【摘要】介紹了一種基于GSM網絡的智能家居控制系統的功能、工作原理及實現。采用PIC單片機為系統控制核心，對家居中可能出現的意外情況用各種傳感器進行采集，利用GSM模塊的短消息收發功能，實現遠程安防監控和家電控制。
【關鍵詞】GSM；智能家居；單片機；遠程控制；短消息
0.引言
隨著生活水平的提高，人們對居住環境舒適與安全程度的要求越來越高，智能家居控制系統正日益成為家居產品中的一個熱點。但傳統的智能家居控制產品大部分是基于固定電話網或互聯網的，這就要求用戶家庭必須裝接固定電話或者互聯網，且線路易被破壞。而隨著現代通信技術和控制技術的飛速發展，以及手機的日益普及，基于GSM網絡的低成本無線智能家居控制系統將給廣大普通居民家庭生活方式帶來變革。
本文所介紹的基于GSM的智能家居控制系統采用GSM模塊進行短消息收發，以單片機為控制核心，進行信息反饋和遠程控制，可實現無線遠程報警和控制等功能。
1.系統結構及工作原理
該智能家居控制系統結構如圖1所示，主要由單片機、GSM短消息模塊、無線接收模塊、各類安防模塊(如溫度傳感器、防盜傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器等)、聲光報警模塊、電器開關控制模塊等組成。其工作原理：系統正常工作時，首先由單片機采集各安防傳感器模塊數據，如有異常(如發生火災、煤氣泄漏、被盜等)則在通過本地聲光電報警模塊發出聲光報警信號的同時，通過GSM模塊向用戶發送相應的報警信息。用戶收到報警信息，可通過回復相應的短消息，實現對家居設施的控制來進行一定的及時處理，如切斷家里總電源。在沒有異常情況時，用戶可以通過發送短消息來查詢和控制家中電器的狀態，比如查詢是否忘記關閉某個電源，或者回家前提前打開空調等。
圖1系統結構圖
2.系統硬件
2.1單片機控制模塊
智能控制器是該家居控制系統的核心，這里選用MicroChip公司的PIC 單片機16F628。該單片機CPU采用RISC結構，僅有35條單字節指令，采用Harvard雙總線結構，最高工作速度可達20MHz，內置高精度4MHz振蕩器和3個定時器，寬工作電壓范圍(2.0V到5.5V)，低功耗(當頻率為1MHz,電壓為2.0V時，典型值為120uA)，具有較大的輸入輸出直接驅動能力(可直接驅動LED)，采用高耐用性內存(10萬次寫操作)/EEPROM(100萬次寫操作)，數據保持期為40年，價格低，小體積。特別適用于用量大，檔次中低，價格敏感的產品。
2.2GSM模塊
GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊，具有發送SMS短消息，語音通話，GPRS數據傳輸等基于GSM網絡進行通信的所有基本功能。開發人員可使用ARM或者單片機通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現各種無線通信功能。
GSM模塊的廠家最早主要在國外，包括西門子、Wavcom、Sagem等；隨著國內的技術進步，國內廠家如華為、Simcom、BenQ等模塊也開始逐漸成熟起來。本系統使用的是高性價比的Wavecom公司的Q2403A模塊。Q2403A支持EGSM900/GSM1800雙頻段，可以通過SMS、CSD或是GPRS進行數據收發，以及處理語音通訊。Q2403A結構相當緊湊，經過封裝后的體積只有58.3×32.2×3.9mm，可以方便地嵌入各種系統中進行開發。其它主要性能及參數如下：直接AT指令控制；輸出功率(EGSM900時2W, GSM1800時1W)；輸入電壓 2.8-3.6V；重量 18.5g(包括外殼)；環境溫度 -30°C—+75°C（工作溫度）/-40°C—+85°C（存放溫度）；CSD狀態下最大速率9.6kbps；60pin接口，包括電源、3V SIM卡、RS232接口、語音/ MMCX天線接口。
2.3無線接收模塊
本系統中用來接收無線安防傳感器模塊信號的無線接收模塊選型為超外差無線接收模塊 J05U。它是一款特小體積，超低功耗，高靈敏度和穩定性的OOK / ASK超外差接收模塊，工作在315.0MHz~433.92MHz頻段，具有較寬的工作溫度范圍和較寬的電壓范圍(2.1-5.5V，推薦3V或者 5V）。芯片指標符合歐洲或北美管理標準。可廣泛應用于工業和民用測控領域。其它性能或參數：數據速率最高10字節/秒；接收靈敏度-112dBm (ASK 2 Kb/s)；數據接口為DATA串口數據；系統啟動時間為5mS；天線形式為外接20Cm天線；參考距離為300米(配10mW發射加天線，PT2262 編碼/2272解碼，開闊地)；模塊尺寸：20X11X6mm（長X 寬 X厚）。
2.4電器開關控制
本系統采用MOS場效應管輸出高電壓固態光電繼電器KAQY212SE作為由GSM短消息控制的家用電器多路控制開關輸出耦合接口器件，以實現系統輸出與家用電器電源控制的物理隔絕，實現弱電信號對高電壓、大電流及高功率的電氣設備的控制。
2.5系統電源
本系統主電源采用鋰離子電池充電器HYM4054，它是一款完整的單節鋰離子電池用恒定電流/恒定電壓線性充電器，其ThinSOT 封裝與較少的外部元件數目使得HYM4054為便攜式應用的理想選擇。由于系統采用了150mA低噪聲LDO穩壓器MIC5205進行保護，因此在使用外接2~12V直流電源對充電器進行充電時，即使極性接反也不會對系統造成損傷，大大提高了系統的安全性。
2.6安防無線傳感器模塊及聲光電報警模塊
該系統中所用安防無線傳感器模塊及聲光電報警模塊可以直接選用目前市場上比較成熟的定型產品，但要注意其工作頻率應與無線接收模塊J05U兼容，即315.0MHz。根據用戶家居的實際需要，可在無線門磁、紅外探測器、煤氣探測器、煙霧探測器等眾多無線傳感器模塊中隨意選擇和搭配，實現防盜、防火、防煤氣等功能，構成全面的家居安防系統。
3.系統軟件設計
本系統軟件設計主要可分為2個模塊。
3.1無線通信模塊
本模塊主要負責短消息的發送與接收。短消息的收發是通過向串口發送AT指令集來實現的。AT指令集是GSM模塊與嵌入式計算機之間的通信協議。根據AT指令的GSM07.05標準，發送和接收中文或中/英文混合的短消息必須采用PDU模式，Text模式只支持傳送英文及數字信息。PDU模式的編解碼過程復雜，本系統使用Text模式即可滿足系統功能需求。模塊的通訊全部采用AT+XXXX完成。發送短消息的基本命令如下。
3.1.1設置短消息發送格式(0-PDU，1-文本)AT+CMGF=1；
3.1.2發送短消息(短消息內容“hello”)
AT+CMGS=”13645541221”>hello^z(^z表示ctrl+z)；
3.1.3列出所有的短消息
AT+CMGL=“ALL”；
3.1.4讀取短消息內容(假設INDEX=5)
AT+CMGR=5。
3.2監測與控制模塊
本模塊主要完成對信號的檢測，在滿足條件時產生中斷。在中斷服務程序中，生成報警短消息并調用發送短消息函數，將報警信息發送給用戶手機中。控制模塊根據接收到的短消息內容，發送相應的控制信號給控制器。
整個系統的程序流程圖如圖2所示。圖2 系統程序流程圖
4.結束語
本設計以GSM網絡通信技術和單片機控制功能為主，實現了對家居環境及設施的遠程監控。整個系統具有體積小、成本低、功耗低、功能實用、實現簡單、操作簡單、安全可靠、適用范圍廣等特點，不僅可用于居民住宅，也可以用于對倉庫、廠房、各類大棚等地方進行遠程監控，因此具有廣泛的應用前景。■
【參考文獻】
［１］林添成.基于GSM的遠程家居控制系統[J] .裝備制造技術,2010.5:75-76.
［２］施自華，伍臣周，余晃晶.基于GSM的智能家居系統設計與實現[J].2010.8(27):341-344.
［３］蘇江福.基于GSM網絡的智能家居監控系統設計與實現[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.
［４］盧伯英.PIC單片機基礎與傳感器應用[M].北京:科學出版社,2010.
【關鍵詞】GSM；智能家居；單片機；遠程控制；短消息
0.引言
隨著生活水平的提高，人們對居住環境舒適與安全程度的要求越來越高，智能家居控制系統正日益成為家居產品中的一個熱點。但傳統的智能家居控制產品大部分是基于固定電話網或互聯網的，這就要求用戶家庭必須裝接固定電話或者互聯網，且線路易被破壞。而隨著現代通信技術和控制技術的飛速發展，以及手機的日益普及，基于GSM網絡的低成本無線智能家居控制系統將給廣大普通居民家庭生活方式帶來變革。
本文所介紹的基于GSM的智能家居控制系統采用GSM模塊進行短消息收發，以單片機為控制核心，進行信息反饋和遠程控制，可實現無線遠程報警和控制等功能。
1.系統結構及工作原理
該智能家居控制系統結構如圖1所示，主要由單片機、GSM短消息模塊、無線接收模塊、各類安防模塊(如溫度傳感器、防盜傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器等)、聲光報警模塊、電器開關控制模塊等組成。其工作原理：系統正常工作時，首先由單片機采集各安防傳感器模塊數據，如有異常(如發生火災、煤氣泄漏、被盜等)則在通過本地聲光電報警模塊發出聲光報警信號的同時，通過GSM模塊向用戶發送相應的報警信息。用戶收到報警信息，可通過回復相應的短消息，實現對家居設施的控制來進行一定的及時處理，如切斷家里總電源。在沒有異常情況時，用戶可以通過發送短消息來查詢和控制家中電器的狀態，比如查詢是否忘記關閉某個電源，或者回家前提前打開空調等。
圖1系統結構圖
2.系統硬件
2.1單片機控制模塊
智能控制器是該家居控制系統的核心，這里選用MicroChip公司的PIC 單片機16F628。該單片機CPU采用RISC結構，僅有35條單字節指令，采用Harvard雙總線結構，最高工作速度可達20MHz，內置高精度4MHz振蕩器和3個定時器，寬工作電壓范圍(2.0V到5.5V)，低功耗(當頻率為1MHz,電壓為2.0V時，典型值為120uA)，具有較大的輸入輸出直接驅動能力(可直接驅動LED)，采用高耐用性內存(10萬次寫操作)/EEPROM(100萬次寫操作)，數據保持期為40年，價格低，小體積。特別適用于用量大，檔次中低，價格敏感的產品。
2.2GSM模塊
GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊，具有發送SMS短消息，語音通話，GPRS數據傳輸等基于GSM網絡進行通信的所有基本功能。開發人員可使用ARM或者單片機通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現各種無線通信功能。
GSM模塊的廠家最早主要在國外，包括西門子、Wavcom、Sagem等；隨著國內的技術進步，國內廠家如華為、Simcom、BenQ等模塊也開始逐漸成熟起來。本系統使用的是高性價比的Wavecom公司的Q2403A模塊。Q2403A支持EGSM900/GSM1800雙頻段，可以通過SMS、CSD或是GPRS進行數據收發，以及處理語音通訊。Q2403A結構相當緊湊，經過封裝后的體積只有58.3×32.2×3.9mm，可以方便地嵌入各種系統中進行開發。其它主要性能及參數如下：直接AT指令控制；輸出功率(EGSM900時2W, GSM1800時1W)；輸入電壓 2.8-3.6V；重量 18.5g(包括外殼)；環境溫度 -30°C—+75°C（工作溫度）/-40°C—+85°C（存放溫度）；CSD狀態下最大速率9.6kbps；60pin接口，包括電源、3V SIM卡、RS232接口、語音/ MMCX天線接口。
2.3無線接收模塊
本系統中用來接收無線安防傳感器模塊信號的無線接收模塊選型為超外差無線接收模塊 J05U。它是一款特小體積，超低功耗，高靈敏度和穩定性的OOK / ASK超外差接收模塊，工作在315.0MHz~433.92MHz頻段，具有較寬的工作溫度范圍和較寬的電壓范圍(2.1-5.5V，推薦3V或者 5V）。芯片指標符合歐洲或北美管理標準。可廣泛應用于工業和民用測控領域。其它性能或參數：數據速率最高10字節/秒；接收靈敏度-112dBm (ASK 2 Kb/s)；數據接口為DATA串口數據；系統啟動時間為5mS；天線形式為外接20Cm天線；參考距離為300米(配10mW發射加天線，PT2262 編碼/2272解碼，開闊地)；模塊尺寸：20X11X6mm（長X 寬 X厚）。
2.4電器開關控制
本系統采用MOS場效應管輸出高電壓固態光電繼電器KAQY212SE作為由GSM短消息控制的家用電器多路控制開關輸出耦合接口器件，以實現系統輸出與家用電器電源控制的物理隔絕，實現弱電信號對高電壓、大電流及高功率的電氣設備的控制。
2.5系統電源
本系統主電源采用鋰離子電池充電器HYM4054，它是一款完整的單節鋰離子電池用恒定電流/恒定電壓線性充電器，其ThinSOT 封裝與較少的外部元件數目使得HYM4054為便攜式應用的理想選擇。由于系統采用了150mA低噪聲LDO穩壓器MIC5205進行保護，因此在使用外接2~12V直流電源對充電器進行充電時，即使極性接反也不會對系統造成損傷，大大提高了系統的安全性。
2.6安防無線傳感器模塊及聲光電報警模塊
該系統中所用安防無線傳感器模塊及聲光電報警模塊可以直接選用目前市場上比較成熟的定型產品，但要注意其工作頻率應與無線接收模塊J05U兼容，即315.0MHz。根據用戶家居的實際需要，可在無線門磁、紅外探測器、煤氣探測器、煙霧探測器等眾多無線傳感器模塊中隨意選擇和搭配，實現防盜、防火、防煤氣等功能，構成全面的家居安防系統。
3.系統軟件設計
本系統軟件設計主要可分為2個模塊。
3.1無線通信模塊
本模塊主要負責短消息的發送與接收。短消息的收發是通過向串口發送AT指令集來實現的。AT指令集是GSM模塊與嵌入式計算機之間的通信協議。根據AT指令的GSM07.05標準，發送和接收中文或中/英文混合的短消息必須采用PDU模式，Text模式只支持傳送英文及數字信息。PDU模式的編解碼過程復雜，本系統使用Text模式即可滿足系統功能需求。模塊的通訊全部采用AT+XXXX完成。發送短消息的基本命令如下。
3.1.1設置短消息發送格式(0-PDU，1-文本)AT+CMGF=1；
3.1.2發送短消息(短消息內容“hello”)
AT+CMGS=”13645541221”>hello^z(^z表示ctrl+z)；
3.1.3列出所有的短消息
AT+CMGL=“ALL”；
3.1.4讀取短消息內容(假設INDEX=5)
AT+CMGR=5。
3.2監測與控制模塊
本模塊主要完成對信號的檢測，在滿足條件時產生中斷。在中斷服務程序中，生成報警短消息并調用發送短消息函數，將報警信息發送給用戶手機中。控制模塊根據接收到的短消息內容，發送相應的控制信號給控制器。
整個系統的程序流程圖如圖2所示。圖2 系統程序流程圖
4.結束語
本設計以GSM網絡通信技術和單片機控制功能為主，實現了對家居環境及設施的遠程監控。整個系統具有體積小、成本低、功耗低、功能實用、實現簡單、操作簡單、安全可靠、適用范圍廣等特點，不僅可用于居民住宅，也可以用于對倉庫、廠房、各類大棚等地方進行遠程監控，因此具有廣泛的應用前景。■
【參考文獻】
［１］林添成.基于GSM的遠程家居控制系統[J] .裝備制造技術,2010.5:75-76.
［２］施自華，伍臣周，余晃晶.基于GSM的智能家居系統設計與實現[J].2010.8(27):341-344.
［３］蘇江福.基于GSM網絡的智能家居監控系統設計與實現[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.
［４］盧伯英.PIC單片機基礎與傳感器應用[M].北京:科學出版社,2010.
