基于GSM短消息實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】采用單片機(jī)STC89C52為控制核心、結(jié)合無(wú)線GSM短信模塊，從主控模塊的設(shè)計(jì)、主控模塊與各子功能模塊的連接、GSM通信模塊的設(shè)計(jì)、防盜部分、傳感器信號(hào)采集、電器控制、門(mén)窗控制等方面設(shè)計(jì)一個(gè)基于GSM短信息的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、環(huán)境狀況的監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】GSM 短信息 TC35 單片機(jī) 環(huán)境監(jiān)控

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）11C-0187-02

實(shí)踐教學(xué)是高職院校人才培養(yǎng)的重要組成部分，智能化的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控已經(jīng)成為各個(gè)高職院校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的熱議話題，成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，涉及通信技術(shù)、智能控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，為用戶提供全方位的多功能服務(wù)，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)管理?；诙滔?shù)據(jù)交換的技術(shù)，具有成本低和易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，這主要是因?yàn)槭÷粤司薮蟮木W(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資成本和維護(hù)費(fèi)用，將現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、傳輸特性好等優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式提供便利條件。

本文探討的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，是利用傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)采集信息，通過(guò)總線接口，利用GSM網(wǎng)絡(luò)短消息傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的智能無(wú)線監(jiān)控。

一、系統(tǒng)的工作原理和方案設(shè)計(jì)

（一）總體結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由主控模塊、功能模塊、SMS通信模塊、手機(jī)等部分組成。其中主控模塊通過(guò)SMS模塊與用戶的手機(jī)進(jìn)行通信。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

主控模塊與功能模塊組成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各控制模塊主要以單片機(jī)為控制核心完成控制工作。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)部分電路所起的作用和實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分。一是主控模塊。主控模塊是控制的核心，負(fù)責(zé)處理接收到的發(fā)送來(lái)各功能模塊信息，并控制有關(guān)信息發(fā)送給通信模塊的權(quán)限。并且對(duì)各功能模塊根據(jù)接收到的通信模塊信息進(jìn)行控制和操作。二是通信模塊。通信模塊是實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，實(shí)現(xiàn)主控模塊和手機(jī)用戶之間的通信，目的是完成對(duì)實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)距離控制。通信模塊接收到手機(jī)通過(guò)GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將SMS發(fā)送的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)后，傳輸給主控模塊，控制功能模塊進(jìn)行相關(guān)操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)通信模塊將通過(guò)主控模塊獲取的各功能模塊的信息傳送給手機(jī)。三是功能模塊。該模塊負(fù)責(zé)完成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智能化監(jiān)控的各項(xiàng)工作。根據(jù)所完成工作的功能不同，可以分為信息采集模塊和自動(dòng)控制模塊。采集模塊主要是采集各傳感器，門(mén)磁開(kāi)關(guān)，聲控開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。自動(dòng)控制模塊主要是執(zhí)行短信息發(fā)過(guò)來(lái)的指令，通過(guò)繼電器，電機(jī)等實(shí)現(xiàn)門(mén)窗控制和電器控制。

（二）系統(tǒng)功能。本文探討的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控主要是實(shí)驗(yàn)室電子設(shè)施的智能化，包括門(mén)窗控制、遠(yuǎn)程電器控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、安防報(bào)警等。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）主控模塊的設(shè)計(jì)。主控模塊選用了STC89C52單片機(jī)作為主控模塊，因?yàn)镾TC89C52與AT89C51完全兼容，可在線編程。具有8K的ROM和512B的RAM，而且有1K的EEPROM，基本上可以滿足一個(gè)中型監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求。而且STC89C52已集成有看門(mén)狗，這樣可以省下外部硬件看門(mén)狗部分，所以選擇AT89C52作為主控芯片。

在本系統(tǒng)中，主控模塊用了兩片STC89C51芯片，一片專門(mén)用來(lái)TC35通信，處理短信息，儲(chǔ)存用自定義的字符；另一片用來(lái)和從單片機(jī)通信，并處理紅外線接收和發(fā)送，儲(chǔ)存用戶需要的紅外線代碼串，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)發(fā)短信控制帶紅外線遙控的電器，這樣功能更強(qiáng)大，編程更簡(jiǎn)單。由于采用集散式控制，因此需要兩個(gè)串口，一個(gè)用來(lái)和TC35通信，一個(gè)用來(lái)和從單片機(jī)通信。

（二）主控模塊與各子功能模塊的連接

基于實(shí)驗(yàn)室的特殊功結(jié)構(gòu)，為方便布線，本系統(tǒng)采用總線形式和星型形式相結(jié)合。即主單片機(jī)和從單片機(jī)這間的關(guān)系是總線結(jié)構(gòu)，而從單片機(jī)和功能模塊之間是星型結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖

功能模塊的實(shí)現(xiàn)都轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)量了，這樣可以直接連接到P0、P1、P2口，完成信息采集和電器控制。

（三）GSM通信模塊的設(shè)計(jì)。采用TC35進(jìn)行數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信、短消息收發(fā)、軟件流控制等功能。由于單片機(jī)用5V供電，而TC35用的是4.2V供電，需要對(duì)兩者的電平進(jìn)行處理。由TC35串聯(lián)1K的阻R7再傳輸?shù)絊TC89C52，R7起保護(hù)作用，而由STC89C52到TC35則需串一2K左右的電阻，再加一3V的穩(wěn)壓二極管即可。電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)

（四）防盜部分。該項(xiàng)模塊分多種采集方式，大門(mén)磁開(kāi)關(guān)，車門(mén)門(mén)磁開(kāi)關(guān)，熱紅外線人體感應(yīng)等。門(mén)磁開(kāi)關(guān)選用常開(kāi)干簧管，關(guān)著門(mén)時(shí)閉合。這樣既可以檢測(cè)門(mén)窗關(guān)好，又可以設(shè)防。該模塊的核心是BISS0001芯片。在防盜狀態(tài)下，當(dāng)門(mén)發(fā)生位移時(shí)，就把信息轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)量發(fā)送給單片機(jī)，從而短信告知手機(jī)，同時(shí)打通機(jī)主手機(jī)以提示，接著啟動(dòng)警笛，達(dá)到防盜目的。

（五）傳感器信號(hào)采集。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控需要監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的狀態(tài)，因此實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制器需要連接溫感、煙感及煤氣泄漏等傳感器，采集相關(guān)的信息，遇到險(xiǎn)情時(shí)能夠及時(shí)通知用戶或管理中心。這些傳感器的信號(hào)一般用于報(bào)警功能，只有開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)，因此將這一類的信號(hào)稱為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。傳感器的信號(hào)采集電路如圖4所示，圖中3V穩(wěn)壓管與電阻起到保護(hù)作用，外部突變電壓過(guò)大時(shí)，可以起到穩(wěn)壓的作用，防止燒壞主控制器，電容起到抗干擾作用。

圖4 信號(hào)的采集電路

（六）電器控制。一般實(shí)驗(yàn)室電器分為帶紅外線遙控的和普通電器，帶紅外線遙控的電器可通過(guò)紅外線遙控來(lái)控制，工作原理：遙控器由中央控制器STC89C52、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、紅外發(fā)射和接收電路、信號(hào)調(diào)理電路等組成，遙控器具有學(xué)習(xí)狀態(tài)和控制狀態(tài)。原理圖如圖5所示。

圖5 紅外線遙控接收

（七）門(mén)窗控制。本文設(shè)計(jì)一個(gè)窗戶控制模塊，室內(nèi)可以手動(dòng)控制，人在室外也可以通過(guò)發(fā)送短信息遠(yuǎn)程遙控窗戶或門(mén)的開(kāi)關(guān)，下雨時(shí)可以自動(dòng)關(guān)窗。通過(guò)單片機(jī)采集窗的狀態(tài)，再控制電機(jī)使其開(kāi)關(guān)，這個(gè)系統(tǒng)包括雨水傳感器、電機(jī)控制電路、按鈕、接近干簧管開(kāi)關(guān)和串行通信電路等幾個(gè)部分。該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)串口與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

綜上，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GSM短信息實(shí)驗(yàn)室智能化遙控系統(tǒng)，進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)和探討了該系統(tǒng)的整體構(gòu)架以及功能要求，對(duì)所需元器件進(jìn)行選擇，以單片機(jī)為核心處理器件，對(duì)GSM短信息主控模塊電路以及各功能模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，以PC機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了短信息接收與發(fā)送的模擬試驗(yàn)調(diào)試，同時(shí)也對(duì)各部分電路功能進(jìn)行了調(diào)試，并分析和解決了試驗(yàn)中遇到的所有問(wèn)題，證實(shí)了該系統(tǒng)是具有可行性的，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值，很好地適應(yīng)了未來(lái)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控發(fā)展的智能化和網(wǎng)絡(luò)化的必然趨勢(shì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐軍.GSM系統(tǒng)中短信息業(yè)務(wù)的技術(shù)特點(diǎn)[J].山東通信技術(shù)，2000（2）

[2]楊士元.智能家庭技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界，2003（2）

[3]何華斌.遠(yuǎn)程遙測(cè)遙控中SMS的應(yīng)用[J].閩江學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（2）

【作者簡(jiǎn)介】吳建軍（1966- ），男，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道通信信號(hào)專業(yè)帶頭人，講師/實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、鐵道通信信號(hào)技術(shù)。

（責(zé)編 何田田）