远程温控系统的设计及实现.docx
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远程温控系统的设计及实现
本科学年论文(设计)
学院、系电子信息工程学院电子系
专业名称电子信息科学与技术
年级2008级
学生XXX雪
指导教师李全虎
远程温控系统的设计与实现
摘要:
本文介绍基于GSM网络实现对供暖系统远程控制的方案设计。
本方案以用户发出的SMS短信息为指令,在西门子TC35—GSM通信模块接收到用户所发的信息后通过单片机AT89S51分析所接收到的信息,然后对执行电路做出相应的操作,由此实现对温控系统的远程控制。
关键词:
远程控制,GSM网络,协议转换,AT指令
1、引言
目前我们国家采取暖气供暖的供热方式,虽然其覆盖X围很广但利用电加热器的供热方式依然是一种重要的补充。
电加热器具有能源供应快捷,温度安全,便于安装维护,无污染等优点。
这些优点确实给广大用户带来了很多方便,然而就目前市场上的电加热产品还没有支持远程操作、控制的功能。
对于用户而言,不能随时随地地对电加热器进行控制会带来很多麻烦,如浪费能源或者酿成火灾。
由此,远程控制系统对于用户来说是很有必要的。
本文就是介绍一种基于GSM网络来实现远程控制的设计。
本设计是利用西门子TC35—GSM通信模块在单片机AT89S51的控制下,来实现远程控制。
当通信模块收到用户发送的短消息后,通过AT89S51对消息进行分析并做出相应的控制行为,最终实现远程控制的目的。
当用户需要对远程设备进行开启、关闭或其他操作时,只需要对目标发送一条相应的控制命令短信即可,操作简单,使用方便。
2、系统工作原理
远程温控系统主要包括TC35—GSM通信模块、单片机AT89S51、温度传感器,继电器及相关电路。
系统结构如图1所示。
其中TC35—GSM通信模块的功能是接受用户的命令短信和向用户发送反馈信息。
单片机AT89S51是系统的核心部件,其功能是完成对信息内容的分析并更具内容控制相关器件完成对应的操作。
温度传感器是负责采集温度,将温度数据传送给单片机AT89S51使单片机做出相应操作以达到用户的温度要求。
图1系统结构图
3、单片机控制短信收发的原理
3.1串口控制SMS的工作原理
单片机与手机一般采用串行异步通信接口,具有红外和通信电缆两种连接方式,通信速度可设定,通常为19200bps。
采用红外接口的优点是单片机系统与手机电气隔离,相互不干扰,接口各自独立,使用方便;缺点是通信距离较短,红外传播的方向性对接口相对位置有要求。
采用电缆连接时,数据传输的可靠性较好;其主要缺点是接口的电气参数不兼容,设计不当时会对手机的通信质量产生影响。
GSM的短信息业务SMS(ShortMessageService)利用信令信道传输,这是GSM通信网所特有的。
它不用拨号建立连接,把要发的信息加上目的地址发送到短信息服务中心,经短消息服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。
所以当目的GSM终端没开机时信息不会丢失。
每个短消息的信息量限制为140字节。
现在市场上大多数手机均支持GSM07.05规定的AT指令集。
该指令集是ETSI(欧洲通信技术委员会)发布的,其中包含了对SMS的控制。
利用GSM手机的串行接口,单片机向手机收发一系列的AT命令,就能达到控制手机收发SMS的目的。
ETSI的GSM07.05中用于SMS收发控制的主要AT命令见表1。
GSM07.05
Function(功能)
ATE0
RESET
T+CSMS
选择短信息服务
T+CPMS
选择短信息内存
T+CMGF
选择短信息格式
AT+CSCA
短信息中心地址
AT+MI
短消息到达自动提示指令
T+CMGR
读短信息
T+CMGS
发送短信息
T+CMGL
列出SIM卡中短信息
T+CMSS
从SIM内存中发短信息
T+CMGW
向SIM内存中写入待发短信息
T+CMGD
删除SIM内存中的短信息
AT+CSCB
选择蜂窝广播信息
表1主要AT指令集
GSM手机通过异步通信接口实现对SMS的控制共有三种接入协议:
BlockMode;基于AT命令的TextMode;基于AT命令的PDUMode。
PDU模式是发送或接收手机SMS信息的一种方法,短信息正文经过十六进制编码后被传送。
目前,PDUMode应用最为广泛,基本上全国所有的电信局都提供支持PDUMode的短消息业务。
有些地址则不支持TextMode和BlockMode,这就限制了这两种接入协议的应用,而且PDUMode已有取代BlockMode的趋势。
为了保证系统具有广泛的适用性,本文采用PDU模式收发SMS。
PDU相当于一个数据包,它由构成消息(SMS)的信息组成。
作为一种数据单元,它必须包含源/目的地址、保护(有效)时间、数据格式、协议类型和正文,正文长度可达140字节,它们都以十六进制表示。
PDU结构根据短消息由移动终端发起或以移动终端为目的而不同。
当由移动终端发起时,PDU的格式为:
SMSC
PDU类型
MR
DA
PID
DCS
VP
UDL
UD(0-140octed)
当以移动终端为目的时,PDU的格式为:
SMSC
PDU类型
OA
PID
DCS
SCTS
UDL
UD(0-140octed)
其中,SMSC为短消息业务中心地址,DA/OA为源/目的地址,PID为协议识别,DCS为数据编码,UDL为用户数据长度,UD为用户数据,VP为有效时间,MR指明是发出信息,SCTS指明短消息到达业务中心的时间。
3.2PDU格式下短信息的接收
根据设置不同,手机将收到的短消息保存在缓存单元或存入SIM卡,单片机从手机中接收短消息实质上就是从SIM或缓存中读出信息。
这主要利用AT+CMGR和AT+CMGL两条指令来完成,其工作过程见图2。
由于不同的厂商对AT指令集的解释代码和响应信息不一样,所以单片机首先要确认能否与手机建立起通信,一般用ATE指令完成此确认;然后用AT+CMGF指令选定短消息的数据格式;在收到手机的正确回答反以AT指令完成读出功能。
一般用AT+CMGL读取以前的信息,在收到手机的RING(振铃)数据时,用AT+CMGR读取实时信息。
单片机发送和接收均为ASCII码。
操作过程如下({}内为注释):
发送:
ATE
手机回答:
OK{已建立联接}
发送:
AT+CMGF=0{选用PDU格式}
手机回答:
OK{允许选择PDU格式}
发送:
AT+CMGL=2{列出已有的短信息}
手机回答:
+CMGL:
1,2,24{1表示信息个数,2表示未发信息,24表示信息总容量}
0D105F004000D208F802632184CF682D95E0DC2B36D3D170A0243106933D97A0243106933D97A02451068B1983492608
OK
以上这组PDU格式的十六进制字符串,不但包含了短消息的内容,同时包含了发送者的手机、短信息中心、短消息发送时间等。
下面对信息内容进行分析:
0D:
短信息中心地址()长度。
91:
短信息中心类型,91是TON/NPI。
TON/NPI遵守International/E.164标准,指在前需加'+'号;此外还可为其他数值,但91最常用。
5F0:
SMSC短信息所使用的服务中心。
它经过十六进制以字节为单位的高低半字节换位处理,是奇数的添F,构成一个HEX字节。
04:
PDU类型,文件头字节。
0B:
主叫长度。
81:
主叫类型。
3179133208F1:
0A主叫,也经过了处理,实际为。
00:
PID,为协议标识。
00:
DCS短信息编码类型是GSMDefaultAlphabet,即由7位ASCII码移位组成8位十六进制码(octet),其方法见表2。
1sthex
B0
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
2sthex
C1
C0
B6
B5
B4
B3
B2
B1
3sthex
D2
D1
D0
C6
C5
C4
C3
C2
4sthex
E3
E2
E1
E0
D6
D5
D4
D3
5sthex
F4
F3
F2
F1
F0
E6
E5
E4
6sthex
G5
G4
G3
G2
G1
G0
F6
F5
7sthex
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
G6
表2GSMDefaultAlphabet编码类型
380:
SCTS短信息发送时间,02/06/08/14:
00:
33.08。
26:
UDL经处理后的8位码(octet)短信息字节长度,它小于消息ASCII码的长度。
32184CF682D95E30DC2B36D3D170A0243106933D97A0243106933D97A02451068B1983492608:
UD编码后的PDU数据,短信息内容“2002/06/08/13:
48ID102OKID103OKID201FAIL”。
3.3短消息的发送
与接收短信息一样,发送时也要先建立联接,传送一些初始化指令,然后发送短消息内容。
下面是发送一个短信息的例子,内容为:
“2002/06/08/13:
48ID102OKID103OKID201FAIL”。
其ASCII码为:
32030322F30362F30382F31333AF4B34F4B94C20。
发送:
ATE{请求建立联接}
手机回答:
OK{已建立联接}
发送:
AT+CMGF=0{选择PDU模式}
手机回答:
OK
发送:
AT+CSMS=0{检测手机是否支持SMS命令}
手机回答:
OK
发送:
AT+CMGS=52{发送短信息,52octets(不包括最初9个
元字节)}
手机回答:
>{允许上传数据,ASCII码是($20H,$2EH)}
发送:
01305F011000B8F10000AA2632184CF682D95E30DC2B36D3D170A0243106933D97A0243106933D97A02451068BA
不计最初9个短消息信元字节,本短信息有52字节(104个字符)。
AT+CMGS仅说明了SMSC信息内容的长度,在收到手机回答的>符号手才发送PDU数据串,并以(CTRL^Z)结束。
PDU数据串的内容说明如下:
08:
短信息信元SMSC(短信息中心)的字节长度。
91:
短信息中心类型,91表明中心是国际通用。
5F0:
短信息中心:
00。
11:
PDUSMS发送的文件头字节。
这里11指正常发送
00:
信息类型。
这里00指让手机自动加上主叫。
0B:
被叫长度。
81:
被叫类型。
3179133208F1:
被叫。
00:
协议标识。
00:
短信息编码类型是GSMDefaultAlphabet。
AA:
短信息被保留的时间为4天,其计算方法依照表3。
VP值
短信息被保留时间长度
0-143
(VP+1)×5分钟
144-167
144~16712时+(VP-143)×30分
168-196
168~1961天×(VP-166)
197-255
197~2551周×(VP-192
表3保留时间计算方法
26:
PDU格式短信息编码后字节长度。
32184CF682D95E30DC2B36D3D170A0243106933D97A0243106933D97A02451068B1983492608:
编码后的PDU数据,短信息内容为“2002/06/08/1348ID102OKID103OKID201FAIL”。
1A:
ASCII码CTRL^Z:
报文结束标志。
4、应用控制协议
应用控制协议控制信息的传输是通过GSM的短消息信道,而每条短消息的内容长度不得超过140Byte,因此要求所传输的信息必须小于140Byte。
根据本设计的要求可以设定如表4所示的应用控制协议。
SMS内容
功能描述
ON,WD
开启加热器,使室温达到WD
CX
查询室温
OFF
关闭加热器
表4控制协议
5、远程温控系统设计
5.1TC35芯片
TC35是Siemens公司推出的无线通信GSM模块,可以快速安全可靠的实现系统方案中的短消息服务。
此外,该模块还具有薄、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。
该模块主要有射频天线、内部Flash、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIP插座组成。
其电路图如图3所示。
1-5脚提供3.3-3.5V峰值2A的直流电源;6-10脚接地;15脚为点火信号,可以通过软件启动模块;16-23脚是RS232串口的功能引脚,18、19脚分别为发送RXD和接收TXD引脚;24-29脚对应的是SIM卡的引脚;32脚为指示灯引脚,当未插入SIM卡或40脚的电缆没有接好或者模块正在入网时,指示灯处于闪亮状态,亮600ms灭600ms,当模块登陆网络时,指示灯亮75ms灭3s。
5.2AT89S51芯片
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89S51的引脚图如图4所示。
1-8脚为P1口,P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流,在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收;9脚为复位输入端,高电平有效,当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间;10-17为P3口,P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
P3口除了作为普通I/O口,还有第二功能;18脚和19脚分别为片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端和片内振荡器反相放大器的输出端;21-28为P2口,P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号;29脚为外部程序存储器的选通信号,低电平有效;30脚为地址锁存允许/编程脉冲信号端;31脚为外部程序存储器访问允许信号端;32-39为P0口,P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
图3AT35引脚图图4AT89S51引脚图
5.3整体电路
远程温控系统电路的设计主要是AT89S51与TC35的连接,其电路如图5所示。
图5系统整体电路
5.3控制软件设计
基于GSM信息传输的控制系统软件主要由两大核心部分组成:
(1)用AT指令实现的控制终端与AT89S51之间的通信控制。
这部分完成GSM模块与AT89S51之间的通信控制和数据传输,通过AT指令中的AT+MI的设置,GSM模块收到短消息后将自动反馈给单片机加以处理.其程序设计流程如图6。
(2)短消息数据处理与应用控制模块。
这部分分为两个线程进行处理,一个线程接收来自GSM模块的数据,然后按应用控制协议解码,获得控制信息,再将这些信息进行显示或控制相关的仪器设备,流程图如图7所示;另一个线程则监测室温状态,然后将状态信息按应用控制协议编码并发送给GSM模块,再由GSM模块通过无线的方式发送给用户,其流程图如图8。
开始
初始化并打开串口
N
重置波特率
N
N
参数的设置与手机
不匹配,重新检查
图6GSM与单片机之间的通信流程图
N
N
停止
图7接收信息流程
GSM模块通过GSM网络的
SMS信道发送给用户
N
停止
图8发送数据流程
6、结语
基于GSM网络的远程温控系统最大的优点在于用户可以实时远程操作,用户可根据不同时段的供暖要求灵活控制加热器的开闭,避免了回家之后居室冰冷的情况,也避免了居室在长时间无人情况下的加热器照常开放造成的能源巨大浪费,达到了有效节能的目的。
同理,本设计可应用于空调、热水器等家用电器的远程控制以实现其智能使用;通过增加湿度传感器、煤气等有毒气体检测传感器、烟雾传感器等来检测室内的环境状况,当出现异常情况时可通过短信的方式及时提示用户采取相应的措施,实现家居的智能化。
随着移动通信网络日益完善和手机不断普及,本设计所采取的控制方式具有良好的市场前景。
参考文献
1、林添成.基于GSM的远程家居控制系统[J].装备制造技术,2010,5
2、苏江福.基于GSM网络的智能家居监控系统设计与实现[D].XX:
XX工程大学.2008
3、宇孟涛.现代通讯新技术[M].XX电子科技大学.2001
4、吴晓庆,呼和牧仁.单片机控制GSM模块通信[J].XX科技与经济,2010,204
(2)
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- 远程 温控 系统 设计 实现