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1、第2 8 卷第2 期机电工程V 0 1 2 8N o 22 0 1 1 年2 月J 0 u m a lo fM e c h 卸i c a l E l e c t r i c dE n g i n e e r i n gF e b 2 0 l l基于G S M 短信与射频模块的远程二级控制系统设计水卢允伟1，陈友荣2，陈芳3(1 浙江建设职业技术学院人文与信息系，浙江杭州3 1 1 2 3 l；2 浙江树人大学信息科技学院，浙江杭州3 1 0 0 1 5；3 浙江大学继续教育学院，浙江杭州3 1 0 0 2 9)摘要：针对在同一区域内需要控制大规模对象时，每个短信模块只控制一个对象的方法存在成本
2、大、操作复杂等问题，因此设计基于G s M 短信和射频模块的远程二级控制系统。该系统包括基站和位于基站无线射频通信范围内的多个节点。用户手机通过G S M短信实现系统的第一层控制，即基站的远程控制。基站通过无线射频实现系统的第二层控制，即小区域内多个节点的区域控制。研究结果表明，远程和区域的二级控制系统降低系统成本，简化系统电路，可以应用到智能家居、门禁系统、农业灌溉控制等很多领域，具有一定的应用价值。关键词：G S M 短信；单片机；远程控制；射频模块中图分类号：T P 2 7 3；T N 9 2 9 5文献标志码：A文章编号：1 0 0 1 4 5 5 1(2 0 1 1)0 2 0 2
3、4 3 0 5R e m o t es e c o n d a r yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nG S Mm e s s a g e sa n dR Fm o d u l e sL uY u n w e i l，c H E NY o u r o n 孑，c H E NF a n 矿(1 D e p a r t m e n to fH u m a n i t i e s&I n f o 册a t i o n，Z h e j i a n gC o l l e g eo fC o n s t l l l c t i o n，H a n g z h o u
4、31 12 3l，C h i n a；2 I n f o 瑚a t i o nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yC o U e g e，Z h e j i a n gS h u r e nU n i v e r s i t)，H a n g z I l o u3 1 0 0 1 5，C h i 眦；3 S c h o o lo fC o n t i n u i n gE d u c a t i o n，Z h e j i a n gU n i V e r s i t y，H a n g z h o u310 0 2 9，C h i n a)A b s t
5、 m c t：A i m i n gt h a tan u m b e r“o b j e c t si nt h es a H I er e g i o nw e r e 脯e d e dt oc o n t m l，t h em e t h o dt l l a tam e s s a g em o d I I l ec o n t m l l e d 卸o b j e c th a dI a f g ec o s t，c o m p l i c a t e do p e r a t i o na n da t I l e rp m b l e 瞄I l lo r d e rt o I V
6、 et h ep m b l e m，r e m o t es e c d a r yc o n t r o ls y s t e mb 鸹e d G S Mm e s s a g e sa n dR Fm o d u l e sw 鹊p r o p o s e d n es y s t e mc o n t a i n e dab a s es t a t i o n 舳dm u l t i p l en o d e 81 0 c a t i n gi nt h eR Fc o m m I l I l i c a t i o n 聊1 9 eo fb es t a t j o n U s j
7、 n gt l l eG s Mm e s s a g e s，t l l eu s e r，8m o b i l ep h 咖ea c h j e v e dt l l ef i r s I l e v e lc 伽删，t J l eb a s t a t i o n，s 删n o t ec o n t r 0 1 U s i n gm ew i r e l e s 8R F，b a s es t a t i o na c h i e v e dt h e8 e c o n dl e v e lc o n t m l，t h em u l t i p l en o d 鹤r e g i o
8、n a lc o n t I di nt h e8 m a l lr e g i o n R e s e a c hr 鹄u l t si n d i c a t et h a tt I l i ss y s t e mr e d u c 酷s y s t e mc o s t s，s i m p l i f i e ss y s t e mc i r c u“I tc a nb e 印p l i e dt om 卸yc o n t m l 舢脚s u c ha s8 m a nh o l e，a c c e s sc o n 州s y s t e m s，a n da 猡r i c u l
9、t 州i r r i g a t i o na n dh a sc e n a i na p p l i c a t i o nv a l u e K e yw o r d s：G s Ms h o r tm e s s a g e；s i n 甜ec h i p；r e m o t ec o n 打o l；R Fm o d u l eO引言随着网络技术和通信技术的不断发展远程控制已成为必然趋势。现有的远程控制系统方式主要是以下两种：I n t e m e t 网络和移动通信网络。前者需要上网，因此要布置自己的网络线路。该方式具有工程量大、成本高等问题，主要应用在工业控制等领域。后者直接利用现
10、有的移动通信网络实现远程控制，通信成本低，不受通信线路和地区限制，主要应用在智能家居、安防、环境监测等领域。在移动通信诸多业务中，短信业务己得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。收稿日期：2 0 1 0 0 8 3 0基金项目：浙江建设职业技术学院院级科研项目(2 0 0 9 0 3)作者简介：卢允伟(1 9 7 5 一)，男。浙江东阳人主要从事无线传感网和计算机网络方面的研究E r I l a i l：l y w l l 0 3 1 6 3 咖万方数据2 4 4 机电工程第2 8 卷短信业务以其价格低廉、使用方便、信息传递准确及时、存储转发、离线通
11、信等优点而倍受用户欢迎。因此利用短信实现远程控制系统具有一定的可行性。目前，市场上有很多短信控制产品，其每个短信模块只控制一个对象。面对同一区域内大规模控制对象时，这种方法明显存在成本大、操作较为复杂等缺点。如果在这区域内布置一个带有短信功能的控制中心，通过控制中心的低成本无线射频单元控制区域内大规模对象，这种方法可以方便地实现远程控制，降低整个控制系统的成本。1系统设计方案系统原理图如图1 所示，系统包含一个基站和多个节点。在一个区域内，首先，用户通过手机对基站发送命令短信。基站接收到用户的命令短信，读取短信内容。其次，基站通过低功耗、低成本的无线射频通信单元对节点发送命令包。节点接收到基站
12、的命令包后，对命令进行译码，地址符合的节点按照命令执行程序，并反馈状态信息包。地址不符合的节点则丢弃该命令包。最后，基站根据节点反馈的状态信息包，以短信的方式通知用户是否设置成功口J。图l 系统原理框图1 1 基站设计方案基站原理框图如图2 所示，基站包括第一供电单元、第一无线射频通信单元、第一G S M(G l o b a ls y s t e mf o rM o b i l eC o 舢u n i c a t i o n s)单元、第一串口单元和第一微控制器单元。其中：第一供电单元，用于为基站的正常工作供电，外接5V，2A 电源；第一无线射频通信单元，用于实现基站与节点之间的无线通信，采用
13、N R 跏5 芯片的4 3 3 M 频段通信；第一G S M 单元，用于实现基站与用户手机的通信，采用西门子的T C 3 5 i 模块；第一串口单元，用于实现基站上位机的通信；第一微控制器单元，用于处理基站与用户手机的短信数据、基站与节点的无线射频数据、基站与上位机的串口通信数据，以及存放各种变量和缓存数据，是基站的数据处理中心J。臣习早呼第邶M 单元H 轳攀訾器H 第卅l 单元第一供电单元图2 基站原理框图1 2 节点设计方案节点原理框图如图3 所示，节点包括第二供电单元、第二无线射频通信单元、响应电路单元和第二微控制器单元。其中：第二供电单元，用于为节点的正常工作供电，用一节蓄电池供电或外
14、接5V 电源；第二无线射频通信单元，用于实现节点与基站的无线射频通信，接收基站命令包和反馈状态信息包，采用N R D 0 5 芯片的4 3 3M H z频段通信；响应电路，控制对象状态，如家里的灯、窗帘、门窗等；第二微控制器单元，用于处理节点接收到的基站控制信息，控制响应电路和反馈状态信息。图3 节点原理框图2 系统硬件设计2 1 硬件的选型目前市场上G S M 模块种类比较多，西门子的T C 3 5 系列模块性价比很高，操作简单，并且已经有国内的无线电设备入网证，因此G S M 模块选用西门子T C 3 5 i。无线数据传输模块市场上也比较多的，其中N R 网0 5 芯片配置简单，并且功耗低
15、，传输距离较远，因此无线射频传输模块采用基于N R F 9 0 5 的无线射频模块。由于S T C 公司单片机通过串口直接擦写程序等优点，基站单片机选用S T c 8 9 L E 51 6 R D，节点单片机选用S T C 8 9 L E 5 2 H J。2 2 基站的硬件设计2 2 1 第一供电单元如图4 所示，第一供电单元采用外接5V，2A 电源。第一G S M 单元中，T C 3 5 i 模块工作电压为3 3V 5V，稳定工作电压4 4V 左右，在启动连接登陆网络的传输过程中要求电源能提供2A 的峰值电流、不大于4 0 0m V 的压降。第一无线射频通信单元需要3 3V电源，采用A M
16、S l l l 7 芯片，5V 直接转化成3 3V 的直流电源。万方数据第2 期卢允伟，等：基于G s M 短信与射频模块的远程二级控制系统设计-2 4 5 G N D图4 第一供电单元的电路原理图2 2 2第一无线通信射频通信单元如图5 所示，第一无线通信射频通信单元采用苏州天铱电子科技有限公司的N R 丹0 5 射频模块”J。该模块分为3 种接口：模式控制接口、S P I 接口、状态输出接口。模式控制接口由P w R、T R x C E、T x E N 组成控制由N R 眄0 5 组成的高频头的4 种工作模式：掉电和S P I 编程模式；待机和s P I 编程模式；发射模式；接收模式。S
17、P I 接口由C S N、S C K、M O S I 以及M I S O 组成。在配置模式下微控制器通过s P I 接口配置高频头的工作参数；在发射接收模式下微控制器通过S P I 接口发送和接收数据。状态输出接口为：提供载波检测输出C D，地址匹配输出A M，数据就绪输出D R。接口连接微控制器的P 1 O P 1 7，P 2 0 一P 2 2 管脚。_I G N DV C CP C 03T X E MT R X C E4P C IP C 25P、U U PU p C L K6P C 3P C 47C DA M8P C 5P C 69D RM I S ol OP C 7P B O1 1M O
18、 S IS C K1 2P B lP B 21 31 4C S NN CN R F 9 0 5图5 第一无线通信射频通信单元的电路原理图2 2 3第一G S M 单元如图6 所示，第一G S M 单元采用西门子的T C 3 5 i模块【6 7 。电路接口包含T C 3 5 i 接口和S I M 卡接口。T C 3 5 i 接口有4 0 个引脚，通过一个Z I F(z e mI n s e n i o nF o r c e，零阻力插座)连接器引出。T C 3 5 i 的1 8 脚R X D和微控制器的R x D 第1 0 脚连接，T c 3 5 i 的1 9 脚T x D和微控制器的r I X
19、D 第1 l 脚连接，进行数据输入输出。T C 3 5 i 的启动端第1 5 引脚连接按键，上电后可以给一个低电平信号T C 3 5 i 就会登录G s M 网络，登录成功与否通过3 2 引脚连接着的D 1 可以查看，如果登陆成功D l 就会闪烁。T c 3 5 i 的l 一5 接电源4 4V，6 l O 接地。T C 3 5 i 使用外接式S I M 卡，2 4 2 9 为S I M卡引脚，S I M 卡同T C 3 5 i 是这样连接的：S I M 上的C I O、C C L K、C R S T、G N D 和C V C C 通过S I M 卡阅读器与T c 3 5 i 的同名端直接相连。
20、T C 3 5 i 上的c c I N 与C C V C C 相连，这种连接方式是由S I M 卡阅读器决定的。z I F 连接座的C C I N 引脚用来检测S I M 卡是否插好，如果连接正确，则C C I N 引脚输出高电平，否则为低电平。图6 第一G S M 单元的电路原理图2 2 4 第一串口单元如图7 所示，第一串口单元采用单电源R S-2 3 2 发送接收芯片M A X 2 3 2，外接只需4 个电容。c 4、c 5、C，、C 是电荷泵升压及电压反转部分电路，产生V+、V 一电源供R S-2 3 2 电平转换使用，C。是电源对地去耦电容。5 个电容位置必须尽量靠近M A X 3
21、2 3 2 芯片引脚，以提高抗干扰能力。图7 第一串口单元的电路原理图2 2 5 第一微控制器单元如图8 所示，第一微控制器单元采用s T C 公司的s T C 8 9 L E 5 1 6 R D 单片机芯片，3 3V 电源，6 3K B 的F l a s h 程序存储器，12 8 0B y t e s 的R A M 存储器。S T C 8 9 L E 5 1 6 R D 由4 0 个引脚组成，电路中有1 个引脚接地，1 个引脚接3 3V 电压，I D 和1 )【D 分别与G S M 模块T C 3 5 i 的R x D 和T X D 直接相连用来数据的输出与输入，P l 口以及P 2 0 一
22、P 2 2 口接N R D 0 5 模块，通过s P I 口控制N R 眄0 5 模块的工作方式。引脚9、1 8、1 9 外接电容、晶振、电阻、按键共同构成了单片机最小系统。正 rPP万方数据2 4 6 机电工程第2 8 卷4“劲围|目5艘品J 9S T C 8 9 L E 51 6G N D图8 第一微控制器单元的电路原理图F 2 3 节点的硬件设计2 3 1 第二供电单元如图9 所示，节点中的第二供电单元采用一节9V蓄电池或5V，lA 的稳压电源。外接9V 蓄电池电压从J 9 进入，经过电容C，和电容C：的滤除交流电压，再通过7 8 0 5 芯片稳压成5V，或者直接从儿0 输入5V，lA
23、的稳压电源。5V 电源采用A M S l1 1 7 芯片转化成3 3V 的直流电源提供给各个单元。图9 第二供电单元2 3 2 第二无线射频通信单元节点中的第二无线射频通信单元接口和基站的无线射频通信单元接口功能一样，只是接口连接微控制器的管脚不同。2 3 3 响应电路单元节点中的响应电路单元采用节点上4 个指示灯和4 个按键，其分别接微控制器的P 1 0 一P 1 4，P 3 2 P 3 4。也可以替换成其他控制对象，如家里的灯、窗帘、门窗等对象。2 3 4 第二微控制器单元节点中的第二微控制器单元采用S T C 公司的S T c 8 9 L E 5 2 单片机芯片，3 3V 电源，4K B
24、 的n 髂h 程序存储器，5 1 2B”e s 的R A M 存储器。P 3 5。P 3 7 和P 2 口外接N R F 9 0 5 模块。3 系统软件设计3 1 基站程序设计如图1 0 所示，基站设备软件流程如下旧。10|：(1)基站设备上电后，进行各个模块的配置和初始化，同时删除s I M 卡中没用短信，等待手机命令短信。(2)通过T C 3 5 I 模块收到短信后读取短信内容，并判断短信内容是否有效。若有效，单片机将N R F 9 0 5 射频芯片配置成发送模式，同时再根据短信内容给对应节点设备发送控制指令。(3)指令发送完毕后再将N R F 9 0 5 配置成数据接收模式，等待节点设备
25、的反馈状态信息，在一定时间内收到反馈状态信息并判断反馈状态信息是否有效，如果有效，节点设置成功，否则节点设置失败。(4)如果成功，删除原来接收的手机短信，基站再通过T c 3 5 I 发送设置成功短信给手机。如果失败，则发送设置失败短信，返回步骤(1)。图l O 基站程序流程图3 2 节点程序设计如图1 l 所示，节点软件流程如下：(1)节点设备上电复位后，进行设备初始化。(2)单片机将N R 眄0 5 模式设置成数据接收模式，等待来自基站设备的命令包。(3)接收到基站设备数据后判断数据是否为基站设备的控制指令，如果是。节点设备根据控制指令作出响应。(4)单片机将N R F 9 0 5 模式设
26、置成数据发送模式，并将响应结果通过N R F 9 0 5 反馈给基站设备。反馈状态信息发送完毕后，N R F 9 0 5 返回到接收数据状态并继续等待来自基站设备的数据。“葶甏豁莪璧藩麟蒜鼢豢粥船靶矗好曲手彻旷藿|堂呵万方数据第2 期卢允伟等：基于G s M 短信与射频模块的远程二级控制系统设计2 4 7 图1 l 节点程序流程图4 系统实物效果如图1 2 所示，基站实物图分成两块，左边硬件包括T C 3 5 i 模块，单片机S T c 8 9 L E 5 1 6 R D 芯片，电源，指示灯(从左到右)，右边硬件是N R F 9 0 5 模块，两硬件通过导线连接。当前基站正处于等待控制手机短信
27、状态，如有短信接收，最下的指示灯暗，读取短信内容。成功读取信息后，指示灯变亮，短信控制命令通过右边的N R 内0 5 发送到节点。如图1 3 所示，节点实物图包括蓄电池、电源、串口、单片机S T C 8 9 L E 5 2、N R F 9 0 5 模块(从左到右)。当前节点正处于响应命令状态，指示灯变亮，并反馈A C K 命令给基站。基站在接收到A c K命令，把当前配置状态通过短信反馈到用户。图1 2 基站实物图图1 3 节点实物图5结束语本研究设计了基于G S M 短信和射频模块的远程二级控制系统的硬件和软件。实验表明：用户通过手机发送短信指令给基站后，基站能够及时将短信读取并识别内容，再
28、通过无线射频模块控制节点。节点在收到基站的控制指令后能作出相应的响应。最终基站将控制状态以短信的方式反馈到用户手机中，从而实现了通过G S M 短信和无线射频控制多个分离节点的功能。本系统在实际应用中具有一定的可行性，可以应用到智能家居、门禁系统、农业灌溉控制等很多领域，具有一定的应用价值。参考文献(R e f e r e n c 酷)：1 余红珍，何顶新基于G s M 短信的家电远程控制系统 J 自动化与信息工程，2 0 0 6，2 6(2)：2 4-2 5 2 T s E N GCL，J I A N GJA，L E ERG，e ta 1 F 色a s i b i I i t ys t u
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30、 d i cV L s IA s A s i n g l ec h i p4 3 3 8 6 8 9 1 5M H zt r a n s c e i v e rn R 眄1 0 5 M N o r d i cV L s IA s A，2 0 0 4 6 程全，李向东基于G s M 模块与A 鸭9 C 5 l 的接口设计及应用 J 。3 G 与G s MG P R sc D M A，2 0 0 6，2 6(1 0 2)：2 9 3 2 9 5 7 s i e m e n sC o m p 鲫y T c 3 5 ih a r d w a r ei n t e 打如ed e s c r i p t
31、i 叩 s P m d u c ts p e c 讯c a t i o n，2 0 0 3 0 l，V e r s i o 棚O 0 3 8 戴一平，张耀，朱玉堂基于G s M 无线网络的变频恒压供水控制系统 J 机电T 程，2 0 0 8，2 5(1 0)：5 5-5 8 9 李鸿用单片机控制手机收发短信息 J 电子技术应用，2 0 0 3，1(7)：2 4-2 6 1 0 s i e m e n sc o m p 明y T C 3 5 iA Tc o m m a n ds e t M V e r3 0 1 S i e m e n sC o m p 蚰y，2 0 0 3 编辑：李辉(上接第2
32、 2 6 页)；，5 T e)【a sI n s t m m e n t s c h i p c o np r o d u c t sf r o mT e x a sI n s t m m e n t sc C 2 4 3 0d a t 鹊h e e t M T 毛x 鹊I n s t m m e n t s。2 0 0 6 6 I E E Es t d 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3，I E E Es t a n d a f b rL o c a l 粕dM e t m p o l i t a nA r e aN e t w o r k s P a n1 5 4，“W i r e l
33、 e s sM e d i u mA c c e s sC o n t m l(M A C)a n dP h y s i c a ll a y e r(P H Y)S p e c i f i c a t i o n sf 出b w R a t eW i r e l e 8 s P e r s o n a lA r e aN e t w o r k s(L R W P A N s)”S I E E EP r e s s，2 0 0 3 7 R A NP e n g，s u NM a o-h e n g，z o uY o u m i n Z i g B e eR o u t i n gS e l
34、e c t i o ns t 甩t e g yb a s e do nD a t aS e r v i c e s 粕dE n e r g)，-b a l。柚c e dZ i g I，e eR o u t i n g c P m c e e d i n g so ft h e2 0 0 6I E E EA s i a-P a c m cC o n f e r e n c eo nS e i c e sC o m p u t i l l g(A P S C C 倘)G u a n 铲h o u：s n 。2 0 0 6：s n 8 李文仲，段朝玉z i g B e e 无线网络技术入门与实战 M
35、 北京：北京航空航天大学f i 版社，2 0 0 7 9 瞿雷，刘盛德，胡咸斌z i g B e e 技术及应用 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 7 编辑：李辉万方数据基于GSM短信与射频模块的远程二级控制系统设计基于GSM短信与射频模块的远程二级控制系统设计作者：卢允伟，陈友荣，陈芳，LU Yun-wei，CHEN You-rong，CHEN Fang作者单位：卢允伟,LU Yun-wei(浙江建设职业技术学院,人文与信息系,浙江,杭州,311231)，陈友荣,CHEN You-rong(浙江树人大学,信息科技学院,浙江,杭州,310015)，陈芳,CHEN Fang(浙江大学
36、,继续教育学院,浙江,杭州,310029)刊名：机电工程英文刊名：MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINE年，卷(期)：2011,28(2)参考文献(10条)参考文献(10条)1.李鸿 用单片机控制手机收发短信息期刊论文-电子技术应用 2003(07)2.戴一平;张耀;朱玉堂 基于GSM无线网络的变频恒压供水控制系统期刊论文-机电工程 2008(10)3.Siemens Company TC35i hardware interface description 20034.程全;李向东 基于GSM模块与AT89C51的接口设计及应用 2006(102)
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