基于GSM的智能楼宇室内温度控制.docx

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基于GSM的智能楼宇室内温度控制

毕业论文（设计）任务书

基于GSM的智能楼宇室内温度控制

1、论文（设计）的主要内容

本系统利用单片机对传感器模块、GSM数据模块进行控制，以SMS方式实现数据远程无线传输，该产品可以用在小区供热系统中，按按热量收费是小区供热中节约能源的有效方法，它可以促使用户自觉节约能源，实现供暖系统的按热量收费。

同时，它也可以用于对适宜人类居住的室内温度的调节和对温度过高的火灾的报警。

系统实现的主要措施为：

对所要控制的楼宇查询资料，进行构造方面的了解。

掌握单片机的工作流程，了解不同单片机的产品规格，配合所要控制的楼宇选择合适的单片机芯片。

选择合适的温度传感器，了解其规格，配套适当的电子元件组成传感系统。

掌握GSM通信技术，配合单片机完成远程操作系统。

2、论文（设计）的基本要求

1）系统设计的实现要完成温度传感硬件结构设计，单片机电路及接口设计，单片机编程和GSM通信控制平台设计。

各部分功能要求如下：

（1）温度传感硬件结构设计选择适合室内温度传感的较灵敏的传感器DS18B20若干片，考虑到室内温度的高处温度较高，低处温度较低，因此将温度感应片置于楼宇顶端，并与相应的电子元件组成传感系统，将感应值传给单片机电路。

（2）单片机电路及接口设计选择结构紧凑、体积小的单片机芯片AT89C2051，并与相应的电子元件组成单片机电路，可以将温度传感器传输的温度模拟信号转化成电子信号在单片机中执行，然后将执行的结果转发给GSM通信平台，在计算机终端进行管理。

（3）单片机编程按规则对单片机进行编程，使单片机可以对不同的温度信号进行不同的动作处理，完成核心的控制任务。

（4）GSM通信控制平台设计GSM通信系统将单片机传来的控制信号以短信的形式发送到用户的手机上，提醒用户楼宇温度的情况，让用户选择处理的方法，用户可以用手机输入命令发送给GSM平台，GSM平台再向单片机发送命令来控制温度调节家电，一般用空调进行调节。

如果有严重的火灾发生，GSM系统可直接向消防局发送短信报案，让其在第一时间赶到处理险情。

主要技术指标

2）各参数测量范围为：

温度：

－30℃～+125℃；测量误差不大于±0.5℃；

湿度：

相对湿度1％～80％RH；

实时采集周期＜＝1次/1分钟，发送周期＝1次/1小时；

监控数量：

>=10台。

目录

摘要1

Abstract2

第一章绪论3

1.1技术背景3

1.2选题目的和意义4

1.3本次设计的任务、设计要求及设计参数5

1.3.1设计依据5

1.3.2毕业设计的主要内容、功能及技术指标5

第二章系统设计方案7

2.1工作原理7

2.2产品功能8

2.3生产工艺介绍8

2.3.1下位机概述8

2.3.2上位机概述8

2.4设计的原则8

第三章硬件电路的设计10

3.1硬件系统概述10

3.2温度采集模块10

3.2.1DS18B20温度传感器的介绍11

3.2.2DS18B20与单片机的连接12

3.3单片机及外围电路模块12

3.3.1单片机AT89C2051的介绍12

3.3.2存储模块13

3.3.3报警模块13

3.4GSM无线收发模块14

3.5电源电路模块15

3.6RS232接口电路16

3.7看门狗电路17

3.7.1MAX1232介绍17

3.7.2与单片机连接17

第四章软件设计18

4.1概述18

4.2主程序工作状态及流程图18

4.2.1系统框架18

4.2.2程序代码20

4.3各个软件模块流程图及编程20

4.3.1温度采集模块20

4.3.2单片机模块23

4.3.3GSM无线通讯模块27

第五章设计总结32

5.1设计系统安装实施过程中有可能出现的问题32

5.2基于GSM的控温技术发展前景32

5.3设计心得32

参考文献34

英文原文及翻译35

英文原文一35

英文一译文36

英文原文二（含中文注释）37

致谢42

附录43

文献综述52

第一章绪论52

第二章系统设计方案52

第三章硬件电路的设计52

第四章软件设计53

第五章设计总结53

摘要

鉴于人们对居住环境温度适宜性的要求不断提高，本文设计了一个可以在智能楼宇中充当温度调控和数据采集的系统。

系统主要由温度信号传感部分，信号处理部分及信号的远程遥控部分组成。

具体环节包括用DS18B20温度传感器读取室内温度，传输给AT89C2051单片机芯片，单片机将读取的信号显示在电脑上，同时把处理的信号通过GSM通讯网络与固定的手机用户进行互动。

实现了用户与供热系统之间的智能化交流，并且更加方便的服务于更多用户。

通过以上功能，该系统可以实现两项操作：

一是供热检测系统可以实时监控采集小区中各个用户的温度值，传送到供热公司，为收费提供依据；二是有关部门可以准确的掌握小区内住户的供热情况，对提高供热质量以及进行节能减排管理有重要的作用。

关键词：

智能楼宇；信号传感；单片机系统；GSM网络；温度调控

Abstract

Accordingtothehighrequireofpeopleinlivingroomtemperature,asystemcanadjustthetemperatureandcollectthedatainintelligentbuildingwasdesigned,whichconcludethreeprocessofbuildingtemperaturesign:

sensing,processingandwirelesscontrollinginlongdistance.ThemoredetailisthattheroomtemperaturecanbereadbyDS18B20temperaturesensor,thentransferredtoSCMAT89C2051andshowedoncomputerscreenwhichconnectwithSCM,andthesametimemaketheprocessingsigncommunionwithconsumerthroughGSMcommunicationnetwork.Intelligentcommunicationbetweenconsumerandheatsupplyingcompanyisabletoachieve,whichmademoreconsumerseveringconveniently.Twooperationswillberealizedinthesystembyupwardfunction:

Oneissystemofheatsupplyingandmonitoringcancollectdataofeachconsumer,sendingtoheatsupplyingcompanyonthebasisofpayment;Theotherisheatsupplyinginformationfromeveryconsumercanbegottenbymanagedepartment,forwhichtheimportanteffortwillbeachievedinimprovingqualityofheatsupplyingandmanagingresourcesavingandexhaustreducing.

Keywords:

IntelligentBuilding;SignalSensor;SCMSystem;GSMNetwork;Temperatureadjusting

第一章绪论

1.1技术背景

本系统的设计需要用到温度传感技术，单片机技术和GSM通信技术。

温度传感技术中采用的温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。

温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；

（2）模拟集成温度传感器／控制器；（3）智能温度传感器。

国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1°C。

国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625°C。

由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125°C，测温精度±0.2°C。

为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。

进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-Wire）总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。

温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

这种微型计算机因其制作在一块芯片上而被称为单片机。

单片机是大规模集成电路技术发展的产物。

单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。

微型计算机的出现是电子数字计算机广泛应用到人们日常工作和生活领域中去的一个重大转折点。

它已深入应用到非微型计算机所无法应用的领域，对社会产生了极大的影响。

单片微型计算机是微型计算机发展的一个重要分支，它以其独特的结构和性能，越来越普遍地应用到国民经济建设的各个领域。

单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制（就是快速反应）方面的需要。

因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。

因此，单片机又常常被人称为微控制器（MCU或UC）。

GSM是由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准。

GSM是全球移动通信系统（GlobalSystemofMobilecommunication）的简称。

它的空中接口采用时分多址技术。

自90年代中期投入商用以来，为全球超过100个国家采用。

GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场80%以上。

GSM是当前应用最为广泛的移动电话标准。

全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。

所有用户可以在签署了"漫游协定"移动电话运营商之间自由漫游。

GSM较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代（2G）移动电话系统。

这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。

GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。

由控制平台温室环境的各项参数是否符合规定要求需进行检测得知，而科技的发展为温室环境的监测自动化、高效化提供了重要条件。

GSM短信息以其覆盖区域广、快捷、高效、准确、费用低廉、受环境影响小等特点。

逐步应用于工业控制、移动作业环境、远程数据采集和监控中。

可随时随地通过GSM模块以短消息方式发送和接收现场采集到的数据，具有实时性强、精度高的优点，便于数据信息的集中管理和远程控制。

现代世界是一个高度自动化的世界，各种设备都可以和计算机相联，而最简单的自动化联机方式就是使用串行接口通信。

由于硬件操作简单，功能易于扩展，近年来，串行接口通信不仅未被取代，反而成为计算机与各种仪表、数据采集仪或其它媒体相连的通道，使计算机可以与更多外围的设备沟通，造就高速的信息流时代。

以往要实现对远端设备的监控和操作，一般利用有线的方式（如电话）。

这种方法往往成本较高，而且并不方便。

随着第二代移动通信向第三代的迅速过渡，以GSM网为平台的各种业务不断拓展，无线上网、无线传输图像、物像传输数据和话音业务等都得到越来越广泛的应用。

尤其是短消息业务，一问世就因其低廉的价格、可靠的传输性能得到广大用户的青睐。

因此，将计算机串口通信同短消息业务相结合，利用GSM公用网进行远端监控已成为数据通信业务的一个新热点，为远程数据传输提供了一个方便的途径。

本文结合了这方面的实际应用进行研究与探讨。

1.2选题目的和意义

近年来，电子技术（尤其是计算机技术）和网络通信技术的发展，使社会高度信息化，在建筑物内部，应用信息技术、古老的建筑技术和现代的高科技相结合，于是产生"楼宇智能化"。

楼宇智能化是采用计算机技术对建筑物内的设备进行自动控制，对信息资源进行管理，为用户提供信息服务，它是建筑技术适应现代社会信息化要求的结晶。

人们在智能化楼宇中生活和工作（包括公共区域），无论是心理上还是生理上均感到舒适，为此，空调、照明、噪音、绿化、自然光及其他环境条件应达到较佳或最佳状态。

所以说研究智能楼宇的控制对提高我国人民的生活水平有很大的帮助。

移动通信网络GSM现已覆盖全国，是我国公众移动通信网的主要方式，主要提供话音、短消息、传真等多种业务，短信息服务SMS作为GSM网络的一项远程业务，具有通过手机发送和接受有限长度的文本信息的功能，已在许多领域得到越来越多的应用，如咨询服务、移动商务、E-mail应用、娱乐、定位服务、远程监控和企业服务等，GSM数据模块的出现给GSM网络的发展注入了新的活力和提供了广阔的市场，而单片机技术已在测控领域得到了广泛的应用。

由于人体新陈代谢对温度的变化比较敏感，所以自古以来的建筑设计中，室内温度的适宜性是很重要的一个考虑因素，智能楼宇也不例外，目前的楼宇温度控制方式多种多样，其中基于GSM网络的温度控制是近年来新兴的一支，它具有操作便利，技术成熟，更加人性化等特点，越来越受到人们的关注和重视。

随着经济增长，社会进步，人们对生活质量的要求也越来越高，智能楼宇室内环境的改善与服务层次的提升也是建立在信息化的基础上。

随着计算机与通信技术的高速发展，新技术和智能设备的层出不穷，使得无线方式的智能监控的实现成为可能。

本设计是一基于GSM网络的智能楼宇室内温度控制器，利用单片机对传感器模块、GSM数据模块、空调进行控制，通过GSM网络将采集到的温度和湿度数据以短信方式发送至PC机，通过与设定值的比较来实现室内温度的自动控制，具有节能省力的意义。

1.3本次设计的任务、设计要求及设计参数

1.3.1设计依据

本系统主要由AT89C2051单片机、GSM模块和DS18B20温度传感电路组成。

单片机与外围电路组成了一个类似计算机CPU的控制中心，可以对连接到它自身的其他设备进行智能监控，并且较之计算机CPU它又方便灵活，便于兼容。

通过单片机的并行I/O口可以很方便的实现温度高低的显示。

现有的GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游,具有网络能力的特点,用户无需另外组网,在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。

当采用GSM模块时,就可以通过一种无线通信的方式实现对楼宇温度的远程终端监控与调节的功能其是分布式远程数据采集和监控系统中，可以随时随地通过GSM模块以短消息的方式接收现场的终端设备状态，使采集控制更具有实时性，便于集中管理和远程管理。

本系统不需要建立专用网络，直接利用中国移动通信网即可实时的传输数据。

总之，可以充分利用GSM网络的远距离无线传输优势以及单片机强大的数据处理能力，将控制器整合成以短信的形式控制楼房温度的智能化设备。

远程监控系统通常采用上下位的拓扑结构，而且下位机经常是无人值守形式，因此下位机的可靠运行显得十分重要。

由于干扰、部分模块失效或者软件非逻辑性死循环等原因引起下位机的瘫痪，最终以无法与上位机正常通信的形式集中表现出来。

远程检测系统中系统采用的物理链路有：

现场总线形式，如CAN、RS-442/448等；Internet形式；PSTN（公用电话网）形式。

现场总线形式都受通信距离的约束，其远程能力有限，例如：

CAN总线的直接通信距离最大为10km（当速率在5Kb/s以下时），而Internet形式；PSTN（公用电话网）形式虽然在距离上没有限制，但对硬件的要求和实现途径各不相同。

从目前的技术条件及从通信距离、实时性、可靠性与安全性诸多方面的评价，就远程数据通信来说，基于公用电话网的Modem串行通信的方法更合适一些。

系统通过公用电话网传送用户室内的温度值给供热公司，采用定时自动拨号和手动拨号两种方式，以便更加智能化管理用户。

1.3.2毕业设计的主要内容、功能及技术指标

1）毕业设计的主要内容

本系统利用单片机对传感器模块、GSM数据模块进行控制，以SMS方式实现数据远程无线传输，该产品可以用在小区供热系统中，按按热量收费是小区供热中节约能源的有效方法，它可以促使用户自觉节约能源，实现供暖系统的按热量收费。

同时，它也可以用于对适宜人类居住的室内温度的调节和对温度过高的火灾的报警。

系统实现的主要措施为：

对所要控制的楼宇查询资料，进行构造方面的了解。

掌握单片机的工作流程，了解不同单片机的产品规格，配合所要控制的楼宇选择合适的单片机芯片。

选择合适的温度传感器，了解其规格，配套适当的电子元件组成传感系统。

掌握GSM通信技术，配合单片机完成远程操作系统。

与此同时，对他人的设计、研究成果，系统设计的过程和方法进行归纳，在借鉴他人对温度控制设计经验的基础上，通过老师的指导，创新出自己的设计思路和研究方案。

2）设计实现的主要功能

系统设计的实现要完成温度传感硬件结构设计，单片机电路及接口设计，单片机编程和GSM通信控制平台设计。

各部分功能简介如下：

（1）温度传感硬件结构设计选择适合室内温度传感的较灵敏的传感器DS18B20若干片，考虑到室内温度的高处温度较高，低处温度较低，因此将温度感应片置于楼宇顶端，并与相应的电子元件组成传感系统，将感应值传给单片机电路。

（2）单片机电路及接口设计选择结构紧凑、体积小的单片机芯片AT89C2051，并与相应的电子元件组成单片机电路，可以将温度传感器传输的温度模拟信号转化成电子信号在单片机中执行，然后将执行的结果转发给GSM通信平台，在计算机终端进行管理。

（3）单片机编程按规则对单片机进行编程，使单片机可以对不同的温度信号进行不同的动作处理，完成核心的控制任务。

（4）GSM通信控制平台设计GSM通信系统将单片机传来的控制信号以短信的形式发送到用户的手机上，提醒用户楼宇温度的情况，让用户选择处理的方法，用户可以用手机输入命令发送给GSM平台，GSM平台再向单片机发送命令来控制温度调节家电，一般用空调进行调节。

如果有严重的火灾发生，GSM系统可直接向消防局发送短信报案，让其在第一时间赶到处理险情。

3）主要技术指标

各参数测量范围为：

温度：

－30℃～+125℃；测量误差不大于±0.5℃；

湿度：

相对湿度1％～80％RH；

实时采集周期＜＝1次/1分钟，发送周期＝1次/1小时；

监控数量：

>=10台。

第二章系统设计方案

2.1工作原理

整个系统包括:

AT89C2051单片机,20～100个DS18B20传感器,共同完成数据采集功能；内部包含的RS232接口、PC和Lab2VIEW软件环境构成了数据接收、显示、分析及处理单元，整个系统结构图见图1。

首先是AT89C2051单片机控制多个单总线温度传感器DS18B20，向总线上的传感器发复位、启动温度转换命令，按编号对不同的传感器进行匹配并读出该传感器的温度值，通过RS232接口将数据传送到计算机中对数据存储、显示及处理。

如图2-1为系统结构图。

图2-1系统结构图

系统采用了串行通信技术、数字化温度传感技术。

系统也可以看作是由以PC机为核心的上位机和以单片机为核心的下位机组成的一对多的通信网络。

上位机作为数据采集和数据处理的中心站，下位机实时采集数据后，进行简单的数据处理，当接收到上位机发来的请求发送指令后，通过公用电话网把数据发送到上位机。

上位机采用自动查询和手动查询两种方式采集数据，再进行相应的处理，把数据以图表或图形的方式显示出来，同时具有报警功能。

1）手动查询方式系统提供手动查询方式，使用户可以即时查询某一住户的当前温度。

在这种方式下，由用户指定要查询某一住户的电话号码，然后系统发出拨号的命令。

当拨通号码后，在上下位机之间形成了一条通路，下位机具有自动应答的功能，它把该住户的温度值自动发送到上位机。

2）自动查询方式在这种方式下，首先由用户设定自动查询的时间，由系统自动判断是否定时时间到，如时间到，则采用轮询方式依次分别对各住户的温度值进行查询。

在一次查询中，通信过程如手动查询的通信过程，当收到本次查询需要的数据后，进行相应的处理，判断是否询完，是则本次查询结束，转入定时等待，否则取得下一用户的号码，转入下一次查询，如未能收到本次查询需要的真正数据，则转入出错处理，并显示出错报警，对报警部位进行简单分析。

2.2产品功能

本系统利用单片机对传感器模块、GSM数据模块进行控制，并实现数据远程无线传输，使人们居所环境达到理想的温度范围，并可在电脑上直接显示用户数据和对方手机号码等信息。

因此该产品可以用在小区供热系统中，实时地采集小区中各个用户的温度值，传送到供热公司，为收费提供数据，按热量收费是小区供热中节约能源的有效方法，它可以促使用户自觉节约能源。

该系统同时系统也有利于有关部门及时准确地掌握小区内住户的供热情况，对提高供热质量也有重要的作用。

2.3生产工艺介绍

室内温度控制系统，是配合楼房室内供暖结构而制造的，它利用单片机控制温度信号的采集和处理，具有操作便利，技术成熟，更加人性化等特点。

2.3.1下位机概述

首先需要根据设计出的各个模块不同的制造特点和环境拟定不同的生产工艺。

温度传感器DS18B20的外围电路不是很复杂，所以可以进行手工焊接，考虑到室内温度的高处温度较高，低处温度较低，因此将温度感应片置于楼宇顶端，注意传感器DS18B20的工作环境为温度：

－30℃～+60℃，湿度：

相对湿度1％～80％RH。

其与外围的EEPROM芯片以及电压供应系统可以集成于一片电路板上，每位用户的安装规则一致，然后将各用户温度采集模块采集到的信息传导信号线汇总到一起置于适合的线管中，接入安装在居民楼上的单片机控制模块中。

单片机控制模块的电路较为复杂，若需求量较大，可以通过流水线的焊接机器进行焊接，最后将单片机AT89C2051与外围的电源电路、A/D信号转换电路、DS18B20信号输入端以及GSM的Modem收发模块安装于一个设备箱中。

以上各模块合起来也可以称为下位机。

2.3.2上位机概述

GSM的接收端通过网线连接在电子计算机上，这部分系统可以称为上位机，主要实现方法是在PC中安装LabVIEW软件，LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,实验室虚拟仪器工作平台）是美国NI（NationalInstru