基于GSM的智能家居控制系统的设计与实现

孙洪琛 邢忆鲁

摘 要：智能家居控制系统以家居电器及家电设备为主要控制对象，利用了自动控制技术、电子通信技术将家庭日常生活相关的设施进行高效集成，从而构建更高效家庭住宅设施与家庭日常事务的控制管理系统。本系统在正常工作时，用户通过手机发送指令，指令被GSM模块接受并将指令传送给单片机，单片机处理信号发出控制指令通过继电器等控制电路的通断、电动机的正转反转等达到控制家用电器设备的效果。在结构上采用GSM模块进行短信收发，以STC89C52RC单片机系统为控制核心来进行信息的反馈和远程控制，从而实现远程报警、远程控制等功能。

关键词：GSM模块；单片机；控制电路

1.引言

目前国内外各种类型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，并且只是应用于高档住宅。一般的普通民众都无法接受其高昂的价格。并且目前国内固定电话的用户正在急剧减少，手机用户的数量在飞速增长。所以一种价格低廉且功能齐全的基于GSM模块的的家居智能控制系统就将应运而生。系统主要由以下几部分组成：智能照明控制系统，智能电器控制系统，智能遮阳控制系统，节能控制管理系统，智能家居软件，智能家居布线系统，智能家居网络系统等部分。

2.系统总体设计

2.1系统体系架构

系统的总体结构框图如图3.1所示。当用户家里发生火灾，门窗有变动，温度低于或高于预设温度时，相应的传感器发出信号，此时数据采集模块将传感器发出的信号转换成数字量，并送给单片机控制系统进行计算和分析后，通过RS232串口将数据传送给GSM模块将家里即时信息发送到用户手机上。同时单片机控制系统将控制启动相应的执行机构，如打开启动报警器等。当GSM模块接受到用户短信指令后，将其转换成数字量，通过串口送给单片机系统分析指令，然后开启相应的家电设备，实现远程控制功能。

2.2系统各单元具体设计方案

2.21控制系统单元硬件设计方案

控制系统单元主要由STC89C52RC芯片及其复位和电源电路组成。8位STC89C52RC单片机是STC公式开发的一款增强型的51单片机芯片。具有运行稳定，功耗低，存储空间大等特点。用户应用程序空间为8KB。具有3个16位定时/计数器。片上集成512字节RAM，具有ISP/IAP功能，无需专用编程，可直接通过串口下载用户程序，数秒即可完成。节约购买专用编程器的资金。最主要的是该芯片与51芯片兼容，这就给使用者带来极大的便利。

2.22传感器单元硬件设计方案

本系统传感器单元包括红外传感器、温度传感器、烟雾传感器和A/D转换模块。

（1）红外传感器采用主动红外探测器。主动红外探测器由红外发射机，红外接收机和报警控制器组成。红外发送端和接收端之间有一道红外光束，当人体穿越此光束时，必将部分或全部遮挡红外光束，接收端输出电信号的强度会发生变化从而启动报警控制器发出报警信号，同时发报警短信信息给用户。

（2）温度传感器采用DS18B20，它是一种可编程温度传感器，内置E2PROM，有限温报警功能，最高分辨率12位，检测温度为-55—+125℃，在-10——+85℃时精度为±0.5℃。其外观图3.2所示。1号引脚接地，2号为数据输入/输出引脚，3号引脚当工作在寄生电源时，改为接地。由于DS18B20可由数据线本身提供电源，因此与单片机连接需要一根数据线和一根地址线。

（3）烟雾传感器采用MQ-2，它是一种电阻控制型的气敏器件，其阻值随被测气体的浓度（成分）而变化。气敏器件又是一种“气—电”传感器件，它将被测气体的浓度（成分）信号转换成相应的电信号。响应时间≦5s，恢复时间≦30s。能够探测的液化气浓度范围为300ppm-5000ppm。可满足系统设计的需求。

（4）A/D转换模块，主要采用ADC0809芯片，其作用主要是将各传感器所接收数据转变为数字量传送给STC89C52RC单片机。0809有8路的模拟输入端口，22脚是地址锁存控制，输入电平为高时，锁存地址信号。地址线（23-25脚）能决定将哪路的模拟输入进行A/D转换，6脚为A/D转换的启动控制，当输入电平由低到高再由高到低后，开始进行A/D转换。7脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许控制，当OE脚为高电平时，A/D转换数据从端口输出。

2.23GSM模块方案

本系统设计使用的GSM模块是Siemens公司的TC35I。该模块集射频电路和基带于一體，向用户提供标准的AT命令接口，为数据提供可靠、快速、安全的传输，方便用户的应用开发与设计，TC35I的组成如图2.3所示。

TC35I模块主要由GSM射频模块、GSM基带处理器、闪存、供电模块、天线接口、ZIF连接器6部分组成。基带处理器作为TC35I的核心，主要处理GSM终端的数据，并涵盖了蜂窝射频设备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HR、FR和EFR语音信道编码。

2.24 电源模块方案

本系统采用UPS进行供电，以保证在掉电情况下防盗报警功能依然能正常运行。不间断电源（UPS）是当交流输入电源（俗称市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，是负载供电不受影响的装置。其基本结构原理图如图2.4所示。

图3.4 UPS基本结构框图

3.系统硬件与软件的设计

3.1硬件电路设计

本系统的硬件电路主要包括GSM模块与STC89C52RC芯片的连接电路和执行机构电路。

3.11 GSM与单片机硬件连接

如图4.1所示，单片机与GSM模块的硬件连接TC35I的数据接口采用串行异步收发，数据接口配置为8位数据位、16位停止位、无校验位，可以在300-115×103bps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STC89C52RC芯片工作在TTL点电平，所以在STC89C52RC芯片和TC35I之间加入TI公式的电平转换芯片MAX232。实现串口通讯的功能。

3.12执行机构电路

如图3.2所示，本系统共有八路通过继电器通断实现对电器控制的执行机构电路。单片机管脚通过10K限流电阻与三极管基极相连，当相应的管脚呈高电平时，相对应的三极管导通，信号继电器线圈也就会通电吸合，从而实现家用电器的开关。当单片机管脚输出为低电平时，三极管失去导通电压关断，因为继电器线圈并联了一个续流二极管，所以此时继电器线圈产生的巨大的感应电流会通过续流二极管与线圈形成通路，最后电能全部在线圈上消耗，从而感应电流不会冲向三极管，因此可以保证电路的稳定性和可靠性。

3.2系统软件设计

3.21系统流程

本系统的软件部分由C语言编写，C语言有较好的移植性和可阅读行。首先对系统进行初始化，初始化包括串行通讯口的初始化，TC35I的初始化以及中断初始化。然后单片机对是否接受到短信指令和与传感器连接的I/O进行循环检测。当GSM接收到短信指令时，通过单片机的分析计算启动相应的电器，同时给用户发送操作成功的短消息，然后继续对传感器进行检测，如果传感器没有信号，则又返回继续对GSM是否接收到短信指令进行检测，就这样循环检测。当家里温度过高或发生险情时，软件调用中断服务程序，對三个传感器分别进行判断，然后进行相应的处理并完成对报警信息的发送。

3.22 AT指令

AT指令是以AT作首，字符结束的字符串。不论每个指令能不能成功执行，都必须有相应返回。均采用AT 指令对TC35I进行操作，它包含GSM短信及语音控制。指令的格式“AT+XXXX”，依据AT指令的GSM07.05标准，发送与接收中文或中/英文混合的短信息要用PDU 模式，Text模式只支持传递数字及英文信息。本系统要求应用Text模式。系统所使用的基本命令为：

（1）短消息的发送格式（0-PDU，1-文本）设置AT+CMGF=1；

（2）短消息（短消息内容为“OK”）AT+CMGS="15173236799"（用户电话）>OK^z（^z 表示OK+z）发送；

（3）设置本地的中心号码"AT+CSCA=+8613800732500（湘潭）"；

（4）短信息内容读取AT+CMGR=1；

（5）查询GSM网络状态“AT+CREG？”；

（6）短消息删除以防止溢出AT+CMGD=1；

4.总结

本文设计的智能家居系统是基于GSM网络通信技术，以单片机为控制核心，并辅以各种传感器以实现对家居远程控制以及智能化安全防范与监控。能够有效的保障人民生命财产安全，并给人们提供更加便捷，安全，时尚，先进的家居生活。