模块的GSM远程智能家居控制系统的设计好毕业设计.docx
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模块的GSM远程智能家居控制系统的设计好毕业设计
基于TC35模块的GSM远程控制系统的设计
摘要
随着GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈,新技术和新业务的开发和应用已经提到一个十分重要的位置。
短消息业务(SMS)作为GSM网络的一种基本业务,已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。
本文提出了一种基于GSM短消息的远程控制系统,在给出系统的总体设计的基础上,设计了系统的硬件和软件,并对其应用领域作了一些探讨和研究。
系统以GSM网络作为远程信号的传输平台。
对GSM网络体系结构作了详细的讲解,并且着重讲述了对于本课题相当重要的短消息业务的通信原理。
数据的传输方式主要是短消息方式,系统中采用PDU模式,对短消息的PDU编码和解码进行详细的讲述。
短消息的接收和发送是通过AT指令来实现的,讲述了常见的AT指令及其使用方法。
系统的硬件设计中,对主要硬件TC35和MSP430F149单片机及其外围电路进行了详细的讲述。
系统分为两个部分进行设计——控制中心站和远程控制分站:
控制中心站硬件包括一台PC机,GSM通信模块TC35,两者通过RS232连接;远程控制分站硬件包括GSM通信模块TC35,MSP430F149单片机,显示单元,各种传感器和数据采集与处理单元。
系统的软件设计包括控制中心站软件设计和远程控制分站软件设计。
远程控制分站软件设计中运用IAR公司为MSP430系列单片机开发的C430集成开发环境和C语言调试器作为程序开发工具,其软件包括单片机初始化、主程序、信号采集中断程序、通过串口的短消息接收和发送程序。
论文的最后部分以GSM短消息的远程控制系统为基础,结合温度检测技术设计出一套基于GSM的远程温度控制系统,并给出了此系统应用领域的一些探讨和研究。
关键词:
MSP430,GSM,TC35,远程控制,AT指令
Abstract
AlongwithrapidpopularizationandfuriouscompetitionofGSMnetwork,researchandapplicationofnewtechnologyandnewoperationmentionedtoaquiteimportantposition.SMSasabasicserviceofGSMnetworkattentedbymoreandmoresystemoperatoranddeveloper,andkindsofapplicationsbasedonthisservicerapiddeveloped.ThispaperpresentaremotemonitoringsystembasedonGSM-SMS,thispaperfirstpresentsthesystemdesignasawhole,thenpresentstheofsystem,atlastpresentssomediscussionsandinvestigationinapplyingfield.
InthissystemGSMnetworkisamediumfortransmittingtheremotesignal,itpresentsdetailedexplanationofGSMnetwork‘ssystemstructureandemphasizesthecommunicationprinciplethatisimportantforthetask.ThemodeoftransmittingdataismostSMS.PDUmodeisusedduringtransmittingSMS.ItpresentsencordinganddecodingofSMSPDUmode.TransmittingandreceivingSMSisrealizedbyusingATcommand.ItpresentsthefamiliarATcommandandusingmethod.
ItpresentsTC35andmicrochipMSP430F149MCUandperipheralcircuitduringdesignofsystem.ItconsistsofacomputerandaTC35communicationmoduleofGSMinthemonitoringcenterputerandTC35arejoinedbyRS232.ItincludesaTC35communicationmoduleofGSM,aMSP430F149MCU,adisplaypartandagatheringdatapart.
Itincludesthemonitoringcentersoftwareandtheremotemonitoringstationsoftwareindesignofsystemsoftware.TheremotemonitoringstationsoftwareisdesignedwithC430integrationdevelopingenvironmentthatIARdesignedforMSP430singlechipandC-languagedebugger.ItincludessinglechipinitializationandmainprogramandinterruptofgatheringsignalandSMSreceivingandtransmittingprogramthroughtheserialport.Intheendofthepaper,itpresentsaremotetemperaturemonitoringsystembasedonGSM,usingthedesignedsystemofremotemonitoringsystembasedonGSM-SMSandtechniqueofmeasuringtemperature.Andthenpresentsanydiscussionsandinvestigationinapplyingfield.
Keywords:
GSM;SMS;remotemonitoring;PDUmode;ATcommand;MSP430
摘要I
AbstractII
目录IV
前言-1-
1总体方案与论证-3-
1.1设计方案模块-3-
1.2无线通信模块-4-
1.3控制单元模块的选择-4-
1.4电源模块的选择-5-
1.5系统总体框架-5-
2系统硬件模块设计-7-
2.1电源及复位电路的设计-7-
2.1.1MSP430电源模块的设计-7-
2.1.2TC35的电源模块-7-
2.1.3、复位电路-8-
2.2串口通信模块设计-9-
2.3GSM模块接口设计-10-
2.3.1、GSM模块简介-10-
2.3.2GSM模块接口设计-10-
2.3.3指示灯电路-12-
2.3.4SIM卡电路-13-
2.4串行存储器的设计-14-
2.5采集系统模块设计-15-
2.6外部继电器控制模块设计-16-
2.7单片机模块的设计-17-
3系统软件设计-21-
3.1串口程序设计-22-
3.1.1串口初始化程序-22-
3.1.2中断服务程序-23-
3.2存储程序设计-25-
3.2.1写操作-25-
3.2.2读操作-27-
3.3短消息程序设计-29-
3.3.1AT命令介绍-29-
3.3.2短消息的设置-33-
3.4信息采集控制程序设计-39-
总结-41-
致谢-42-
参考文献-43-
附件-44-
附件一:
系统总电路图-44-
前言
短消息业务(SMS)作为GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)网络的一种基本业务,以其连接简单、费用低廉、覆盖范围广、实现方便等优点得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视,基于短消息业务的各种应用也蓬勃发展起来。
短消息业务与语音及传真是GSM网络提供的主要电信业务,它通过无线控制信道进行传输,经短消息中心完成存储和转发功能,每条短消息的信息量为140bit。
在短消息的可靠传递基础上,GSM专业调制解调器的出现给GSM的发展注入了新的活力,它改变了传统的以语音为主要的通信手段,使GSM网络数据通信得到广泛的应用[1-3]。
目前市场上提供的GSM调制解调器和模块提供了RS232标准数据接口,采用AT指令控制,符合ETSI标准GSM0707和GSM0705。
基于这种技术,以GSM网络作为无线传输平台可以开发出多种应用领域。
目前远程控制主要有以下几种方式:
短距离长线控制;通过市话网;通过Internet网络;通过自组网络(CDPD网);通过数传电台方式。
短距离长线控制和通过自组网络(CDPD网)首先要自行建设通信网络,建网初期投资巨大,运营期间自主维护耗费人力物力较大,信号质量得以保证,效果好,相对运营费用高;通过市话网和Internet方式以现有的网络为依托,无需自行建设通信网络,但是由于市话网和Internet难以达到工业现场覆盖面,接入网络受到限制,局限性很大,网络运行效果取决于网络运营商,线路安全不能得到保证,其通信效果好,信号量大,运营费用相对低廉;数传电台出现较早,应用很广泛,是一种不错的无线数传方式,但是建网初期投资巨大,数传电台的传输范围有限,而且容易受到空间无线信号的干扰,信号不能得到保障,但是数传电台信号传输实时性好,运行费用低。
远程控制系统应用广泛,遍及国民经济的很多领域,而目前这些控制系统无论从成本、可靠性、稳定性、使用方便性、还是维护的难易程度等方面都不能最大限度的使人满意。
因此本文把GSM网络引入到远程控制系统中,提出了基于GSM短消息的远程控制系统。
GSM网络是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟完善、覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通信网络,GSM短消息业务不需要建立拨号连接,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标。
运用GSM短消息实现远程控制可靠性高、信号传播距离远、覆盖面积广,并且可以节省建网初期的巨额投资,运营期间无需维护网络,运行费用低廉。
1总体方案与论证
1.1设计方案模块
本设计是一个基于GSM模块的远程控制系统,GSM就是globalsystemformobilecommunications【电信】全球通,全球移动通信系统(亦称“泛欧数字式移动通信系统”,是一个根据欧洲电信标准协会出版的GSM技术规范建造的国际无线蜂窝网)。
GSM模块,是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上,具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。
本设计是一种利用手机短信息实现对远程监控设备如交通路灯,家庭里的门锁、家用电器、可视对讲、报警装置等进行智能控制或信息采集交流的设计思路。
系统的开发基于短信息技术、自动控制技术、计算机技术、数字通信技术及加密技术,系统利用相关的网络、计算机系统和控制器,以短信息为基本控制指令和数据信息传送方式,实现手机无线遥控和数据传送,通过专设的短信控制中心和服务中心,为远程监控设备提供全方位的数字化服务。
本设计就是用单片机控制GSM模块采集和控制远程设备信息的无线通信控制系统。
本设计采用模块化设计,整个系统由GSM模块、控制模块、电源模块和外围模块组成,系统的整体方案框图如下图1-1:
1.2无线通信模块
我们设计此系统的前提是基于短信方式,简单、方便使用、价格低廉的实用性系统,而不需要联网使用的GPRS通信模块,如SIM300T和MC35等系列模块。
所以我们有两种选择,一是用TC35模块和TC35i模块。
TC35和TC35i功能相似,随着西门子公司对TC35系列产品的发展,TC35i在相同技术领域相对TC35更胜一筹,但它的价格比TC35要昂贵得多,而且在本设计系统中的技术要求TC35同样能够达到标准,因此综合来考虑,选择TC35做为本设计系统的无线通信模块。
1.3控制单元模块的选择
控制模块是本设计的核心,通过外围电路和向GSM模块写入相关程序,控制部分要实现能够控制GSM模块短消息的接收和发送、接收频率、功耗大小、工作模式等各项参数的功能。
因此必须需要一个微控制器才能达到要求,而MSP430F149单片机开发板不仅满足设计要求,而且是自带AD转换器、显示器和本设计调试时所需的温度传感器模块,在短时间内和有限的条件下使设计更加轻松和方便。
因此本设计采用MSP430F149单片机开发板作为系统的控制核心。
1.4电源模块的选择
单片机的供电电压要求是3.3V,TC35模块要求的供电电压要求是2.5V~5.0V。
由于收音机模块的应用范围很广,比如手机中就采用3.7V锂电池供电,DVD、电视等系统中则是对220V市电进行变压后供电。
本设计中采用7805稳压芯片对系统进行供电,由于这个电源可以很容易得到,设计中不再单独给出。
1.5系统总体框架
本系统采用MSP430控制TC35无线模块进行远程通信。
通过读取TC35接收到的短信内容从而控制相应的外部继电器组工作,或者控制数据采集系统工作,把相应的数据通过串口0发给TC35模块,进而发送数据。
图1.1所示为系统远程端系统框图:
图1.1系统远程端框图
系统远程端负责数据采集及控制外部设备,以及存储重要的数据。
系统由MSP430单片机主控,TC35作为无线通信模块,继电器组控制外部设备,传感器组为数据采集模块,24LC02B串行存储器作为数据存储器,电源模块提供模块的电源供应。
图1.2所示为系统终端系统框图:
图1.2系统终端框图
系统终端由用户GSM手机或者PC机,PC由串口接TC35模块,上位机控制TC35模块通信。
2系统硬件模块设计
通过图1.1可知,硬件系统主要包括电源模块、串口模块、采集控制模块、GSM模块、串行存储器模块及单片机模块。
下面对各个模块进行详细介绍。
2.1电源及复位电路的设计
2.1.1MSP430电源模块的设计
MSP430电源模块:
使用TPS70633稳压芯片经稳压得到3.3V电压。
如图2.1所示。
图2.13.3V电源电路
为了使输出的3.3V输出电源的纹波小,在输出部分用了一个100uf和0.1uf的电容,另外在芯片的输入管脚也放置了一个100nf的滤波电容,以减小输入端受到的干扰。
2.1.2TC35的电源模块
TC35模块需要提供4V直流电压,如图2.2
图2.23.6V电源电压
对于TC35模块采用的4V供电,为了使输出的4V电压的纹波小,在输出部分用了一个22pf和100uf的电容,实现滤波。
另外在芯片的输入管脚也放置了100nf的滤波电容,以减小输入端受到的干扰。
2.1.3、复位电路
在单片系统中,为了保证系统在上电时进行初始化,同时也为了保证对电源的监视,需要采用复位芯片,在此系统中采用MAX809STR芯片,复位电路如下图:
图2.4复位电路
由上图可以看出:
该电路非常简单,只在电源管脚处加了一个0.1uf的电容进行滤波处理,以减小干扰。
2.2串口通信模块设计
该系统实现的串口电路(RS-232电路)主要是MSP430与上位机进行通信,实现单片机系统与上位机进行通信处理。
由于单片机与上位机进行通信时接口电平不同,因此需要进行接口转换,这里采用MAX3238E芯片来完成接口电平的转换。
具体的RS-232电路图如图所示。
图2.5RS-232电路图
由图可以看出,通过一个上拉电阻将SHDN管脚拉高,使该芯片一直处于工作状态,如果系统需要处于低功耗状态,也可以通过单片机来控制该管脚。
工作时将该管脚设置为低电平,需要处于低功耗时将该管脚设置为高电平这样很容易实现控制。
在管脚C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-分别放置0.1uf电容实现充电作用,满足相应的充电电泵的要求,管脚T1OUT、TIN、R1OUT和RIN分别是232转换的输入输出脚,实现单片机的TTL电平与上位机的接口电平的转换。
考虑到减小电源的干扰,还需要在芯片的电源输入管脚加一个104pf的电容来实现滤波,以减小输入端受到的干扰。
2.3GSM模块接口设计
2.3.1、GSM模块简介
本系统采用TC35。
TC35是西门子公司推出的一种完整的无线GSM模块,主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。
它可以快速、安全可靠地实现系统方案中的数据传输、语音传输、短消息服务(ShortMessageService)和传真服务。
模块的工作电压为3.3~4.8V。
该模块有AT指令集接口,支持文本和PDU模式的短消息第三组的二类传真等。
此外,该模块还具有电话簿功能、多方通话、漫游检测等功能。
常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。
通过独特的40管脚ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。
通过ZIF连接器及50Ω天线连接器,可分别连接SIM卡支架和天线。
基带处理器作为TC35的核心,主要处理GSM终端内的语音、数据信号,并涵盖了蜂窝射频设备中所有的模拟和数字功能。
在不需要额外硬件电路的前提下,可支持FR、HR和EFR语音编码。
2.3.2GSM模块接口设计
TC35模块主要通过串口与单片机进行连接,从而单片机实现对TC35模块的控制。
虽然TC35的串口提供了许多控制线,但由于考虑到设计接口的简单性,并且与单片机的UART进行连接,所以采用两线(TXD、RXD)连接。
对TC35模块通信的控制可以通过软件来实现,采用软件实现控制具有使用灵活等特点,也很好地避免了过多硬件信号的检测。
对于TC35的其它管脚在不使用的时候,如果该管脚为输出时,一般将该管脚悬空;如果该管脚为输入管脚,则需要将该管脚通过10Ω的电阻上拉。
另外由于IGT管脚是控制TC35模块工作的管脚,所以需要将该管脚上拉,并且将该管脚与单片机进行连接,从而可以通过单片机来控制TC35模块的工作状态。
在设计时需要考虑TC35模块的电源管脚并连在一起,由于TC35是一个功能完全的模块,因此这里不需要做任何的信号处理和射频处理。
另外TC35模块还需要连接SIM卡座,这样才能够实现一个完整独立的GSM终端。
以下为TC35模块的接口设计。
由图可以看出,TC35接口电路的设计比较简单。
在进行串口设计时,虽然TC35模块串口管脚的工作电平是CMOS电平,单片机串口管脚的工作电平是TTL电平,但由于单片机的高电平和低电平的逻辑判断电平可以实现屯TC35的管脚进行连接(具体可以参看MSP430F149的数据手册),因此TC35模块的串口线直接与单片机的串口线进行连接。
由于TC35模块的串口管脚中的DTR0和RTS0两个管脚是输入管脚,因此分别通过10KΩ的电阻将这两个管脚拉高。
IGT为TC35模块的工作状态控制管脚,该管脚首先通过一个电阻拉高,平时该管脚为高电平,处于不工作状态;另外该管脚还同时与单片机的一般IO端口进行连接,这样通过单片机来实现对TC35模块的工作状态的控制,当单片机在该管脚送低电平时,则TC35模块工作。
TC35模块的SYNC管脚用来指示GSM模块的工作状态,连接一个指示灯来指示工作状态,如图2.6、图2.7所示。
图2.6TC-35_ZIF管脚接口电路
2.3.3指示灯电路
TC35有一个同步信号脚SYNC(32脚synchronizationsignal),该脚是一个同步信号输出端,该脚输出的信号,反应了模块的工作情况。
本系统在该端通过一个三级管接入LED灯,接法如图2.7所示。
LED灯受到该脚信号控制,可以显示TC35
模块运行的状态。
图2.7指示灯电路
1)、LED灯熄灭时:
表示TC35处于关闭、休眠、报警或者充电状态二;
2)、LED灯600ms亮600ms暗:
表示SIM卡没有插入,或者正在搜索网络,或者正在认证用户,或者正在注册网络;
3)、LED灯75ms亮3S暗:
表示已经注册上网,处于待机状态二;
4)、LED灯75ms亮75ms暗75ms亮3S暗:
表示一个或多个GPRS文件被激活二;
5)、LED灯闪烁:
表示GPRS的数据传输,当GPRS数据传输时,在交换一个数据包后,LE。
灯将会在一秒内点亮。
闪烁的持续时间约为0.5秒。
2.3.4SIM卡电路
TC35模块的SIM卡座采用的是Molex座,该座有8个管脚,而TC35模块的SIM管脚只有6个管脚,如下图所示。
其中编程端我们不用,其它的接口分别对应于TC35的5个管脚,SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35的同名端直接相连。
其接口示意图如下图
图2.8所示:
图2.8SIM卡接口示意图
图2.8所示的图为SIM座接口电路图,由图可以看出SIM座直接与TC35模块的ZIF连接器对应的SIM卡管脚进行连接,在需要的地方加了电容进行滤波处理。
当SIM座的管脚7与TC35模块的SIMDATA进行连接时,则用来模拟SIM卡插入的情况;当SIM座的管脚7不与TC35模块的SIMDATA进行连接时,则用来模拟SIM卡没有插入的情况。
图2.9为sim座接口电路。
图2.9SIM座接口电路图
2.4串行存储器的设计
在本系统中,串行存储器使用24LC02B芯片来实现。
24LC02B主要是通过I2C实现与单片机的连接,具体的电路如图2.10所示。
图2.10串行存储器电路
由图可以看出,该电路的设计比较简单。
将24LC02B的第7管脚(写保护管脚)接地,可使该芯片始终处于可以进行读写的状态。
在实际设计的时候,也可以将WP管脚与单片机的一个一般IO端口进行连接,通过单片机来控制24LC02B就处于写保护状态;单片机在该管脚输出低电平,则24LC02B不处于写保护状态。
在本电路中,主要为了简化设计,直接将WP管脚接地,使24LC02B不处于写保护状态。
24LC02B的A0、A1和A2都接地,表示该器件的地址为000.由于I2C是总线工作方式,该总线上可以挂接很多器件,所以总线上的每个器件都应该有相应的地址,这样才能实现寻址操作。
24LC02B的
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