基于GSM技术的智能家居远程无线监测系统设计毕业设计.docx

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基于GSM技术的智能家居远程无线监测系统设计毕业设计

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天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业：

班级学号：

学生姓名：

指导教师：

二〇一年月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

基于GSM技术的智能家居远程无线

监测系统设计

TheSmartHomeRemoteWirelessMonitoring

SystemBasedonGSMTechnologyDesign

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

学院：

201年月

摘要

目前GSM移动通信技术即全球移动通信系统（GlobalSystemForMobileCommunication）已经得到了飞速的发展，并且已经普及到很多领域里，因为GSM技术在工业、农业以及军事领域都已经被广泛使用，特别是GSM技术里面的短信息业务被应用较多，因为短信息业务使用比较方便，而且最主要的是稳定性高，对外界环境的抗干扰能力很强，这一业务被很多运营商和开发商重视起来，因此基于GSM技术的产品应用也越来越多。

本课题主要研究基于GSM技术的智能家居远程无线监测系统的设计，本系统的整体设计分为两大部分，一部分是硬件电路的设计，另一部分是软件部分的编程。

在系统的硬件设计中，主要对硬件客户识别模块SIM900A（SubscriberIdentityModule）和STM32单片机及其外围电路进行了细致的分析和说明。

GSM通讯系统分为控制终端和远程控制站两个部分：

控制终端是一部具有短信息业务功能的移动手机终端；远程控制站的硬件包括GSM通信模块SIM900A，STM32F103C8T6单片机，LCD液晶显示单元（ LiquidCrystalDisplay ），温湿度传感器等多类型环境参数检测传感器以及数据采集与处理单元。

系统软件部分的设计主要是远程控制站中STM32单片机的软件程序设计。

关键词：

GSM；单片机；传感器；远程无线监测

ABSTRACT

TheGSMMobileCommunicationtechnologyisGlobalSystemForMobilecommunications（GlobalSystemForMobileCommunication）widelyusedinindustrial,agriculturalandmilitaryfields,especiallytheshortmessagebusinessinthetechnologyofGSMareappliedmore,becausetheuseoftheshortmessagebusinessismoreconvenient,andthemainisthatittooperatorsanddevelopers,sotheproductbasedonGSMtechnologyGSMtechnologyofthedesign,theoveralldesignofthissystemisdividedintotwoparts,onepartisthedesignofthetheofthesystem,themainanalysisandexplanationofSIM900AandSTM32microcontrollerthedetailed.GSMcommunicationsystemisdividedintotwoparts:

controlterminalandremotecontrol.Controlterminalisamobileterminalwiththefunctionofshortinformationservice;theincludeSIM900AandGSMcommunicationmodule,STM32F103C8T6single-chipmicrocomputer,LCDdisplayunit,kindsofenvironmentalparameterssuchastemperatureandsensoranddataacquisitionandprocessingunit.Thedesignofthesoftwaresystemismainlyinthedesignoftheremotecontrolstation.

KeyWords：

GSM；MCU；Sensor

第1章绪论

1.1引言

智能家居系统已逐渐成为社会信息化发展过程中至关重要的一个组成部分，特别是无线网络通讯技术的快速发展将是智能家居系统产业链中一个主要的突破口，GSM技术将会对智能家居系统的产业带来飞速的发展。

在现代测量控制系统中，均需要采集被测点传感器的数据，而且在数据的采集与处理过程中，往往都需要上位机对采集到的数据进行处理或加以统计。

在检测点相对集中的地方，可以采用有线连接的通信方式进行数据的检测与收集，但是在智能家居的环境下通过有线连接的方式却不能满足实际远程监控的需求，因此需要远程无线技术的支持才能实现智能家居环境监测系统的应用。

1.2课题的研究背景及意义

伴随着智能控制技术、无线通讯技术以及计算机及网络技术的迅猛发展，人们对生活的现代化，居住环境的舒适化及家居的安全化与智能化的要求越来越高。

智能家居不仅具有安全，舒适，方便，节能的效果，同时还可以将音频和视频文件，电脑，通讯，家庭自动化控制，安全技术集合起来，并应用各种不同的设备和有效性互连系统的一个有机的整体，使我们的生活更方便，更灵活。

自动化和新技术的发展迅猛，传感器在生活中的应用数量也越来越强大。

并且传感器的标准化、模块化的设计，在智能家居控制系统的研究中，提供了很大的方便。

GSM技术是目前市场上广泛使用的较为成熟和完善的通信系统。

目前在全国范围内都已经完全覆盖了移动通信网络，能够不限地域的实现短信息业务的交互通信，并且短信息业务在全国范围内实现了无漫游和联网，因此用户可以借助强大的GSM通信网络进行远程数据的通讯，不仅大大节约了成本，更缩短了施工周期，因此GSM技术能够很好的嵌入到智能家居环境监测系统中，移植方便简单，并且运行稳定，再加上无线传感检测技术能够很好的实现智能环境的监测，传感技术与GSM技术的完美融合，智能家居系统将会有很好的发展前景和应用市场。

1.3国内外研究状况及发展趋势

实际上，智能家居环境的监测控制系统，可以定义为一个远程监控与控制的过程。

利用先进网络通讯技术和计算机技术以及无线传感器技术，将智能控制与家庭生活环境有机地结合在一起，通过综合的管理系统保证人们生活家居环境的的舒适和安全。

与普通的家居相比，智能家居不仅在传统的功能可以提供所有的舒适性，其安全性能生活空间的高级保障。

智能家居把现有的被动、静态化的结构转化成具有远程信息交换的现代化生活。

实现外部流动与家庭时刻关联在一起，合理的安排自己的工作和生活时间，不仅保证了家庭生活的安全性，更提高了人们的工作和生活效率，有效的节省了时间和费用。

利用GSM移动网络技术的短消息业务功能，可以通过远程移动终端系统将命令发送到微控制器上，控制器通过命令识别，运行相应的内部程序，然后根据控制器内部预先设定的程序和SMS（ShortMessagingService）命令共同驱动相关的电器或电子设备开关，该设备可以通过多类型的检测传感器，将室内的环境参数进行收集，并且通过GSM系统通过短信方式发送到远程移动终端，实现实时监控，预防危险，避免财产和人员的损失。

智能家居监控系统可以利用系统控制器与远程终端进行信息的交换，使人们的生活更加舒适，方便，安全。

并且智能家居控制系统的布线非常简单，但其强大的功能，灵活的移动与扩展，能够得到了市场的广泛接受和应用。

第2章系统方案设计与各模块的选择

2.1系统总体方案设计

2.1.1智能家居系统概述

本课题的设计通过对GSM通信模块和微控制器之间的通信协议的充分学习和研究，通过实践，设计出一套比较完整和实用可靠的远程控制和智能控制模块，并且进行实际的制作。

本次的设计是基于STM32单片机与GSM无线通信模块SIM900A所制作的一套家庭环境监测和控制系统，它涉及微控制器和GSM模块的短信息功能，温湿度的检测，烟雾浓度的检测，雨量大小检测，报警模组，无线通信以及LCD液晶显示屏等硬件电路的设计。

2.1.2系统方案

本设计的系统包括：

GSM无线通信模块，传感器模块（温湿度数据的采集、烟雾浓度采集、雨量大小采集），报警电路以及系统软件。

系统结构框图如图2-1所示。

本系统上电后，首先进行整个系统的初始化，收集一组环境数据，把室内的温度和湿度，烟雾浓度，雨量等环境参数显示在LCD12864液晶屏上。

并与预先设定的上限值进行比较，判断是否达到设置的预警值，进行报警电路的驱动以及是否将报警信息发送到远程移动终端，实现远程短信息报警。

图2-1系统结构框图

2.2各功能模块的选择

2.2.1单片机的选择

方案一：

STM32F103C8T6单片机，工作电压为3.3V，且含有32位的高速处理芯片。

其运算和运行速度都非常快，编程环境是KeiluVision4，编程界面较为简单并且该控制器的强大之处在于其代码的移植非常方便，能够很好的进行编程。

Cortex-M3系列的单片机的内部资源和接口非常强大，拥有多路串口、AD接口、SPI接口及外部中断，能够很好的应用到系统中，并且该单片机的价格便宜，工作也稳定[1]。

方案二：

AT89C51单片机，该单片机的外部IO资源和内部寄存器的资源相对较少，是目前市场上功能较为落后的一款控制芯片，但是该芯片是上市比较早的一款高性能的8位微处理器芯片，并且该芯片的市场价位相对较低，比较适合用于对系统稳定性和精度要求不是很苛刻的场合，而且该芯片的编程方法比较简单，非常适合刚开始接触微控制器的初学者[2]。

AT89C51的运算速度相对于STM32单片机来说有一定的差距，而且其外部IO资源和寄存器较少，与STM32单片机相比较显得有些不足。

经过对本系统的功能分析，因为本系统在整个工作过程中需要不断地对数据通过SPI接口发送和接收，对系统的运算速度有很高的要求，并且还用到了很多内部定时器及中断资源。

并且个人对STM32运用的比较多，因此选用STM32F103C8T6单片机作为系统的控制器。

STM32F103C8T6芯片如图2-2所示。

图2-2STM32F103C8T6芯片

2.2.2温湿度传感器的选择

方案一：

数字式温度传感器的选择在目前很多工农业场合很多采用DS18B20作为系统的测温元器件，由于该测温元件的输出信号为数字信号，能很好的与微控制器进行命令和数据的传输，并且该测温元件的外围电路要求简单，稳定性也相对不错，能够很大程度上简化硬件电路的设计，但其检测范围仅限于温度测量，检测功能单一，需要搭配湿度检测器件才能满足本设计要求，因此，该器件不适用于本系统的设计。

方案二：

DHT11传感器是一款能够输出温度和湿度的数字式温湿度一体传感器，并且该传感器的输出信号已经经过校准后输出给控制器。

为了确保该传感器的可靠性和稳定性，传感器内部采用了专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术[3]。

该传感器采用单总线的数据传输方式，并且其体积小，功耗低，传输距离能达到20米以上，能够很好的与单片机进行连接并嵌入到系统中。

DS18B20与DHT11相比，在功能和检测精度上都低于DHT11温湿度传感器，因此本设计选用方案二作为环境数据的检测器件。

DHT11温湿度传感器实物图如图2-3所示。

图2-3DHT11温湿度传感器

2.2.3烟雾传感器的选择

防止室内由于可燃气体的泄露而造成的重大事故，导致人员伤害和财产损失，因而设计了烟雾浓度检测装置。

烟雾传感器属于气敏传感器，所使用的敏感材料二氧化锡（SnO2），在正常的空间环境里，空气中导电率比较低。

当出现可燃气体或烟雾时，随着空气中可燃气体的浓度增高，烟雾传感器的电导率便会呈现线性增大[4]。

使用简单的电路就可以把电导率的转换为与可燃气体的浓度呈线性关系的模拟量信号进行输出。

烟雾传感器主要针对液化气，氢灵，丙烷的敏度较高，对于检测天然气等易燃蒸气的效果也非常好。

该传感器可以检测的可燃气体很多，因此非常适合用于各种应用场合的低成本传感器。

烟雾传感器如图2-4所示。

图2-4烟雾传感器

2.2.4震动传感器模块的选择

震动传感器是用于检测楼房或者周围环境有没有强烈的震感，以避免地震或危险震动所带来的灾害和损失。

SW-420为常闭式振动传感器，用于检测各种振动触发动作，被广泛应用于家庭防盗报警，地震震感报警器，汽车防盗器等。

本设计中利用此震动传感器检测室内震感，预防地震灾害。

震动传感器如图2-5所示。

2.2.4雨滴传感器模块的选择

雨滴传感器是用于检测室外环境下雨天气及雨量大小，提醒终端操作者，及时关闭窗户，防止雨水过大进入房间，造成地板、家具或窗帘的损害，减小不必要的物品和财产损失，本课题选用模拟量输出信号的雨滴传感器，该传感器检测范围宽泛，能够根据雨水量的大小，对系统预警值进行精确的报警，避免报警的误触发。

雨滴传感器如图2-6所示。

图2-5震动传感器图2-6雨滴传感器

2.2.5GSM无线通讯模块的选择

SIMCom公司生产的无线异步收发芯片SIM900A基于GSM标准协议，根据其基本性能和主要结构，设计一个使用SIM900A的GSM模块进行短消息发送远程故障的报告系统。

如果室内的某项监控数据出现异常变化，经过单片机处理后，由SIM900A的GSM模块直接发送报警短信息到特定用户的移动终端上，显示环境异常的信息或环境的实时数据[5]。

该系统利用GSM移动通信网络的短消息业务快速性、稳定性和相对低廉的费用，可以很好的嵌入到一个大型的家居环境监控系统和无人值守的系统中，这些系统能够满足客户所需要的高可靠性，及时性和易用性，以及性能稳定，具有很高的性价比[6]。

所选用的SIM900A模块如图2-7所示。

2.2.6液晶显示模块的选择

方案一：

人机交互界面在每个系统中都有很重要的作用，LCD12864液晶显示就是一种常见的人机界面显示方式，LCD12864的显示功能比较强大，不仅仅能显示中文和英文，而且一些较为复杂的图形符号都可以通过编程的方式在液晶屏上显示出来，LCD12864液晶屏与单片机的连接方式有串行连接和并行连接，可以根据不同场合和显示数据量的大小进行选择。

并行连接的数据显示和传输速度快，适合对显示速度要求高的场合，但是IO资源占用的较多；串行连接的数据显示和传输速度相对较慢，但是其IO资源占用较少，对显示速度要求不高的场合可以选用串行方式连接[7]。

并且LCD12864液晶屏的显示程序比较简单，与外部控制器的电路设计连接非常方便，能够很好的嵌入到系统中。

方案二：

选用数码管对数据显示。

数码管一般都是七段数码管，分为共阴极数码管和共阳极数码管，其编程方式采用循环扫描将不同的数据和变量在数码管上显示出来，数码管的市场价格相对便宜，而且编程简单，但是该模块只能显示简单的英文字母和阿拉伯数字，其显示效果相对较差，并且外围电路的搭建较为复杂，需要配合74HC595等类型的锁存器使用，较为复杂[8]。

但是数码管的显示对单片机的初学者能起到很好的编程思路学习，但是本系统设计要求较高，不适应用数码管进行显示。

经过对系统分析，最终选择方案一作为本系统的人机交互显示方式的模块。

LCD12864液晶显示器图2-8所示。

图2-7SIM900A模块图2-8LCD12864液晶显示器

2.2.7报警模块的选择

在系统中，声光报警的作用是进行听觉和视觉的双重感官提醒，因此在设计过程中必须考虑到警报灯的颜色对人眼的视觉刺激程度。

在日常生活中，各种常见的LED照明都有自己的亮度和意义，往往采用绿色表示正常，黄色代表提示，红色则表示错误警告，因此从人们的习惯出发，用红色的LED发光二极管当作灯光报警。

红色发光LED实物图如图2-9所示。

声音报警在设计是要求可以在一定范围内听到警报声，为了减少制作成本，使用蜂鸣器来进行设计。

蜂鸣器只需要经过驱动电路便可以发出声音，并且可以通过改变控制信号的频率，使发出的声音产生不同的声波，报警不同频率的声音可以被用来区分警报信号的类型。

蜂鸣器实物如图如图2-10所示。

图2-9红色发光LED实物图2-10蜂鸣器实物

第3章系统模块的电路设计

3.1单片机电路设计

此次设计的芯片采用的是STM32F103C8T6单片机，由于STM32系列基于ARM Cortex-M3内核的高性能单片机，其工作频率高达72MHz，芯片内部集成有高速存储器，丰富的IO接口[9]。

内部包括多路ADC接口、串口、中断定时器、硬件SPI、CAN通信以及外部中断等多种资源接口。

STM32F103C8T6单片机的温度工作范围很宽，能够在零下40摄氏度到零上105摄氏度的范围里面正常工作。

并且该单片机的工作电压一般在3.3V左右就能正常工作，其功耗非常低，因此能够很好的嵌入到大部分系统中[7]。

本课题选用的单片机最小系统原理图如图3-1所示。

图3-1STM32F103C8T6最小系统原理图

3.2温湿度传感器电路设计

DHT11传感器是一款能够输出温度和湿度的数字式温湿度一体传感器，并且该传感器的输出信号已经经过校准后输出给控制器。

为了确保该传感器的可靠性和稳定性，器内部采用了专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术。

该传感器采用单总线的数据传输方式，并且其体积小，功耗低，传输距离能达到20米以上，能够很好的与单片机进行连接嵌入到系统中。

DHT11温湿度传感器的湿度检测范围是20％~90％RH；±5％RH的测量精度；温度检测的范围是0~50℃，±2℃的测量精度，其额定供电电压在3.0至5.5V均可，供电范围较宽，响应时间短，最长不超过5秒，DHT11温度传感器有4个外接引脚，给传感器上电后，需要经过一秒钟左右的预热时间，因为刚上电会有一个不稳定过程，所以在这段时间内控制器不需要发送任何指令个传感器。

DHT11实物如图3-2所示。

图3-2的三个引脚中有两个是电源引脚，有一个是输出数据的引脚，只需要给模块供上额定的电压，然后就可以通过单片机的某个IO口从DHT11的输出引脚采集到所需要的温湿度数据。

DHT11是数字式的温湿度传感器，所以其DATA端可直接以数字方式传输所采集的当前环境温湿度数据，由于DHT11是通过单总线的通信方式进行检测数据的输出，所以仅需将CPU的一个IO接口与DHT11的DATA端连接在一起就能够进行实时温湿度数据的采集了，为了保证接收数据的稳定性和正确性一般都会在DHT11的输出端与单片机的连接处焊接一个5K的上拉电阻，该电路的设计相对于其他电路来说比较简单[10]。

DHT11传感器典型应用电路如图3-3所示：

图3-2DHT11实物图图3-3DHT11传感器典型应用电路

3.3烟雾传感器电路设计

烟雾传感器在工作时，内部的加热丝会产生大量的热量，因此需要较大的工作电流，因此对供电电源有一定的要求，至少应该使用电流在1A以上的电源。

MQ-2在测量时，输出的电阻值会随着空气中烟雾和可燃气体浓度的改变而发生变化。

外部使用电位器来检测阀值，电压信号经过调整以后送到后面一级，经过由LM393组成的比较器进行比较，最终将得到的模拟量电压信号输出，以便控制器对其进行数据的收集与处理。

MQ-2模块与单片机的电路连接如图3-5所示[11]。

图3-5MQ-2模块与单片机连接电路图

3.4震动传感器模块设计

SW-420为常闭式振动传感器采用了比较器输出，波形好，信号稳定，有较强的驱动能力，电流大于15mA。

如果没有震动时，振动开关处于导通状态，输出低电平，绿色的指示灯点亮；有震动时，振动开关断开，输出高电平，绿灯不亮。

输出可直接连接到单片机，由单片机来检测电平的高低，从而检测有无振动，发出震感报警信号。

SW-420与单片机连接的电路原理图如图3-6所示。

图3-6SW-420震动传感器与单片机连接电路图

3.5GSM无线通讯模块设计

单片机与SIM900A模块的连接和控制主要是通过串口进行控制。

SIM900A的串口提供了很多控制线，这样就会使得接口变得非常复杂。

为了使设计简单化，采用串口的方式与单片机连接，这样仅需要三根线即可实现单片机与SIM900A模块之间的通信，即发送线TXD，接收线RXD，地线GND三根线。

通过SIM900A模块发送短信息需要单片机通过串口发送相应的指令才能实现，SIM900A模块的控制指令采用简单的AT指令即可实现短信息和电话功能，在本设计中主要使用了模块的短信息功能，短信息功能有分为Text模式和PDU模式，两种短信息模式在发送指令上有部分差别，根据不同的功能需要，在本设计系统中两种模式均涉及。

本设计选用SIM900A模块作为系统的GSM通讯模块，主要考虑其功耗低，运行稳定且体积较小，安装较为方便等优点。

SIM900A模块的与单片机的的连接需要经过RS232电平转换芯片，电路连接如图3-7所示[12]。

图3-7SIM900A模块与单片机连接电路图

3.6显示电路设计

在本系统中LCD12864液晶显示用于显示当前的日期时间、系统周围的温湿度、烟雾浓度及雨量检测数据。

LCD12864的显示功能比较强大，不仅仅能显示中文和英文，而且一些较为复杂的图形符号都可以通过编程的方式在液晶屏上显示出来，LCD12864液晶屏与单片机的连接方式有串行连接和并行连接，可以根据不同场合和显示数据量的大小进行选择。

并行连接的数据显示和传输速度快，适合对显示速度要求高的场合，但是IO资源占用的较多；串行连接的数据显示和传输速度相对较慢，但是其IO资源占用较少，对显示速度要求不高的场合可以选用串行方式连接。

并且LCD12864液晶屏的显示程序比较简单，与外部控制器的电路设计连接非常方便，能够很好的嵌入到系统中。

虽然本系统中单片机接口资源丰富，但是考虑减轻电路焊接的工作量，所以采用串行传输的方式与LCD12864液晶显示屏连接通讯。

LCD12864液晶显示屏电路连接如图3-8所示。

图3-8液晶显示电路

3.7蜂鸣语音报警模块及模拟继电器LED指示模块

由于蜂鸣器是直流电压驱动器件，只需要给蜂鸣器供上额定的电压就能驱动蜂鸣器发出响声。

单片机驱动蜂鸣器有两种方式：

一种是通过单片机输出PWM直接对蜂鸣器进行驱动，另一种是通过单片机的IO电平翻转产生不同的驱动波形对蜂鸣器进行驱动[13]。

因为蜂鸣器的工作电流比较大，所以无法直接通过单片机的IO口进行驱动，一般需要通过放大电路才能驱动蜂鸣器发出声响。

驱动电路如图3-9所示。

LED报警指示功能的驱动电流和驱动方式较为简单，可以通过单片机的IO直接驱动。

报警驱动电路如图3-9所示。

图3-9报警驱动电路

3.8电源驱动模块

电源适配器能够很好的输出较为平稳的直流电压，其输出电流也相对稳定，并且电源适配器有塑料外壳能够起到电源芯片的防尘和防爆作用，其内部电路的功耗较低，稳定性也相对比较好，携带也比较方便。

电源适配器一般都具有多种自我保护功能，使用更加安全可靠。

此处我们选用5V-1A的直流输出型电源适配器作为电源驱动模块。

这种电源驱动模块安全可靠、运行稳定、工作效率高，并