基于GSM和嵌入式系统的智能家电控制系统.docx

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基于GSM和嵌入式系统的智能家电控制系统

基于GSM和嵌入式系统的智能家电控制系统

题目GPRS无限通讯数据系统的设计与应用

姓名xxx

学号xxx

专业班级xxx

分院xxx

指导教师xxx

xxxx年xxx月xxx日

摘要

随着人们生活水平的不断提高，人们对智能家电的需求量与日俱增。

手机的普及，特别是手机短信的流行，使得利用GSM网络的短信收发技术完成远程家电控制得以实现，同时该技术还可避免传统的有线传输的弊端以及电话在紧急情况下一时占线无法接通的情况。

所以利用现有的GSM网络资源，发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为人们提供一种便捷的远程家电控制方式，必将成为远程监测及控制领域的发展趋势。

本设计介绍了基于GSM网络的短信模块与嵌入式系统相结合的用于远程控制的智能家电控制系统，这是GSM网络与嵌入式系统在远程控制领域中的新应用。

设计中ARM微处理器采用LPC2131芯片,它是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU,具有运算速度快,功耗低等优点。

通过对GSM模块接收到的手机短信进行采样，分析，处理进而做出相应的动作，并通过GSM模块反馈给手机用户一个动作信息——从而实现用户对家电进行远距离的控制。

另外,用户还可以通过手机短信察看家电当前的工作状态（开启或关闭），以做出相应的处理，实现了用户与家电之间的对话。

关键字:

GSM模块嵌入式系统LPC2131继电器家电控制

Abstract

Alongwiththelivingstandardenhancing，peoplepaymoreandmoreattentiontothecontroloftheintelligentelectricalappliances.Withthepopularizationofthemobilephone,espe-ciallyoftheshortmessage,itiscapabletocontroltheelect-

ricalappliancesthroughthetechnologyofshortmessagerec-

eivingandsendingawayfromhome.What’smore,itcanavoidthemalpracticeofthetraditionalwiredtransmissionaswellasthesituationthatthelineisunabletoputthroughintheemergencycase.ThereforeusingtheexistingGSMnetworkresources,givingplaytoitshighnetworkcoverageandthecharacterofgoodtransmission,providesaconvenientwayofwirelessdatatransmissionforus,itmustbethetendencyofthelong-distancedetectingandcontroldomain.

Thisdesignintroducesasystemoflong-distanceelectri-calappliancesbasedonGSMnetworkandtheARMprocessor.Thisisanewapplicationinthelong-distancecontroldomainthroughtheGSMnetworkandembeddedsystem.

WeapplyLPC2131chip,whichsupportsthesimulationofrealtimeandtheembeddedtrackingastheARMmicro-proc-essor,itisaARM7TDMI-SCPUof16/32bitwithhighspeedandlowpowerconsumption.TheARMprocessorsamples,an-alyses,anddealswiththeshortmessagethattheGSMmodulehasreceived.AndtheGSMmodulewillgivetheuseracorres-pondingmessage.Thusitrealizesthelong-distancecontrol.What’smoretheusercanalsocheckthelateststatusoftheelectricalappliances（toopenorclose）byshortmessage,inordertogivethepropercommand.Thusthesystemrealizesthecommunicationbetweentheuserandtheelectricalappliances.

Keywords:

GSMmodemEmbeddedsystemLPC2131SSR

Appliancescontrol

目录

摘要2

前言5

1.系统简介5

1.1系统概述5

1.2系统的构成6

1.2.1无线通信模块6

1.2.2嵌入式微处理器7

1.2.3开关控制电路8

2.系统组成8

2.1系统硬件部分8

2.1.1GSM数据收发模块9

2.1.2嵌入式系统控制板9

2.1.3开关控制电路.10

2.2系统软件部分11

2.2.1GSM模块控制指令12

2.2.2嵌入式系统软件设计12

3.系统特征与功能15

3.1主要特点:

15

3.2系统功能：

15

4.系统的应用情况及测量数据（实测）16

4.1系统的应用情况16

4.2测量数据17

5.系统开发的意义18

6.国内外相关技术的发展状况20

6.1基于GSM和嵌入式系统的智能家电控制技术的特点20

6.2国内外发展状况21

6.3技术对比23

7.结束语24

8.参考文献：

25

9.电路原理图：

26

附图1:

26

附图2:

27

前言

21世纪,科技以人为本,电子信息技术的发展渗透到人们生活的各个领域,为人们提供了舒适、便捷、安全的生活环境。

如果能设计一个高效率、低成本的智能家电远程控制系统,使人们能够在远离家庭的地方对家用电器进行控制,并能及时了解到家中的安全状态,将给普通居民的家庭生活带来诸多方便。

移动电话的普及与GSM网络的不断完善为此创造了有利条件。

本文主要选择移动电话作为通信平台进行远程控制及信息反馈，具有操作简单，实现方便快捷，运行费用低等特点，能有效满足用户对家电控制的需求，让用户真正体验高品质的生活，达到人与家电设备互联、人与信息互通。

1.系统简介

1.1系统概述

系统主要实现以下功能：

用户以短消息的形式发送控制信息，由GSM模块向微处理器发送数据将其唤醒，微处理器读取短消息内容，进行解码，并控制I/O端口输出高低电平，进而控制继电器的吸合或断开，完成对家电电源的控制，完毕后，将短消息从SIM卡中删除，以备接收新命令。

图1所示为整个系统的模块连接图。

图1系统的模块连接图

1.2系统的构成

1.2.1无线通信模块

GSM无线通信模块采用了西门子公司推出的TC35i模块，它可以提供快速安全可靠地数据、语音传输、短消息服务（ShortMessageService）和传真。

模块的工作电压为3.3V－5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W（900M）和1W（1800M）。

模块有AT命令集接口，支持Text模式和PDU模式的短消息。

此外，该模块还具有电话簿、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。

为降低功耗我们采用的是省电模式。

独特的40引脚ZIF连接器，实现了电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。

通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。

TC35i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2）。

基带处理器作为TC35i的核心，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。

图2TC35i模块组成图

1.2.2嵌入式微处理器

在本控制系统中，嵌入式微处理器是主控单元，起着核心作用。

一方面负责接收采集的数据以及对下端控制信号的传输；另一方面还要负责将收到的数据进行解码分析，通过串口与GSM通信模块进行通信。

通过综合比较，我们选择了PHILIPS生产的ARM7TDMI-S核LPC2131。

与单片机相比，它的运算速度快，稳定性高，便于升级，具有单片机的所有功能，而且性价比较高。

LPC2131采用64脚封装，具有极低的功耗，两个32位定时器，4路捕获/比较通道;1个8路10位A/D转换器、PWM输出以及多个外部中断;具有8KB片内静态RAM，32KB片内FLASH程序存储器，FLASH编程时间1ms可编程256字节，擦除整片只需400ms；内部具有SPI、UART等众多外围部件，功能强大;3.3V系统电源，内部时钟调整，拥有空闲和掉电低功耗模式；通过外部中断可将处理器从掉电模式中唤醒;外设功能可以单独使用/禁止，实现功耗最优化；片内PPL允许CPU以最大速度运行，可以在不超过整个晶振操作范围的情况下使用。

1.2.3开关控制电路

开关控制电路由晶体管、二极管、继电器等构成。

继电器是该控制系统的执行机构，选用JGX-1F型继电器，它是采用固态半导体元件组装而成的一种新颖的无触点开关，具有开关速度快、工作频率高、使用寿命长、噪声低和动作快等优点，符合我们对电路的要求。

电路中晶体管起到放大驱动作用。

2.系统组成

2.1系统硬件部分

系统硬件主要由GSM数据收发模块、嵌入式系统控制板、开关控制电路等部分构成。

2.1.1GSM数据收发模块

GSM数据收发模块采用了西门子公司的TC35i模块，该模块功能强大，能够进行语音传输、数据传输等，并且获得我们国家的通信入网证。

主要由TC35i芯片、SIM卡、接口电路、天线等组成。

其电路原理图如附图1所示。

在本设计中其主要功能是通过移动通信网络进行远程数据传输，完成短信息的接收与发送。

2.1.2嵌入式系统控制板

嵌入式系统控制板的核心是LPC2131芯片。

其主要功能是采集由TC35i模块传送来的数据、对设备进行控制、发送指令给GSM模块。

其电路原理图如附图2所示。

主要组成电路如下：

（1）电源电路:

为整个控制板进行供电。

LPC2131微控制器的内核和I/O口使用同一电源电压，只需单电源3.3V供电。

其具有独立的模拟电源引脚,为了降低噪声和出错机率,模拟电源与数字电源进行了隔离。

（2）复位电路：

由于ARM芯片的噪声容限低，复位电路使用电源监控芯片CAT1025JI-30，提高了系统的可靠性。

（3）系统时钟电路：

电路中使用外部11.0592MHz晶振，原因是可使串口波特率更精确，同时支持LPC2131微控制器内部PLL及ISP功能。

（4）JTAG接口电路：

在程序调试阶段进行仿真调试。

采用的是ARM公司提出的标准的20脚JTAG仿真调试接口。

（5）串口接口电路：

它是GSM模块与嵌入式控制板的沟通渠道，完成二者之间的数据传输。

使用SP3232E进行RS-232电平转换。

2.1.3开关控制电路

通过开关控制电路实现对家用电器供电电源的控制。

其电路原理图如图3所示。

图3开关控制电路

电路的输入口直接与控制板的输出I/O口相连，当I/O口输出高电平时，三极管导通，使继电器输入端有电流通过，形成通路，此时继电器吸合，家电的供电电源接通；同理，当I/O口输出低电平时电源断开。

并联二极管主要是为了保护晶体管等驱动元器件。

当图3中晶体管由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在晶体管的c、e两极间，将使晶体管击穿，并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，此值硅管约0.7V，从而避免击穿晶体管等驱动元器件。

开关控制电路的主要部分是继电器，本设计中继电器的选择主要从以下几个方面考虑。

（1）额定工作电压的选择。

继电器额定工作电压是继电器最主要的一项技术参数。

在使用继电器时，首先考虑所在电路（即继电器线圈所在的电路）的工作电压。

所在电路的工件电压不能超过继电器额定工作电压，否则继电器线圈容易烧毁。

一般所在电路的工作电压是继电器额定工作电压的0.86倍。

（2）触点负载的选择：

触点负载是指触点的承受能力。

继电器的触点在转换时可承受一定的电压和电流。

在使用继电器时，应考虑到加在触点上的电压和通过触点的电流不能超过该继电器的触点负载能力。

（3）继电器线圈电源的选择：

本设计采用电子线路，而电子线路往往采用直流电源供电，所以我们采用的是线圈电源是直流电压的继电器。

2.2系统软件部分

系统软件设计包括GSM模块控制指令的应用、嵌入式系统软件设计等。

2.2.1GSM模块控制指令

使用TC35i收发短信息，用户必须准备一张已开通短信息服务的SIM卡，并将其插入SIM卡座中。

GSM模块控制指令非常多，它对AT指令集进行了扩展，分为标准AT指令，扩展指令、扩展的FAX指令、短消息指令等。

下面只介绍常用的短消息指令。

AT：

测试AT命令

AT+CMGF=1：

设置短消息格式为文本格式

AT+CMGS=接收方号码:

发送短消息

AT+CMGR=n：

读第n条短消息

AT+CMGD=m：

删除第m条短消息

在Text模式下可进行GSM字符集与8Bit数据的收﹑发等操作，但不支持中文或UCS2字符集字符的收发操作，在PDU模式下可支持上述所有操作，但需要对收发PDU数据格式进行编码、解码，过程较复杂。

在本设计中用户的控制短信格式为密码加1x2x（x为O/C），使用Text模式已经足够，界面简单明了，同时减轻了用户中文短信按键的繁琐。

2.2.2嵌入式系统软件设计

如前所述，设备终端我们采用了PHILIPS公司生产的EASYARMLPC2131，其微控制器LPC2131是一个基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有32kB嵌入的高速Flash存储器。

128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。

对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

   ARM端控制部分的编程实现主要是以下几个方面：

（1）主程序开始要对TC35i模块进行初始化，设置Text格式。

检测TC35i模块与控制板之间能否正常通信；设置通用I/O端口控制寄存器，对I/O端口进行初始化；设置异步串口通信方式，设置波特率为9600bps，串行传输数据格式为一个停止位，8个数据位，无奇偶校验位。

（2）设置UART1为接收中断。

接收从TC35i模块传回的数据。

（3）读取短消息。

采用中断方式检测有无消息到来，并且判断数据是否正确和安全。

有短消息到来，发送AT指令读取并接收短消息。

（4）提取有用信息。

由于模块返回给微处理器的信息带有不同的头信息，和以ok/error结尾的信息，所以要提取信息部分以做处理。

提取发送方的号码、短消息正文、系统密码及控制信息。

（6）检测系统密码是否正确，决定是否执行控制信息内容。

（7）改变I/O口状态。

通过改变I/O口状态，可以控制开关电路的通断，进而控制家电电源的通断。

（8）发送消息子程序。

根据控制信息要求，有时要通过短消息的形式返回I/O口状态给用户。

程序流程图如下：

图4程序流程图

3.系统特征与功能

3.1主要特点:

1.应家庭智能化的要求，提出了基于LPC2131芯片和TC35i的家庭智能终端控制系统，突破了利用8位单片机构建智能终端的种种限制，保证了系统的可靠性和稳定性。

2.在家庭智能终端系统上借助于公共移动通信网络进行远程控制和数据传输，与使用专门无线电波段及设备、或者架设专线进行远程控制和数据传输，可以节约成本，有非常大的优势。

3.在家庭智能终端研究方面，很多系统采用PC机作为家庭智能终端，这样就需要每个家庭都配有一台PC机，并且要有一个固定的IP地址，这一方案在使用成本和能源消耗方面有很大的缺陷，而本系统采用移动通信网可弥补这一缺陷。

综上所述，本系统具有造价低、可靠性高、不受地域限制、实现方便快捷、运行费用低，能达到人与家电设备互联、人与信息互通等特点，能有效满足用户信息、通信、自动控制等需求，让用户真正体验高品质的生活。

3.2系统功能：

本系统的主要功能是实现信息家电的远程控制。

所谓信息家电的远程控制，是指在家庭以外的范围内对家中的电器进行工作状态的控制（开或关）。

只要用户住宅在中国移动GSM网络的覆盖范围内，用户就可以在任何地点通过移动设备（手机）控制家电的通断并可获知当前的远行状态。

完成的主要功能如下：

控制家电的接通与断开，实时查询家电的状态，设有密码保护，防止非法控制。

系统借助于终端设备GSM通信模块TC35i,利用移动通信公司的短信息服务，对远端设备发送指令进行控制、状态查询。

远端设备以LPC2131为核心，对GSM模块收到的数据进行采集，分析，处理，根据收到的数据完成对被控设备的相应控制。

系统应用了计算机软件编程技术、硬件接口技术、自动控制技术，移动通信网络数据传输技术。

下面分别介绍各模块的主要功能：

1．TC35i模块的主要功能：

与用户进行通信，完成短信息的接收与发送。

2．LPC2131模块的主要功能：

是整个系统的核心，对通信模块进行数据采集，根据用户的需要控制家电的通断。

3．继电器部分的主要功能：

是系统的执行部件。

由LPC2131的高低电平控制继电器的吸合与断开，进而完成最终的控制。

4.系统的应用情况及测量数据（实测）

4.1系统的应用情况

近年来，短消息业务（SMS）作为GSM的一种增值服务，随着GSM网络覆盖范围的不断扩大，得到了迅速发展，它具有传输速度快，费用低，不占用语音通信通道等优点，因而在远程智能控制系统中得到了广泛的应用。

例如：

从2004年1月起韩国、日本已有好几家公司销售用一部手机直接遥控操作室内空调及电灯的开关，而且还可以通过互联网来控制各类家电运行的有关装置；2006年06月，海尔集团在国内率先推出了用于网络家电远程短信控制的“短信宝”，他们已与移动、联通、网通等电信运营商完成了有关技术协作，现已上市销售。

虽然信息家电产业发展的如火如荼，但目前国内外对信息家电技术的研究尚处于起步准备阶段，推出的大多是概念性演示性产品，功能比较简单，还有很大的开发空间。

随着网络技术和通信技术的突飞猛进，人们不仅对家居的自动化和信息化程度要求越来越高，而且对家用设备控制的灵活性以及对外信息获取的方便性提出了更高的要求。

这种基于GSM短信和嵌入式系统的远程操控模式大大拓展了家电的应用空间，具有人与家电设备互联、人与信息互通等特点，能有效满足用户信息、通信、自动控制等需求，让用户真正体验高品质的生活。

此项技术可广泛用于家庭，办公室等场所，方便用户对家用电器的远程控制，有很大的市场前景。

4.2测量数据

1．LPC2131：

开发板供电电压：

5V

P0.6口输出电压：

0~3.3VP0.7口输出电压：

0~3.3V

2．继电器：

输入电压：

3.62V~5V输出电压：

20V~220V

输入电流：

0~10A功率：

25W~1000W

3．TC35i供电电压:

3.3V~7V

4．LPC2131与TC35i的通信数据：

text格式命令：

at+cmgf=1

响应：

at+cmgf=1OK

读取短信息命令：

at+cmgr=1

响应：

at+cmgr=1OK

删除短信息命令：

at+cmgd=1

响应：

at+cmgd=1OK

发送短信息命令：

at+cmgs=13944223916

响应：

at+cmgs=13944223916

＞1c2o

5.系统开发的意义

嵌入式系统的开发与应用是近年来新兴的电子信息技术发展方向，可广泛应用于工业控制、仪器仪表、信息和通讯等领域，前景十分广阔。

嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。

因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。

近年来全球移动通信网（GSM）发展迅速,具有覆盖面广、功能强、用户多等特点，而GSM短信息服务是其提供的一项重要业务，具有快捷、方便、价格低廉的特点，使用用户颇多。

本设计将GSM短信息应用到嵌入式智能家电控制系统，综合二者之所长，具有费用低，操作简单，高可靠性和稳定性等特点。

家电自身的进化必定要进一步智能化，家电与外界的沟通必定要实现网络化。

这是家电发展的两个重要方向。

将短信息应用于嵌入式智能家电系统，可让智能家电更加智能化。

用户只要在GSM网络的服务区内，随时都可以知道家中各家用电器的工作状态,而且可以只发1条短信息就可以对家中电器进行远程控制，资费和普通的短信费用一样，没有额外的费用。

同时根据用户的需要决定是否发送反馈信息，这条反馈短信是家中的电器发给用户的，从而实现了人和家电的对话，从而给用户的生活和工作带来了极大的方便。

21世纪，科技以人为本，电子信息技术的飞速发展渗透到人们生活的各个领域，为人们提供了舒适、便捷、安全的生活环境。

本设计结构简单、价格低廉、通用性和实用性强，能够直接或者在稍作改进后用于诸如家庭、工厂等需要远程自动控制的场合。

随着网络技术的发展，家用电器也具有网络通信的功能，本系统还可以进行升级：

将各个家用电器连成网络，用1台PC机作为服务器，不同的家用电器之间可以协调工作，或者将PC机接入智能小区网或Internet网，对家用电器进行远程控制和远程故障诊断。

综上所述，本智能家电控制系统能够为人们提供更方便、更快捷的服务，营造相对稳定、安全、舒适的生活环境，提高家电控制自动化水平，具有很高的社会和经济意义。

6.国内外相关技术的发展状况

6.1基于GSM和嵌入式系统的智能家电控制技术的特点

本智能家电控制系统借助于GSM移动通信网络进行传输，它有着常规有线通信网络难以媲美的优点。

有线传输只适合于固定终端或计算机之间的通信，而GSM移动通信网络系统是通过无线电波来传送数据的，因而可实现更远距离的数据通信，使人们不受空间、地域的限制，随时随地获取所需的信息，此外它还具有保密性好、可靠性高、抗干扰能力强等特点，保证了数据传输的准确性和稳定性。

嵌入式系统是近年来新兴的技术。

它是以应用