GSM的远程报警系统.docx

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GSM的远程报警系统

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

学生姓名李晓龙

指导教师李全虎

2011年10月8日

基于GSM的远程温控系统的设计与实现

摘要：

本文提出一种基于GSM（GlobalSystemforMobilecommunication）短消息的新型远程监控系统，该系统充分利用了GSM无线移动通信网络平台，可以实时、自动、方便、可靠地实现现场温度的远程通信报警和监控，同时也适合于其他远程数据传输和无人值守的场合。

关键词：

GSM；远程控制；AT指令；DSP实时处理

1、引言

随着科技的发展和自动化水平的提高，温度的自动监测已经成为各行各业进行安全生产和减少损失采取的重要措施之一。

传统的温度测量方式周期长、成本高，而且测量员必须到现场进行测量，因此工作效率非常低，不便于管理。

而短消息是目前利用最广泛的通信方案之一，基于GSM短消息的业务只需把待发的消息加上目的地址发送至短消息中心，再由短消息中心转发到最终目的地，具有实现简单、通信成本低、频谱利用率高、保密性好等特点。

对用户来说，利用基于GSM短消息的远程控制系统可以随时随地检测温度并进行调节，方便而有效地实现家庭温度的控制。

为了能实时的监控现场温度，本文采用A/D芯片进行模数转换，利用DSP的实时处理能力，将采集到的温度定时显示在现场监测屏上，远方监测中心使用GSM短消息业务向现场发送控制命令，现场接收到控制命令后通过对模拟温箱的通断实现温度的升降调节和向监测中心反馈当前温度值，最终实现远程控制的目的。

2、系统设计思路及工作原理

作为一个远程温度的监测和控制装置，应该可以在任何时刻对现场温度信号进行数据采样，能够准确地实现远程的监控。

但实际的温度信号并不适合微电子电路系统直接对其进行信号分析和处理，所以首先需要将其变换成适合信号处理系统分析的电信号，这就需要传感器电路，然后将变换后的模拟信号转换成数字信号，送给以后的信号处理分析模块。

本设计中对温度信号的采样点数并没有太严格的要求，故采用简单的定时采样即可，如果需要对温度信号的频率进行跟踪，可以使用硬件锁相环来产生精准的采样脉冲。

为了满足实时和精确的信号处理和分析，加上现在DSP芯片在信号处理领域内的明显优势，和最近时期它性能的增加成本的下降，使用DSP芯片具有较好的性价比。

根据以上的讨论，本论文所设计的远程温控系统电路的总体结构如图1：

图1系统框图

整个系统的设计思路如下：

使用WK模块上的模拟温箱进行控制现场的温度，WK模块上的热敏电阻作为传感器，将温度信号转换为电压信号后送入A/D中，A/D实现实时采样，转换为适合于DSP处理的数字信号，DSP将该电压值换算为实际温度值后定时显示在LCD上；GSM实现远程控制命令的接收和反馈温度值的发送，DSP根据收到的控制命令执行相应的操作，包括反馈当前的温度值，升高、降低现场温度等。

在本系统中，利用DSP强大的数据处理功能进行数据采集和运算，SRAM作为DSP外围的程序空间和数据存储空间，FLASH存储DSP程序代码。

在实际的工作环境中，可以通过DSP的JTAG仿真口运行烧写程序，向FLASH烧写进启动代码，由DSP自动加载FLASH中的程序代码，完成自启动。

CPLD则为整个系统提供逻辑功能。

3．远程温控的硬件平台

3.1.1DSP结构及特点

数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）是一种特别适用于实时数字信号处理的微处理器。

其主要应用是实时、快速地实现数字信号处理算法。

可编程DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速数字信号处理的目的，一般都具有[10]程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集，和在片外围电路等硬件，使其可满足电信、测量等众多领域信号实时处理的要求。

3.2DSP硬件电路

3.2.1核心芯片TMS320VC5409

本设计中使用的DSP芯片为TI公司的16位定点芯片TMS320VC5409。

除了DSP通用的结构特点以外，它还具有16K×16位的片上ROM，32K×16位的片上双寻址RAM，程序代码的单指令循环和块循环操作，增强程序和数据管理的存储器块搬移指令，可以有32位长字的操作数的指令，条件存储指令，快速中断返回，并行存储和加载的算术指令，拥有丰富的片上外设：

软件可编程等待周期发生器（SWWSR）和可编程分区转换逻辑电路（BSCR），片上锁相环时钟发生器，3个多通道缓冲串行口（McBSP），增强的8位并行主机接口（HPI），6通道的DMA控制器。

芯片也可在低功耗情况下工作。

C5409的存储器空间可以分为3个可以单独选择的空间：

8M字的程序空间，64K数据空间和64KI/O空间。

程序存储器空间存放要执行的指令和执行中所使用的系数表；数据存储器空间存放执行指令所需要的数据；I/O存储空间与存储器映像外围设备向接口，也可以作为附加的数据存储器空间使用。

C5409通过位于处理器工作方式状态寄存器中（PMST）的3个状态位可以方便地“使能”或“禁止”程序空间和数据空间的片内存储器。

这3个状态位是：

MP/MC位（为0，则片内ROM安排到程序空间；为1，片内ROM不安排到程序空间），OVLY位（为0，则片内RAM安排到程序和数据空间；为1，则片内RAM只安排到数据存储空间），和DROM位（为0，则部分片内ROM安排到数据空间；为1，则片内ROM不安排到数据空间）。

图2TMS320VC5409功能框图

图3是C5409除了芯片电源和地之外的电路连接图，其中[A22-A0]是DSP的23根地址线，[D15-D0]是DSP的16根数据线。

/ADBUSY是A/D的忙信号，当A/D转换完成时，信号变低，连接到CPLD中的ADBUSY上（在CPLD的内部，ADBUSY连接到C_INT0#（DSP的INT0）上），使用中断方式控制数据的读操作。

本DSP使用的是10M的晶振，晶振的输出引脚连接到DSP的X2引脚，X1悬空。

CLKMD[2，1，0]都连接到高电平，表示DSP启动时的运行频率为1/2倍的CLKIN（在本设计中即运行在5M的时钟下），这是因为设计初期，首先验证功能的完整性，待到硬件功能测试完成之后，才花更多的精力考虑运行效率；同时，如果考虑到从FLASH启动程序时，刚开始的时候也应该降低DSP启动时的运行频率，因为刚复位之后需要从外部FLASH读取启动代码到RAM中运行，如果DSP运行速度很快，而FLASH的读写速度比较慢，这样两者之间的速度的不匹配并不会让系统获得好的性能，反而有可能导致程序的错误；应该等到启动代码完全运行起来之后，再更改DSP的时钟使之运行在较高的频率上，才会让整个系统获得较为满意的性能。

/DS、/PS、/IS、/MSTRB、/IOSTRB作为控制信号连接到CPLD的引脚上，经过一定的逻辑变换以后作为外部存储器和A/D的片选信号。

MP/MC也接到拨码开关上，可选择加载方式。

还有READY,EMU0,EMU1,HOLD,NMI,BIO,INT0~INT3都加上拉电阻。

将定时器的输出信号TOUT作为A/D模块的时钟输入来定时采样，并使用了一个通用IO口XF作为WK模块上模拟温箱的通断控制信号。

图3C5409核心系统

3.2.2电源电路

本设计使用的电源电路是为AD7656提供的，同时也适合本设计使用的A/D芯片ADS7852，只需要单一的模拟电压（+5V）。

AD7656需要两套供电电源，模拟（±9V，+5V）和数字（5V），并且中间不能有干扰。

模拟选择器HCF4051需要±5V的电源。

5409核心工作在1.8V，I/O口工作在3.3V。

电源电路如图4所示：

图4采集模块的电源电路

图中P8为总电源接口，有±12V，±5V四种电压。

将输入±12V和+5V电压，送到AD7656，作为模数转换器核心的供电电源。

其中+12V由7805变换后的+5V和-12V由7905变换后的-5V以产生多种供电电源满足模拟部分供电要求。

D+5V是数字部分的+5V输入电压，经U6转换成1.8V，作为DSP核心供电电源。

同时，设有一个电源指示灯，当VCC供电正常时，LED会亮，以帮助硬件调试。

D±5V,GND和A±5V,AGND之间用磁珠隔离，它们作为AD50的电源。

所以模拟地和数字地在设计时是分开的，通过磁珠将模拟地和数字地接在一起，如图中的L。

每个输出电压都应该接有100uF或10uF的电解电容和0.01uF的瓷片电容，以滤除高频干扰和电压不稳而引起的电源质量问题。

3.2.3CPLD电路

在整个设计中，所有的片选、和比较简单的逻辑功能都是由ALTERA可编程逻辑器件EPM7128AETC100完成。

在本设计中引脚分配如图5所示：

CPLD上的TMS、TDO、TCK、TDI是烧写CPLD的JTAG接口引脚。

ADCS是对AD7656[12]的片选信号，FLASH_CE#,FLASH_OE#,FLASH_WE#是对SST39VF400A操作信号,RAM_CE#,RAM_OE#,RAM_WE#是对CY7C1041CV33的操作信号，AD_OE和RD是AD7656的操作信号。

它们都由A15-A12、/RW、/IOSTRB、/MSTRB、/IS、/DS、/PS和一个GPIO经过逻辑组合后生成的。

RW是连接到DSP上的读写信号线，因为

图5CPLD的引脚分配图

FLASH和SRAM需要单独的读写信号，注意的是R/W只是指示方向，而MSTRB才是真正的读写信号。

串口1所有信号都接到CPLD中了，它们有两种用途，一种是其中两信号C_BDR1，C_BDX1可和T1OUT，T1IN相连，构成PC机串口。

另一种是它们中的5个信号（C_BDR1只能输入，故排除）用作GPIO口输出，控制A,B,C,S_KZ1,S_KZ2。

串口2的两信号C_BDX2和C_BFSX2也用作GPIO口，作为LCD模块的串行数据线和时钟信号。

CPLD_XF信号或C_BCLKR2,C_BCLKX2,C_BFSR2它们之一可和ADRST相连，对AD7656进行复位。

INOUTCS,INIOCS用在LCD模块中作为74LVC245和74LVC273的使能控制。

而BCS0~BCS3、BRW和BRE用作DSP挂箱接口的控制。

C_INT0是DSP的外部中断0，它与AD7656的ADBUSY相连。

FTOUT是DSP的定时器输出。

TOUT可以和FTOUT相连，作为AD50的时钟。

FREE0~FREE10是自由脚，可以和其它的任何信号相连。

ECS0是外部模块的片选信号，用于选通GSM模块和温控模块。

3.2.4AD模块电路

温度信号经过温控模块上的传感器电路转换为电压信号后为模拟信号，还需要进一步的转换为适合DSP处理和分析的数字信号，ADS7852是一种高速逐次逼近式A/D转换器，具有8路输入，并行12位输出，内部带2.5V基准电压，转换时间最大只需1.75us，ADS7852只需要单一5V电源供电，使得系统控制更加简单。

其封装形式为32脚的TQFP，其中，AIN0~AIN8为8路模拟输入，DB0~DB11为12位数字输出，A0~A2为8路模拟输入的地址选择；Vss为电源电压，VREF为外接参考电压，若不用可接2.2uF和0.1uF去耦电容各一个；AGND和DGND分别为模拟地和数字地，CLK为时钟输入（可以从200KHz到8MHz），BUSY为忙指示输出，CS、RD和WR分别为片选信号、读信号和写信号。

图6为设计中的A/D转换电路原理图，与DSP采用并行接口，由于ADS7852为12位并行输出，8位CPU必须分两次才能读入。

第一次读低8位，同时将高4位送入外部锁存；第二次通过三态缓冲器将高4位读入。

模块上的IN0~IN7插孔对应于图中ADIN0~ADIN7引脚，模块上的BUSY、CLK插孔分别对应于图中BUSY、CLK引脚，CS7852、CS244插孔分别为ADS7852和74LS244的选通信号，也可通过跳线选择，AOUT0、AOUT1插孔为两个模拟电压输出端，范围为0~5V，通过电位器K4、K5实现，电位器K1为2.5V参考电压调节端。

图6A/D转换电路原理图

图7为ADS7852的时序图，其中图（a）为启动与转换时序，图（b）为转换结果输出时序，转换后的数据被输出到并行数据总线上，DSP就可以进行输出电压信号的读操作。

在DSP编程时需要注意时序的匹配。

图7AD7852时序图

3.2.5温控模块电路

温度控制模块由温度信号采集电路、模拟温箱加热控制电路两部分组成。

其中模拟温箱加热控制电路位于铁壳内，其上有AC220V电源接口。

本模块中温度信号的采集采用热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小。

经运放LM358转换为A/D模块可以处理的电压信号。

其原理图如图8所示：

如图

8温度采集电路

室温（25℃）时，R11的阻值为10K。

当温度上升到140℃时，阻值降为几欧。

我们假设在此范围内，阻值随温度的变化是线性的。

第一级CA358将电压信号放大，第二级CA358为电压跟随器。

在实验中,我们假设温度从0℃变化到100℃，TEMP_OUT的输出从5V变化到0V,那么在室温（25℃）条件下,TEMP_OUT的输出近似为3.75V。

因此每次实验前，必须调整10K电位器，使当前输出电压值与温度相匹配。

对温度的控制是通过双向可控硅BT137控制加热电阻R12的加热时间来实现的。

TLP521为直流光电隔离，1、2脚为输入端，3脚为输出端。

MC3021为交流光电隔离，1、2脚为输入，4、6脚为输出。

J3为220V交流电接口。

IN_SYNC为电源端同步信号，OUT_SYNC为负载端同步信号。

IN_SYNC、OUT_SYNC主要用于控制可控硅的导通角。

其原理图如图9所示：

铁壳上的POWER指示灯对应于图中D1，LOAD指示灯对应于图中D2，模块上HEAT指示灯对应于图中D4。

模块上的HEATER、TEMP_OUT、P_SYNC、L_SYNC插孔分别对应于图中的HEAT（control）、TEMP_OUT、IN_SYNC、OUT_SYNC引脚。

图

9模拟温箱加热控制电路

3.2.6外围接口电路

外围接口电路由电源、扩展接口电路、超级终端（PC）接口电路、SIM卡接口电路等组成。

其原理图如图10所示，其中U1为通用异步串行收发器NS16C450[，用于与DSP接口；U2为电平转换芯片MAX3238，构成超级终端（PC）接口电路，实现电平转换及串口通信；J2为SIM卡插座接口，由M22模块控制；RS232为异步串行通信接口，用于直接与PC及通信。

M22模块是通过一个通用异步串行收发器（UART）NS16C450与PC机相接口，NS16C450提供异步的串行接收数据，在发射机和接收机之间同时进行串/并转换和并/串转换，这些功能对将串行数据流转换成数字系统所需的并行数据流是很有必要的。

串行数据流的同步化是通过给传输数据增加起始位和结束位作为数据标志来实现的（面向协议的特征）。

给数据标志中还增加了奇偶校验位来保证数据的完整性。

奇偶校验位可被数据接收机用来检测任何传输位的错误。

这种制作在单晶硅上，并且包含了所有那些功能的电子电路是相当复杂的。

NS16C450就是这样的一种高性能的整合体，它被设计为工作在高速、网络共享的环境中。

NS16C450内部包含11个检测和控制寄存器，这些寄存器的功能分别为：

数据保持寄存器（THR/RHR）、中断状态和控制寄存器（ISR/IER）、线路状态和控制寄存器（LSR/LCR）、调制状态和控制寄存器（MSR/MCR）、可编程的数据传输率（Clock）控制寄存器（DLL/DLM）和一个用户可访问的暂存寄存器（SPR）。

地址选择位A2A1A0用于选通各寄存器工作。

图10GSM外围接口电路

3.2.7LCD模块电路

本设计过程中使用Protel制作了一块PCB板，其上包括4*4的矩阵键盘，LCD液晶显示屏，八位拨码开关及八位LED，通过74LVC245和74LVC273实现了IO口的扩展。

仅用两个IO口IOINCS和IOOUTCS作为74LVC245和74LVC273的片选[16]，扩展为八个IO口，从而使DSP有限的IO空间资源得到了扩展，并且提供了一个有用的人机界面接口，供实验及测试使用。

本设计中使用的部分电路如图11所示：

图11LCD接口电路

4．系统软件测试及分析

4.2.1GSM模块收发信息的测试

GSM模块提供了三块程序：

GSM程序（用于测试各AT指令是否成功发送）、Send程序（可以通过GSM模块向指定的手机号码发送信息）和Rec程序（可以任意的接收其他手机用户发来的信息），在调试过程，发现了几个问题：

一个是对一些特定的AT指令没有理解好，通过观察返回数据才明确了它的正确用法，另一个是GSM的短消息的模式有三种，其中TEXT模式下只能传送英文信息。

在测试三块程序都正确之后，将Send程序和Rec程序结合在一起，实现实时接收来电信息和定时发送信息功能，程序流程图如图12所示：

图12GSM模块收发信息流程图

4.2.2温控模块恒温控制测试

本模块中测试时使用的A/D芯片为ADS7852，该芯片为十二位的A/D，将转换后的信号分高四位和低八位单独输出，原程序中将模拟的电压信号转换为数字电压信号后分组显示在三位数码管上。

本设计中为了统一显示方式，改写程序后使原来由HD7279驱动的数码管显示转变为LCD显示，而且为了显示实际的模拟信号值，需要编写D/A转换的算法。

测试中，将定时器T0的输出作为A/D模块的时钟，将WK模块的TEMP_OUT引脚与A/D模块的IN0相接，即将反映温度变化的电压信号送入AD进行模数转换，同时将WK模块的HEATER引脚与DSP核心板的XF脚相接，通过对XF的置低和置高实现模拟温箱的通断控制，从而实现温度的调节。

在此测试程序中，LCD的第一行显示电压值，第二行显示温度值，第四行显示报警信号。

其中，电压和温度的关系为：

T=-20（V-5），程序中设定一个温度上限值和一个下限值，使温度保持在两者之间，实现自动保温功能，同时一旦温度值超过上限值，就会发出报警信号"*"。

程序流程图如图13所示：

图13温控模块测试程序流程图

4.2.3整体测试

在前面各模块分块测试正确后，根据课题的需求，本设计中将各模块综合起来，编写程序，通过反复测试，最终实现了远程温控的功能。

主程序完成了整个

图14远程温控系统程序流程图

系统的各部分功能的初始化，实时监控现场温度，将现场的温度定时的显示在现场的LCD监测屏上，而且一旦现场温度超过我们所设定的某一特定值，将会向远方监测中心发出报警信号，从而通过远方及时控制温度变化；现场实时接收远方监测中心的控制命令，依据命令执行相应的操作，包括升温、降温和反馈当前温度值，实现实时监控。

其程序流程图如图14所示。

5.结语

本文首先介绍了远程的监控系统的发展及应用前景，提出了远程温控单元的设计方案，并对本论文使用的硬件平台做了比较详细的说明，设计了一个完整的系统来实现远程温控的功能。

由此可见，基于GSM的远程温控系统可以实现用户的远程操作，实施控制室内温度，灵活地使用了加热设备，并有效地节约了能源，具有很强的可行性和实用性。

随着智能家居的不断发展和普及，相信这一设计会有很好的市场前景，并最终为人们带来切实的实惠。

参考文献

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2、刘勇，董红玉，罗文渊，余全何，曹博.基于MCUDT1000的无线温度监控系统设计[J].中国集成电路，2009

3、李俊飞.GSM模块短信功能的二次开发与应用[D].天津科技大学硕士论文，2005

4、纪震，钟锦春，强乐．DSP系统入门与实践[M]，电子工业出版，2006

5.梁恩主，梁思维.Prote199se电路设计与仿真应用[M]．清华大学出版社，2000