基于某GPRS地家用空调智能终端设计.docx
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基于某GPRS地家用空调智能终端设计
某某理工学院毕业设计
基于GPRS的家用空调智能终端设计
学生：
XXX
学号：
XXX
专业：
通信工程
班级：
XXX
指导教师：
XXX
某某理工学院自动化与电子信息学院
二〇一六年六月
摘要：
本设计在分析了国内外家用智能控制系统开展概况的根底上，提出基于GPRS的家用空调智能终端设计方案。
手机通过短消息SMS把控制信息发送给GPRS通信控制器的SIM900A，然后再经过单片机AT89C51，接口电路把通信数据传输给空调控制器，空调再根据控制信息作相应的状态改变。
整个设计使用Proteus和Keil软件进展原理图的绘制与程序的编写。
本次的空调智能控制系统简单实用，在家居领域是一个明显的开展趋势，具有一定的实用价值。
关键词：
智能控制系统；SMS；GPRS；AT89C51；SIM900A
Abstract:
Thisdesigntaskonthebasisofanalysedthedevelopmentofintelligenthomecontrolsystemathomeandabroad,andthedesignofintelligentterminalforhomeairconditioningsystembasedonGPRSwasputforward.Firstofall,mobilephonesentthecontrolinformationtoSIM900AoftheGPRSmunicationcontrollerbySMS,andthenthroughtheMUCAT89C51andinterfacecircuit,themunicationdatawastransmittedtotheairconditioningcontroller,airconditioningandthenaccordingtocontrolinformationtomakethecorrespondingstatechanges.TheentiredesignusingProteusandKeilsoftwareschematicdrawingandthepreparationoftheprogram.Theintelligentcontrolmodelissimpleandpracticalthistime,ithasacleartrendinthefieldofsmarthomeinthefuture,hasaobviousapplicationvalue.
KeyWords:
Intelligentcontrolsystem;SMS;GPR;AT89C51;SIM900A
第1章引言
1.1课题设计的背景与意义
随着经济生活水平的提高，社会信息化的加快，人们的工作生活与信息通信之间的关系日益严密，而在人们逐渐改变生活工作习惯的同时，对居住与家居的硬件条件要求也更加高，这不仅是一种生活方式的改变，更是一种相对于传统生活家居观念的巨大革新。
因此，在智能家居这一领域，家用电器便朝着方便化、远程化、智能化、人性化这一方向开展。
本次设计是以家用空调设计为例，它在保持了传统家电适用功能的根底上，摆脱单一的被动操作模式，成为了一种相对能动的、智能化的、方便的、可远程操控的新型家电工具。
这种无线的智能终端工具增加了远程数据传输和接收，在传统模式上进展了较大优化，也使人们的生活理念得到了改变。
这种快捷的人机交互模式把人们从繁杂的生活琐事中解脱出来，不仅提高了生活工作效率，更大大节约了时间，从而可以使我们去做更加有意义的事情，生活品质提高了，也节约了资源，何乐而不为呢？
1.2家用电器与智能终端的开展概况
家用电器智能控制器是计算机网络与时代科技的产物，是信息技术与生活理念的完美结合，是社会文明快速向前开展的一种标志。
1977年美国华纳电缆通讯公司在有线电视的根底上开发了QUBE（库贝）交互电视系统，它为每一个用户提供一个机顶盒，供用户输入接收、选择、拒绝等一系列控制信息，这应该被认为是最早的家电信息化系统。
自从1984年在美国第一座智能大厦之后，智能建筑在全世界X围内迅速开展起来，由于智能建筑本身舒适化、人性化、智能化的变革，带动了家用电器控制系统的智能化，进而形成信息家电产业的雏形。
美国的很多家电智能控制系统科研工作者在20世纪末期历尽千辛才将家电控制自动化形成一定的模式与协议，如：
西欧的EHS、EIB、BatiBUS、美国的CEBUS、BAETS、MarthousLonworks、BACEBUS等，由于这个模式在全世界都没有成型，且弊端多多，而由几种到分部的总线型控制方式是它们总的研究方向。
目前，兴旺国家的奇胜、ABB、HONEYWELL、GE、莫顿是高端智能家居产品的代表。
近几年对中国的空调市场来说是有特殊意义的年份，从几年前开始中国家电市场先后经历了“家电下乡〞，“以旧换新〞，“节能惠民补贴〞三轮政策长达数年的刺激。
近两年是中国家电行业的政策真空期，市场秩序也正在承受一番洗礼。
而奥维咨询（AVC）数据显示，中国家用空调终端零售量在冷年2014年达到了4430万台，同比上升3.8%；而零售额为1570亿元，同比上升4.4%，从以上宏观数据可以看出虽然缺少了政策刺激，家用空调的终端零售规模在整体市场低迷的情况下仍然实现稳定增长[22]。
所以，接下来的时间里，空调需求量的增长趋势将更加不可限量。
在国内家电行业总体规模和使用智能终端的高端家电产品比例环环上升下，我国智能家电行业的总体规模与市场占有率都在不断扩大。
根据相关的行业资料统计，图1-1给出了中国智能终端市场的容量和开展趋势[1]。
图1-1中国智能终端市场的容量和开展趋势
现在各大家电企业都越来越重视智能家居这一新兴家电领域中新的机会点，相继提出了智能家居战略。
传统的家电产品和研发优势与现阶段互联网信息技术的深入融合将是智能家居系统开展的一大趋势。
随着无线网络信息技术的快速开展、数据传输功能的进一步优化等等，都无疑为智能家电的开展提供了强大的技术支撑。
未来家电的智能化程度将进一步提高，它除了满足传统的智能化需求，还可以在人体感知方面达到一个新的高度，家电可以让大家消除沟通中不必要的代沟。
不过多依赖人的操控的，让人放心的，而且具备对人体和环境感知的智能家电才是未来智能终端系统的开展方向[1]。
1.3设计的总体工作
这次设计的总体局部共分为五章，各个局部的设计工作如下所述：
第1章：
阐述设计背景以与实际应用意义，综合概述国内外家用空调控制系统的开展概况。
第2章：
全面比拟几种智能控制系统方案，选择一种切实可行的方案，提出本次设计课题的总体设计方案。
然后介绍涉与的关键技术，包括：
嵌入式系统、GPRS技术、SMS技术、RS-485和RS-232接口技术。
第3章：
介绍家用空调智能终端系统的硬件设计。
首先给出总体硬件设计方案，再分布详细说明各个局部，包括：
主控MUC与晶振、复位电路、接口电路，GPRS模块和相关的电源电路、开关电路等，最后是空调控制器的简单介绍。
第4章：
介绍家用空调智能终端系统的软件设计。
包括软件设计环境、总体程序设计、接口通信软件设计、SMS短信收发软件设计等
第5章：
完毕语。
这局部是对本次设计中实现的功能简要概括，以与这次课题的心得体会、过程中的不足、展望和实际应用价值的归纳。
接下来是致谢、参考文献、附录。
感谢学习期间父母、教师、同学的大力支持和无私热情的帮助。
列出了与这次课题与主要内容相关的参考文献。
最后，附录中列出了原理图和相关整体程序。
第2章设计方案与相关技术介绍
2.1几种智能终端方案设计比拟
智能终端控制系统可以有不同的构成，以如下举了几种设计方案：
1.由手机App与网络、PC网络组成的控制系统：
这种系统要求智能手机通过网络与PC建立IP/TCP连接，然后向PC端发送一系列操作指令。
而另一方面，需要将空调的嵌入式设备通过总线技术与PC相连，并进展数据传输，这样，就可以通过手机终端控制智能空调了。
不过，这个方法的缺点也很明显，那就是必须要使用智能手机，还要能上网，再者，还要PC作为中间环节进展数据编码与传输，这在要求简单方便生活方式的今天显得有些繁琐了。
2.智能空调与Internet网络相融合的控制系统：
这种系统要求空调具有网络收发功能，可以连接英特网，而无线终端可以直接与空调进展通信传输，进而发送操作指令。
但是这种系统的弊端显而易见——必须是智能空调，虽然我国在加大智能家电的应用比例，但是它的市场占有比例还很小，要实现互联技术无疑是一个大麻烦。
3.由GPRS与嵌入式系统相结合的控制系统：
这种终端控制系统在嵌入式系统的和各种工具语言的支撑下，手机通过GSM/GPRS蜂窝网络向GPRS模块发送一系列控制指令，而GPRS模块通过有线电路将电信号传输给空调，空调再做相应的状态改变，完成之后GPRS通信模块又把状态信息反应给手机终端。
因为采用了单片机内核，该系统性能稳定，处理速度快，方便，本钱低廉，而手机普与率高，短消息功能成熟，总的来说性价比高，是现阶段的不二之选。
2.2总体方案设计
在比拟了几种智能终端系统设计方案后,本次设计采用手机作为移动终端,基于GSM/GPRS网络的短消息SMS作为远程传输控制媒介。
单片机AT89C51和SIM900A构成GPRS控制模块作为核心通信控制器,通过RS-485总线与空调控制器相连接，空调的机组控制器再去控制它的温度、开关等各种状态。
而此次GPRS控制器作为系统通信传输的中转站，可谓是起到了“承前启后“的作用，是空调终端与移动终端信息传输的桥梁。
总体的方案设计如图2-1所示。
图2-1总体方案设计
2.3嵌入式系统
操作系统〔OperatingSystem〕是一种计算机系统软件，是控制计算机硬件和软件资源的计算机程序，它为用户与计算机之间提供一种接口，使人们在舒适友好的环境下工作，同时计算机又为人们提供各种所需的资源。
嵌入式操作系统〔EmbeddedOperatingSystem，简称：
EOS〕如此是用于嵌入式系统的操作系统，它通常是利用系统的模块化设计来达到对功能的整合，而且它一般具有系统内核小、专用性强、系统精简、实时性高等显著特点，在现实生活中应用十分广泛。
目前，几乎在各个领域都有嵌入式操作系统的应用，比如数控机床、电力系统的工业控制，车辆的定位导航、交通管理中的信息监控，家庭服务领域的家庭智能控制，各种ATM终端的POS网络等等。
而嵌入式系统应用最广泛的要数信息家电领域，应用在改善人们生活质量的同时，也深深地影响着人们的生活方式。
2-2图给出了嵌入式操作系统的几种应用。
图2-2嵌入式操作系统的几种应用
总的来说，嵌入式操作系统可以从硬件和软件来进展划分，但是由于其种类、数量繁多，目前在我们嵌入式领域广泛见到的的操作系统有：
Linux、uC/OS-Ⅱ、VxWorks、WindowsEmbessed等，而在智能手机领域有iOS、Android等。
下面是常见的几种嵌入式操作系统：
1.WindowsEmbessed嵌入式操作系统
它是一种基于二进制的、包含成百上千个功能组件的嵌入式操作系统，并且可以提供Windows操作系统的功能。
这种系统开发周期短、技术可信赖，而且可以通过已构建的设备对智能系统进展优化，具有很强的商业竞争有优势。
另一方面，它具有行业内领先的安全性、可靠性和性能，具备新的多媒体、电源管理等功能，出色的可操作性受到了很多人的青睐。
2.Linux嵌入式操作系统
嵌入式的Linux是在Linux的根底上进展裁剪修改开展而来的，由于继承了Internet的开放源代码资源，用户免费使用，软件的移植性好，而且性能优异，开发周期短，有很多应用软件都支持，实时性、稳定性、安全性好，所以这种嵌入式操作系统被广泛应用在航天、船舶、军工、卫星、数字电化、多媒体、网络以与许多电子消费产品领域。
此外，Linux的内核网络结构很完善，支持以太网和无线网，因此在信息家电和图形界面方面开展很快，所以开展前景非常可观。
3.uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统
具有实时性，是uC/OS-Ⅱ的特点。
它最早出自于JeanJ.Labrosse所发表的杂志上，其前身是uC/OS。
自从问世以来，uC/OS-Ⅱ已经通过了美国联邦航空局〔FAA〕商用航行器认证，可见其存在的优越性。
由于uC/OS-Ⅱ的绝大多数程序都是通过C语言编写的，这对于很多人来说无疑方便了不少。
其次，它方便移植、可读性强、构思巧妙、空间占用小、效率执行高、具有优良的实时性等，且最小内核可编译至2KB，基于以上的等等优点使uC/OS-Ⅱ的使用度非常高，X围广泛。
它有核心、任务同步和接口、时钟、任务处理5大局部，并且还可以通过函数调用等实现任务的优先等级和切换。
目前，uC/OS-Ⅱ已在家电控制、网络适配器、医疗器械、ATM等方面广泛应用。
它的体系结构图如2-3所示。
图2-3uC/OS-Ⅱ体系结构图
相对于其它内型的嵌入式操作系统，uC/OS-Ⅱ的优点独特，尤其是经济适用，实时性好，任务优先级的调度，结构清楚，因此，是这次毕业设计选择它的原因。
2.4GPRS系统和SMS技术
GPRS，全称〔GeneralPacketRadioService〕，与通用分组无线服务技术。
它是第二代通信技术升级版本，也称2.5G。
可以说，GPRS是在GSM网络的根底上新增加了网络实体来实现数据分组业务，主要增加的是GPRS服务支持节点SGSN、GPRS网关支持节点GGSN、分组控制单元PCU等。
GPRS系统对GSM网络具有兼容性，能够更加快速有效地进展数据和信令传输，图2-4是GPRS系统原理图[1]。
图2-4GPRS系统原理图
SGSN〔GPRS服务支持节点〕：
主要是完成对用户身份识别，加密，压缩等功能的移动数据进展管理和接入控制以与对用户数据库的访问；对IP数据进展通路传输和协议转换，以实现无线数据的传输；为了节约空口信令，支持数据业务和电路业务同时工作；还可以支持短信的收发。
GGSN（GPRS网关支持节点）：
主要是完成网关作用，它能够与ISDN、PSPDN和LAN等不同的数据网络相连。
对GPRS分组数据包进展GGSN的协议转换，就能够将数据包发送到X.25网络或者TCP/IP。
PCU〔分组控制单元〕：
主要是用来处理从GSM语音业务中抽离出来的数据业务。
由于PCU使用了分组功能，从而能够控制无线链路，且能够让多用户连入一个无线资源。
PCU的根本功能包括数据的分组、无线信道的管理、发送误差检测和自动重发。
GPRS的网络访问速度远远快于GSM，而在连接建立的时间上也极短，传输速率相对更高，费效比低，更适用于移动办公、多媒体业务、移动互联网等信息服务领域。
而且，GPRS在资源分配上采用动态的信道分式，物理信道只有在有效资源通过的时候才会被占用，这样的分式会使频道利用率极高，此外数据在信道中还可以进展打包分组传送。
除此之外，GPRS承载了GSM系统的WAP，即短消息、电路型数据、GPRS型数据。
而基于它本身的分组特点，系统资源占用少，连接速度快，所以较GSM而言优势明显。
SMS〔ShortMessageService〕短消息服务，它是在短息服务中心的帮助下，消息通过存储的方式从一个手机终端传送到另一个终端，即SMS短信服务并不是直线无障碍传输给接收终端，而是通过短信服务中心进展存储，因此它只是一种储存和的服务。
如果接收人未连接移动网络，如此短信将在接收人连接网络时再发送给接收人。
即SMS把收到发送者的短信给短信服务中心，SMS网关收到短息服务中心发送的短信后，就向归属位置存放器查找接收端的路由信息，再通过查询到的路由信息将短信发送至接收者的移动交换中心，最后基站子系统将移动交换中心发送的短信发送给接收终端。
其传输流程如图2-5所示[1]。
图2-5SMS数据传输流程
短消息应用起来简单、方便，常常为用户提供一些感兴趣的信息，比如：
气象信息、交通信息、寻呼信息、位置信息等，正是由于简便实用的功能使得它经久不衰，在近些年来开展迅速，应用X围更加广泛，像远程无线终端控制、双向数据传输等便是最流行的应用。
由于技术成熟、性能稳定、某某性强，深受各行各业的青睐。
AT指令，即Attentionmands。
AT指令集是从终端设备〔TE〕或数据终端设备〔DTE〕向终端适配器〔TA〕或数据电路终端设备〔DCE〕发送的。
移动台（MS）的功能的控制是GSM/GPRS通过TE和TA发送AT指令来实现的。
用户通过AT指令的控制表现在短信、呼叫、数据业务、本、等诸多方面。
AT指令的使用如图2-6所示。
图2-6AT指令的使用
AT指令一般分为通用AT指令、呼叫控制AT指令、短消息指令、TCP/IP指令、GPRS指令、簿指令等等。
图2-7是SMS短消息的相关AT指令。
图2-7SMS相关AT指令
2.5RS-485总线技术
在很多工业控制和嵌入式系统中，单片机电路、PC和移动端的信息通信，特别是串行通信往往采用总线连接，线路具有抗干扰性好、传输稳定、传输距离较远、简单、本钱低等特点，所以应用非常广泛，RS-485总线就是其中之一。
RS-485接口采用有协议的半双工网络通信，多是主从通信的两线制接线方式，一般是终端匹配总线型的网络拓扑，传输距离不同，总线标准也相应有所不同。
RS-485具有以下特点：
1.电气特性：
采用差分信号负逻辑，以两线间的电压差+〔2-6〕V表示逻辑“0〞；两线间的电压差-〔2-6〕V表示逻辑“1〞。
由于接口电路芯片不容易损坏，接口信号电平比RS-232-C低，且该电平与TTL电平兼容，所以两者连接很方便。
2.RS-485的数据最高传输率为10Mbps。
3.RS-485接口采用差分接收器和平衡驱动器，所以抗干扰性能非常好。
4.RS-485的最大通信距离超过1200Km，传输距离与传输速率成反比，其最大传输距离下的传输速率为100Kbps,加485中继器就可以传输更远，并且RS-485最大可以支持32个节点。
Max485接口芯片是生产商Maxim的一种RS-485芯片，采用RS-485总线协议，额定电压为5V，负载数位32个，最大通信速率为25Mbps。
它是一系列芯片，包括RS-483、RS-485、RS-487、RS-489等，采用5V的单一电源工作，额定电流为300uA，半双工通信方式，功能是将TTL电平转换为RS-485电平。
图2-8为MAX485管脚图，表2-1为MAX485管脚功能。
图2-8MAX485管脚图
表2-1MAX485管脚功能
管脚
功能
RO
接收电平的TTL电平输出
低电平有效的承受允许
DE
高电平有效的发送允许
DI
发送数据的TTL电平输入
A
485差分信号的正向端
B
485差分信号的反向端
VCC
电源接口
GND
接地
通常在RS-485电路中，把
与DE短接，用一根信号线连接，从而做到收发的切换。
此外，MAX485是目前市面上最常见，应用最广泛的RS422芯片，性价比高，质量好，性能稳定，这也是这次选择它的由来。
2.6RS-232接口技术
RS-232是现阶段一种非常流行的串行通信异步传输接口,它的标准是由电子工业协会（EIA）所制定的。
通常的的RS-232接口有9个和25个两种引脚形态，分别称为DB-9和DB-25。
RS-232采用RS-232C标准协议，传输速率在0~20000b/s以内，一般传输距离在20mX围之内。
图2-9是RS-232的串口原理图，图2-10是RS-232的管脚功能。
图2-9RS-232串口原理图
图2-10RS-232管脚功能
RS-232非常通用，在编程与价格方面占有很大的优势，并且与接口配套的导线较长，在诸如监视和控制等各种系统中应用广泛。
MAX232芯片是Maxim公司为RS-232标准串口设计的一种电平转换芯片。
MAX232使用+5V的单电源，特别适合电池供电系统。
通常情况下，由于RS-232接口的信号电平较高，容易损坏接口电路的芯片，且与TTL电平不兼容等缘故，MAX232模块一般与RS-232串口结合使用构成电平转换电路，再与其它电路连接。
MAX232具有以下特点：
1.符合所有的RS-232C技术标准。
2.仅仅需要+5V的供电电源。
3.功耗低，一般供电电流5mA。
4.本钱低，集成度高。
5.MAX232电路中通常选用10uF的电解电容。
MAX232的原理图如2-11所示，引脚介绍如下：
第一局部—数据转换通道。
11脚〔T1IN〕、12脚〔R1OUT〕、13脚〔R1IN〕、14脚〔T1OUT〕构成第一数据通道；7脚〔T2OUT〕、8脚〔R2IN〕、9脚〔R2OUT〕、10脚〔T2IN〕构成第二数据通道。
TTL电平数据从10引脚、11引脚输入，转换成RS-232数据后从14脚、7脚输出；DB9插头的RS-232数据从8脚、13脚输入后，转换成TTL电平数据后从9脚、12脚输出。
因此在实际设计中，我们可以根据需要选择适宜的数据通道，来达到电平转换和通道连接的作用。
第二局部—供电。
15引脚〔GND〕,16引脚〔VCC〕为+5V。
第三局部—电荷泵电路。
它是由1、2、3、4、5、6引脚与4只10uF电容构成，其目的是产生+12V、-12V两个电源，供给给RS-232电平。
图2-11MAX232原理图
第3章家用空调智能终端硬件设计
硬件系统是整个智能终端设计的骨架局部，系统设计的合理性、经济性、可行性、实时性、稳定性等都是在硬件设计阶段必须要考虑的问题，也是任务的具体要求。
以下给出了具体的硬件设计方案。
3.1硬件总体方案设计
基于简单实用原如此，本次硬件设计在参考了已有的诸多实例的前提下，总体采用8位51单片机为系统内核，通过嵌入式操作系统，并结合相应的应用程序、驱动程序、空调控制器、RS-485接口电路，以与GPRS通信模块，实现了一个简单的远程家用智能终端控制系统[20]。
图3-1为硬件系统结构框图。
图3-1硬件系统结构框图
3.2主芯片介绍
主控单片机AT89C51是一种低电压、高性能的带4K字节FLASH存储器的8位微处理器。
AT89C51带有2K字节的闪存只读存储器ROM，可反复擦除1000次[5]。
这个器件具有很高的技术制造水准，与工业标准的51单片机的指令集与输出管脚的兼容性非常好，性能稳定，并且在很多价钱廉价且灵活性高的嵌入式的控制系统方案中AT89C51单片机是不错的选择[3]。
表3-1是AT89C51的主要特性参数。
表3-1AT89C51主要特性参数
特性参数
值
FLASH存储器
4Ｋ
１０００写／擦循环
数据保存时间
１０年
全静态工作
０Ｈｚ-２４ＭＨｚ
内部ＲＡＭ
１２８×８位
Ｉ／Ｏ口线
３２个
定时／计数器
２个１６位
中断源
６个
AT89C51单片机中，VCC为供电电压，GND为接地，P0~P3为I/O口，RST为复位输入，EA/VPP为外部访问允许，XTAL1/2为振荡器反相放大器的输入/输出端。
AT89C51设有稳态逻辑，可以在闲置模式和掉电模式下工作，除此之外，这种单片机还具有进展串口通信功能，而它的结构和特殊
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