人提供短信息发送业务。第三种方式：在计算机上通过手机发送中文短信息。采用AT指令和串口编码来实现，而且对硬件要求不高。这种方法比较灵活，易于实现，适用于研究开发。(3)SMS特点、优点及发展SMS采用的是存储-转发模式，即短信息被发送出去后并不是直接发送给接受方，而是先存储在短信息服务中心，然后再由短信息中心将短信息转发给接收方，如果接收方当时关机或者不在服务区，SMSC就会自动保存该条短信息，等到接收方在服务区出现的时候会马上发送给接收方。同时，SMS对短信息的发送可以是一种有保证的双向服务。在此种方法中，发送方可以在将短信息发送出去之后得到一条确认通知，返回传递成功或者失败的信息，以及不可到达的原因。二．GSM模块原理TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，能快速安全可靠地实现数据传输、语音传输、短消息服务SMS。TC35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、天线接口六部分组成(如图3所示)。模块的工作电压为3.3～5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，功耗分别为2W和1W。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。基带处理器是核心部分，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。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话、漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。 图3TC35功能框图TC35模块有40个引脚，通过ZIF连接器引出(如图3所示)。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡座子、控制和音频接口。1.电源类1～15引脚1～5脚是正电源输入脚；6～10脚是电源接地脚；11、12脚是充电脚；13脚是对外输出电压脚；14脚是充电保护控制脚；15脚是启动脚。2.数据输入/输出16～23引脚分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。其中18脚RxD0、19脚TxD0为TTL的串口通讯脚，直接与单片机通讯。3.SIM卡座子24～29引脚TC35模块使用外接式SIM卡座子，引脚连接为：SIM卡座子的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND只需与TC35的同名端直接相连，在必要的地方加上滤波电容即可。ZIF连接器CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。4．控制类30～32引脚其中30脚是RTCbackup，31脚是PowerDown，32脚是SYNG。5.音频接口35～38引脚35、36脚接扬声器放音。37、38脚可以直接接话筒来采集声音。三．TC35外围电路及单片机电路1．电源及复位电路整个电路系统采用5V供电，硬件系统采用3.3V供电，电源部分采用TI公司的TPS76033芯片实现。为了使输出电源的纹被小，在输出部分用了—个2.2F和0.1F的电容，另外在芯片的输入端也放置—个0.1F滤波电容，减小输入端受到的干扰。 对于TC35模块采用3.6V供电，由于该电源部分的输出电流必须满足输出电流能达到2A，因此采用NATI0NAL公司的LP3966-ADJ芯片。该芯片的管脚2为shutdown管脚，在设计的时候必须通过一个10K的电阻拉高到5V。为了使3.6V输出电源的纹波小，在芯片的输入端也放置—个68F的滤波电容，减小输入端受到的干扰，在输出部分用了68pF、33F和0.1F的电容，实现滤波。在单片机电路里，为了保证复位电路的可靠性，采用MAX809复位芯片来实现复位电路，还需要在复位芯片的电源输入脚加—个0.1F的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。电源及复位电路如图4所示。图4电源及复位电路2.TC35模块接口电路TC35模块主要通过单片机的UART进行连接，采用两线(TXD、RXD)连接，从而实现单片机对TC35模块的控制。对于TC35的其他管脚在不使用的时候，如果该管脚为输出的话，一般让该管脚悬空，如果该管脚为输入管脚，需要将该管脚通过10K的电阻上拉。另外由于/IGT管脚是控制TC35模块工作的管脚，所以需要将该管脚上拉，并且将该管脚与单片机进行连接，从而列以通过单片机来控制TC35模块的工作状态。如图5为TC35模块的接口电路。另外TC35模块还需要连接SIM卡座子，SIM座子只需与TC35的同名端直接相连，在必要的地方加上滤波电容即可。这样才能够实现一个完整独立的GSM终端。如图6为SIM卡接口电路。 图5TC35模块接口电路图6SIM卡接口电路3.单片机接口电路单片机是系统的控制核心，主要通过单片机的UART0实现与TC35模块的通信。虽然单片机与TC35模块的供电电压不同，但它们的接口电平可以直接接口，因为TC35模块的串口管脚的工作电平是CMOS电平，单片机的串口管脚的工作电平是TTL电平，由于单片机的高电平和低电平的逻辑判断电平可以实现与TC35的管脚进行连接，因此不需要进行电平转换。单片机还需要通过一个I/O管脚来控制TC35模块的工作，在该管脚上输出低电平来使TC35模块工作。在电源的管脚增加一个0.1F的电容实现滤波，以减小输入端受到的干扰。具体的单片机电路图如图7所示。图7单片机接口电路 4.传感器与继电器电路传感器与继电器设计电路图如图8所示，传感器部分可以外接红外传感器、烟雾传感器、燃气泄漏传感器等，当传感器检测到信号时，经过A0口传到单片机，产生控制信号经TC35发送到指定用户手机，用户既能及时确认家中情况。同样，用户也可以发送控制短信到TC35模块，TC35模块将控制信息传输给单片机，以便控制继电器，即控制家用电器。图8传感器与继电器电路四．系统软件设计开机后对GSM模块进行初始化设置，然后红外传感器、或燃气泄露传感器、烟雾传感器等检测信号，当检测信号后，对信号进行分析，在确定有情况后，发送短信到指定手机。主程序流程示意图如图9所示。图9软件设计流程图 三、项目主要创新点：本设计的创新之处在于我们采用目前比较流行的远程监控手段，充分利用GSM短消息业务（SMS）传输速度快，单个数据传输价格便宜等特点，方便地实现家用电器的信息采集和远程控制。从而克服了以往家庭报警系统和家用电器远程控制装置，所存在的费用高、设计难度大、使用携带不方便等缺陷。真正让普通家庭也可以有安全、温馨、智能的家庭生活。1.系统的信道采用无线的GSM 网络，成功地避免了传统安防信道的安全隐患。2.基于GSM 的报警系统确保用户在使用上不受地域制约，稳定的网络增加了系统的实时性，可靠性和准确性。3.可以通过手机接收家中防盗系统发来的信息，减少家中安全隐患，真正解决了用户“听不到、看不到”的问题。4.常用操作命令可储存于手机中。5.用户可将信息通过短信形式控制家庭电器，操作方便。6.对有需要的位置安装某些传感器，就能让用户随时随地获得需要的信息。四、项目成果：五、存在的主要问题及需进一步改进的内容与措施：如何提高报警准确性及同时向多号码发送报警信息是以后继续研究的课题，我们将通过与校内外的专家及企业工程师联系，以寻求帮助，或者通过查阅大量文献来实现我们所设想的结果。 六、项目实施过程的图片或照片、实物作品的图片（2～3张，JPG格式）：七、经费使用详单：项目负责人：指导教师：2009年12月20日八、学院评审专家组对项目完成质量、学术水平的具体评价：评审结果：1.优秀2.良好3.合格4.不合格组长（签字）：年月日 九、学院审核意见：学院分管领导（签章）：年月日十、学校审核意见：年月日'