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基于gprs的远程智能家电_毕业论文

基于GPRS的远程智能家电控制系统设计

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基于GPRS的远程智能家电控制系统设计

摘要

随着网络技术和通信技术的不断发展以及人们对生活要求的不断提高，实现家庭智能的远程控制已经成为必然的趋势。本文采用嵌入式系统和GPRS通讯技术相结合的方式，搭建了一个家庭智能管理平台。通过该平台，通过短信或Internet网络等方式，实现对家庭系统的远程监控。

本文设计了一个基于单片机的智能家电控制系统。系统模块主要包括GPRS无线通讯模块、家庭智能控制器模块。其中家庭智能控制器是系统的核心，主要完成了对家庭系统的智能管理以及和GPRS无线模块的通讯。本设计以实现家用电器的开关为例。

硬件方面以AT89C51单片机为核心，采用了HK21F继电器控制家用电器的通断，以周立功公司ZWG-23A型号的GPRS无线通信模块为基础，基于AT指令和数据采集器，构建一个远程的智能家电控制系统，对家电进行控制，本设计以控制灯泡为例，实现了对灯泡的开关控制和状态反馈。软件方面，主要实现对用户短信的分析识别处理，根据处理好的数据对继电器进行控制，以达到控制灯泡的目的，通过光电开关对灯泡的当前状态进行检测并把数据送给AT89C51单片机，AT89C51单片机再通过GPRS模块以短信的方式把具体信息反馈给用户。

实践结果表明，该系统使用效果良好，应用前景广泛。

关键词：家电远程控制；GPRS；VC++；单片机

盐城工学院本科生毕业说明书( 2011)

Based on GPRS wireless home the overall intelligent

control system solutions

Abstract:As the continuous development of network and communication technology as well as the improvement of people’s living standard, the realization of remote control of Home Intelligence has become an inevitable trend. In this paper, a Home Intelligent management platform, which combines home applications, burglary protection system and hydroelectric system organicly, is established by using embedded system combined with GPRS technology and RS485 bus technique to realize intelligent management of home applications and other home systems. Based on the platform, SMS and Internet can be used to realize remote control of the home system.

In the thesis design a based on SCM intelligent appliances control system. System module mainly including GPRS wireless communication module, family intelligent controller module. One family intelligent controller is the core of the system, the main completion of the family system of intelligent management and GPRS wireless module communications. The family system module mainly realizes the family system in the more commonly used the switch quantity control etc. Function.

Hardware with AT89C51, using a HK21F relay control household appliances hige to GPRS wireless communication module as the foundation, based on instructions and data terminal tractor, build a remote intelligent appliances control system, control of home appliance. Software for the user SMS's main realization analysis to identify treatment, output control quantity, the current state of home appliance with SMS way feedback function.

The practice indicates that the system used to good effect, the application prospect of extensive.

Key Words: Appliance remote control, GPRS, VC + +, Microcontrolle

基于GPRS的远程智能家电控制系统设计

1.概述 (1)

1.1 课题设计背景 (1)

1.2 国内外研究历史 (1)

1.3课题设计内容 (2)

2. 系统的总体结构与硬件电路设计 (2)

2.1 系统总体结构设计 (2)

2.2单片机电路设计 (4)

2.2.1单片机的选择 (4)

2.2.2 时钟（晶振）电路 (6)

2.2.3 复位电路 (7)

2.3状态反馈模块 (8)

2.4 GPRS DTU的选择 (9)

2.4.1 GPRS DTU硬件简介 (9)

2.4.2 GPRS DTU的选择 (10)

2.4.2 ZWG-23A GPRS DTU的组网方式 (11)

2.4.2 串口通信电路 (12)

3. 下位机软件设计 (13)

3.1 软件开发环境 (13)

3.2 下位机软件的总体设计 (14)

3.3 状态反馈程序设计 (17)

3.4 串口通信程序设计 (19)

4. GPRS DTU的配置 (21)

4.1 GPRS DTU软件简介 (21)

4.2 GPRS DTU的工作模式 (22)

4.3 DTU的配置 (23)

4.3.1 DTU的配置方式 (23)

4.3.2 本地方式下配置模式的进入 (23)

4.3.3 远程方式下配置模式的进入 (24)

4.3.4 配置模式的退出 (24)

4.3.5 DTU的参数配置协议 (24)

4.4 GPRS DTU的工作过程 (25)

5. 系统集成与调试 (25)

6. 结束语 (27)

参考文献 (28)

致谢 (29)

附录 (30)

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附录1：程序清单 (30)

附录2：设计图纸 (33)

附录2.1 智能家电远程控制系统电路图 (33)

附录2.2 智能家电远程控制系统PCB图 (34)

附录3：元器件目录表 (36)

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1.概述

1.1 课题设计背景

家永远是人们最关心的地方，无论走到哪里人们都希望能够随时随地了解家中的情况。因此人们一直设想：将来有一天即便是外出时，也能够通过网络或者手机短信等方式时刻监控家中情况，并且当家中发生煤气泄漏或者有人恶意闯入等紧急情况时，能够第一时间得到电话或短信通知。这些设想，已经随着网络技术和电子通讯技术的迅速发展，逐步成为现实。人们的生活也因此变得越来越舒适。

智能家居系统是一个开放的、使用了多项高新技术的智能化、人本化的集成型家居系统，它把宽带互联网、家电设备、家居自动化和家庭安全防护防盗有机地结合到一起。家庭智能控制器是家庭网络的枢纽，它集中控制家中的各种家电设备并能接入互联网，起到家庭系统与互联网之间的通用接口平台的作用，通过家庭智能控制器可以对家庭网络中的信息家电进行中央监控和远程控制。

现阶段家庭系统接入互联网的方式主要为有线接入，目前最流行的有线宽带接入技术是ADSL（非对称数字用户线）和HFC（同轴光纤混合网）。然而，现有的无线通信网络也具备了为数据通信业务提供一定传输速率的能力，如GPRS作为一种高速、高效、经济的无线系统，具有网络覆盖范围广、数据带宽宽、适应性强、计价按数据流量计算、实时在线的优点，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔大量的数据传输，能够满足数据采集及监控的双向数据信息传输。GPRS技术从实验室研究、地区范围内试用到正式商用，经过了长时间的完善，技术先进可靠。GPRS设备终端传输设备一开机就能自动附着到GPRS 网络上，与数据中心实时在线进行实时数据通信,高速输，可靠性高。3G网络也将要全面铺开，届时能够提供宽带接入Internet，所以说，家庭网络无线接入Internet 的方案具有可行性。

因此，本文论述了基于GPRS技术和单片机嵌入式系统实现家庭智能系统的远程控制的方案。用户可以通过短信及Internet网络等方式，访问家庭智能控制器，达到对家用设备监控的目的。

1.2 国内外研究历史

1979年，美国斯坦福研究所就提出了在建筑物内将家用电器、电气设备的控制线统一为家庭总线的概念，此后又成立了现代住宅研究会。1983年，美国电子工业协会开始制定家庭电气设计标准。1984年，美国住宅建筑者协会成立了现代住宅开发公司，开展有关基础性研究工作，并在1989年推出了将电力供应、空调控制和数据通讯合成为整体的布线示范单元。

在这期间，智能住宅(Smart Home)的概念在欧美等发达国家得到了广泛的认同和发展。欧洲在1986年曾把集成化的家庭系统研究列为尤利卡计划，进行了大力研究。在20世纪80年代，欧洲电气标准化委员会制定了家用数字总线标准，从而

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进一步规范了智能住宅的技术标准。日本在80年代初也以相当大的力度推进家庭电子化。在80年代中期，将家用电器、保安设备、通讯设备的功能综合后，提出了家庭自动化的新构想。1988年，日本建立了住宅信息化促进会，主要开展了家庭总线技术的研究，并公布了总线标准。

近年来，为了适应大型住宅小区的需要，又提出了超级家庭总线系统的概念。1996年，日本推出多媒体住宅样板计划，将多媒体技术引入智能住宅，取得了重要的研究成果，并将它投入开发建设。在东南亚，新加坡的智能建筑技术研究目前已处于领先水平。例如宝得胜家庭智能化系统，已经用于30多个住宅小区。在98年亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会上展示的“未来之家”，其智能品质受到人们的广泛关注。

我国对智能住宅的研究刚刚起步，1994年，国家科委立项资助重大科技项目“2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目”，其目标是以科技为先导，以示范住宅小区建设为载体，推进我国住宅产业现代化，构建新一代住宅产业。标志着我国家庭智能化产业发展的开端。总体来说，我国智能建筑市场有着极其广阔的发展前景，智能建筑市场也正逐渐进入成熟、完善和规范。目前，我国已成为全球最有潜力的智能建筑市场，智能建筑在我国的发展呈现出一派良好的势头。

据预测，2007年全球数字家庭市场规模将高达1026亿美元。目前，数字家庭网络市场仅处于从市场导入期向市场成长期的过渡阶段。但是，随着数字化的进一步发展，随着三网融合的逐渐实现，随着高速宽带、路由器和无线技术的广泛使用，数字家庭网络必然会逐渐进入市场成长期并取得迅速发展。

1.3课题设计内容

a）系统方案的提出和总体设计，包括通讯方案的选择，组网方案的选择，软硬件开发平台的选择及主要芯片模块的选择。

b）硬件上完成了GPRS模块外部接口的硬件电路设计，串口扩展，RS232通讯设计，并完成了以上模块的原理图和PCB的设计。

c）软件上完成了家庭控制系统下位机软件设计、上位机软件设计。

2. 系统的总体结构与硬件电路设计

2.1 系统总体结构设计

系统的总体设计思路是GPRS模块接收用户短信将数据传送到AT89C51单片机。单片机对数据进行处理并给出相应输出控制继电器，从而控制家用电器。传感器把家用电器的状态处理发送给AT89C51单片机，数据通过单片机处理，再由GPRS 发送模块发送出去。

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图2-1 系统的总体框图

通过系统的总体结构框图得到硬件电路设计框图，图2-2为硬件电路设计框图。硬件电路总设计主要有单片机最小系统设计；状态采集电路设计；通信模块设计；驱动电路设计。

图2-2 硬件电路总体电路图

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2.2单片机电路设计

图2-3 单片机外围电路图

图2-3是单片机的外围电路，主要包括晶振电路、复位电路、采集电路。单片机选用AT89C51。

2.2.1单片机的选择

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

a）主要特性：与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；

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128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。

图2-4 AT89C51芯片引脚图

b）管脚说明：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上

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拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

2.2.2 时钟（晶振）电路

时钟电路对单片机系统而言是必需的。由于单片机内部是由各种各样的数字逻

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辑器件(如触发器寄存器存储器等)构成。这些数字器件的工作必须按时间顺序完成，这种时间顺序就称为时序。时钟电路就是提供单片机内部各种操作的时间基准的电路，没有时钟电路单片机就无法工作。此次设计中，我们采用由由内部方式产生时钟的方法形成时钟电路，具体如图2-5所示。

33pF

图2-5 时钟电路

内部方式：在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作定时组件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟。时钟发生器对振荡脉冲二分频，即若石英频率fosc＝6MHz，则时钟频率＝3MH2，因此，时钟是一个双相信号，由P1相和P2相构成。fosc可在2MHZ—12MHZ选择。小电容可以取30PF左右。

2.2.3 复位电路

RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效。高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上。若时钟频率为6MHz，则复位信号至少应持续4微秒以上，才可以使单片机复位。本次设计中采用按键复位的方法进行复位操作。如下图2-6所示。

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图2-6 按键复位电路

按键复位是利用开关按钮来实现的，即通电后，按下开关，使得瞬间RST端的电位与Vcc相同，随着电容上储能增加，电容电压也增大，充电电流减少，RESET 端的电位逐渐下降。这样在RST端就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲持续的时间进行调节。

2.3状态反馈模块

E3F-DS10C4光电开关

E3F-DS10C4是欧姆龙公司一款光电开关，主要特点有：

a）灵敏度高，频率响应快，重复定位精度高，瞬变过程短，输出功率大，急电特性好，工作稳定可靠，使用寿命长等优点。

b）红色LED显示可以检查传感器的状态，具有耐震，耐腐蚀，防水性好等特点。

c）经济并且简单的操作。

d）运用广泛，可替换小型开关和限位开关。

E3F-DS10C4光电开关的基本参数如下：

a）电源电压：直流10-30VDC、交流90-250V AC

b）输出模式：NPN常开、NPN常闭、PNP常开、PNP常闭、二线常开、二线常闭、交流常开、交流常闭。

在本设计中，由E3F-DS10C4光电开关组建状态检测系统。详细的电路如图2-7所示。

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图2-7 E3F-DS10C4状态检测电路

2.4 GPRS DTU的选择

2.4.1GPRS DTU硬件简介

GPRS DTU (Data Terminal unit)全称数据传输单元，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。GPRS DTU就是用GPRS网络来传输数据的设备，它采用工业级嵌入式处理器，内嵌TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。

GPRS DTU最基本的用法是：在DTU中放入一张开通GPRS功能的SIM卡，DTU上电后先注册到GPRS网络，然后通过GPRS网络和数据处理中心建立连接，如右图所示。这条连接涉及了无线网络运营商，因特网宽带供应商，用户公司的网络情况，以及用户的电脑配置等环节，因此要建立这条连接需要把各部分都配置好。在本质上，DTU和数据处理中心建立的是SOCKET连接。DTU是SOCKET客户端，数据处理中心是SOCKET的服务端。SOCKET连接有TCP协议和UDP协议之分，DTU和中心要使用相同的协议，这个一般都有配置软件进行配置。给DTU配置好中心的IP地址和端口号后，则把DTU通过串口和用户的设备相连。在如图所示中，DTU和水文、电力、气象、环保等设备连起来放置在现场。DTU上电后首先注册到移动的网络，然后发送建立SOCKET的请求包给移动，移动把这个请求发送到因特网。中心的服务端软件接收到请求后建立连接，并发送应答信息。DTU 发送的请求信息是因特网上的数据包，有一些原因会阻止中心收到连接请求包，这样也就不能建立连接。最常见的有中心的电脑上有杀毒软件、防火墙等把这些数据包给屏蔽了。另一是中心电脑是通过路由器上网的，在路由器上要设置数据转发。SOCKET连接建立后就可以双向通信了。