基于gsm短消息方式的智能家庭网关的设计与实现_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于gsm短消息方式的智能家庭网关的设计与实现_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

M 短消息收发模块能够将用户手机发送的短消息进行接收，并转换成 0、 1 序列，通过串口 UART0 输出给微处理器 MSP430F149；单片机对接收到的 0、 1 序列，按照一定的规律进行分析处理，取出其中的有用信息；将取出的有用信息，经过一定的转换编码后，通过 MSP430F149 的串口 UART1 发送给 CC2500 射频通信模块，然 后与家庭内部各个通信节点进行通信。 各个通信节点收到命令后执行相应操作，当操作完成之后将会返回一条操作成功的确认信息，然后经过一些列的编码转换，最后以短消息的方式发回到用户手机。 对 MSP430F149 单片机进行编解码编程是本课题的重中之重，它是该智能家庭网关能否正常工作的关键所在。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 智能家庭网关的控制命令介绍 现在的家庭中，家用电器的种类越来越多，功能越来越强大。 由于研究时间较短，在这里并没有对所有家用电器的控制进行研究，而只是实现了对一些较常见的家用电器的一些普通功能的控制。 例如，电视机、电灯的打 开和关闭；电水壶自动烧开水等。 当用户发送内容为 OPEN TV 的短消息时，家庭内部各个通信节点并不可能接受和辨别该信息，这时就需要单片机将 GSM 短消息模块接收的信息“翻译”成家庭内部通信节点所能识别的信号，从而控制家庭中的各种家用电器。 这个“翻译”过程将按照如表 1 所示的内容进行。 表 1 控制命令介绍 实现功能 短消息内容 通信节点识别代码 打开电视机 安全密码 +OPEN TV X AA 111 关闭电视机 安全密码 +CLOSE TV X AB 111 打开电灯 安全密码 +OPEN LIGHT X AA 112 关闭电灯 安全密码 +CLOSE LIGHT X AB 112 烧开水 安全密码 +BOIL WATER X AC 113 现在以打开电灯这项功能为例对该过程中的数据格式进行一个简单的说明。 当用户要执行打开电灯这项功能时，用户用手机发送 527464(安全密码 )OPEN LIGHT的消息内容，智能家庭网关收到消息后，将其转换为 8 位代码 X AA 112，然后通过串口UART1 发送给 CC2500 射频通信模块。 8 位代码 X AA 112 格式说明如图 2 所示。 X A A 1 1 2家 用 电 器 代 码空 格控 制 代 码这 里 A A 表 示 打 开空 格控 制 信 息 标 志 位 图 2 8位代码格式说明 为了提高智能家庭网关的安全性，防止其他陌生人的侵入和控制，在用户输入控制命令之前需要输入 6 位的安全密码，只有当密码正确时，单片机才会进行信息的翻译，传送；否则，单片机将不会执行命令，从而保证了智能家庭网关的安全性。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 智能家庭网关的硬件设计 智能家庭网关硬件部分的设计可以大致分为 GSM 短消息收发模块的硬件设计，微处理器 MSP430F149 模块的硬件设计， CC2500 射频通信模块的硬件设计等三大部分。 具体原理图设计图纸见附录 1。 GSM短消息收发模块硬 件设计 目前，国内已经开始使用的 GSM 模块有 Wave的 WM02 系列、西门子的 TC35 系列、摩托罗拉 (Motorola)的 D D15 系列、中兴的 ZXGM18 系列等，而且这些模块的功能、用法差别不大。 其中西门子的 TC35 系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证。 所以本设计选用了西门子的 TC35I 作为通讯设备。 TC35I 是西门子推出的新一代无线通信 GSM 模块，利用它可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。 模块的工作电压为 ~,可以工作在 900HZ 和 1800HZ 两个频段。 模块支持标准的 AT 命令集、支持文本和 PDU 模式的短消息、第三组的二类传真。 通过独特的 40 引脚的 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(Zero Insertion Force,零阻力插座 )连接器及 50Ω天线连接器，可分别连接 SIM卡插座和天线 [8]。 TC35 模块主要由 GSM 基带处理器、 GSM 射频模块、电源专用集成电路 (ASIC)、闪存、 ZIF 连接器、天线接口六部分组成。 作为 TC35I 的核心，基带处理器主要处理 GSM 终端内的语音、数据信号，并涵 盖了蜂窝射频设备中的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 语音信道编码。 TC35I 对外有 40 个引脚，通过一个 ZIF 连接器引出。 这 40 个引脚主要分为 5 类，即电源、数据输入 /输出、 SIM 卡、音频接口和控制。 具体的引脚定义详见 TC35 技术手册 [8]。 (1) 供电电路 TC35I 的供电电压要求在 ~ 之间，推荐值为。 TC35I 在通话中的典型电流值为 300mA,待机时电流损耗更小，但在突发传输时，如有电话呼入、开始发送一条短信时可能需要高达 2A 的瞬时电流，所 以要求电源能提供足够大的电流 [8]。 在本课题中，所使用的是输入交流 220V，输出直流 5V/2A 的成品开关电源。 输出的 5V 电压经过一个LM1084 的稳压芯片之后，还需要用电容进行滤波。 使用电容进行滤波是电源电路设计中十分重要的一部分，因为开关电源中大量的高频纹波将对 TC35 模块的工作稳定性产生很大的影响。 TC35I 电源电路图 3 所示，其中 5V 电压供给 TC35 模块使用 (实际供给电压为)， 供给 MSP430F149 微处理器电路和 CC2500 射频通信模块使用。 AMS1117 为TI 公司生产的 5V 转 的电压转换芯片。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 123J1P ow e rC3ADJ1V i n3V out2U1L M 1084C1 C2 C6R2R4R1C7D S 1L E D 2+5 112233U8A M S 1117+ C 3210uFC 31 图 3 TC35模块供电电路 (2) 控制电路 [8] TC35 的控制信号主要有三个，即开机、关机信号输入和状态指示信号输出。 TC35 开机时对电压时序要求较高：在 “ BATT+” 引脚电平到达 之后 10ms 将“ /IGT”脚 (原为高阻态 )置低，且下降沿时间不超过 1ms,之后保持低电平至少 10ms 后再拉高，这时 TC35I 才可以正常启动 [8]。 该时序信号通过芯片 CS1 产生。 启动过程时序如图 4所示。 1 0 m sm a x 1 m sm i n 1 0 0 m sB A T T +/ G TH i Z0 V3 VH i Z 图 4 TC35启动过程时序图 正 常情况下关闭 TC35I 可以使用指令“ AT^SMSO” ，不过 TC35I 还设有一个强制关机信号输入脚 EMERGOFF,输入低电平信号且时间长于 时， TC35I 将立即关机。 TC35 的状态指示引脚 SYNC 有两个工作模式，可用 AT 命令“ AT^SSYNC=0”进行切换。 一种是指示通信状态时的功率增长情况，另一种是控制一个发光二极管来指示 TC35的工作状态，本系统式使用后一种模式。 表 2 TC35I状态指示灯含义 LED 状态 TC35I 状态 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 熄灭 处于关闭或睡眠状态 600ms 亮 /600ms 熄 SIM 卡没有 插入或正在搜索网络 75ms 亮 /3s 熄 已成功登录网络，处于待机状态 长亮 处于通话中 (语音或者数据 ) (3) 串口通信 [8] 串口通信电路主要完成与控制端 (PC 机或 MCU 等 )通信的功能。 TC35 的数据接口采用串行异步收发，符合 ITUT RS232 接口电路标准，工作在 CMOS 电平 ()。 数据接口配置为 8 位数据位、 1 位停止位、无校验位，波特率在 300bps~230kbps 之间可选。 在本系统中，上位机波特率设置为 9600bps,TC35I 采用默认的自动波特率模式，在 TC35I 开机后向其发送一条 “ AT(CR)”指令， TC35I 即可自动识别并设置正确的波特率。 串口通信电路以 SP270 芯片为核心，实现电平转换及串口通信功能。 在 SP270 与 ZIF连接器相应引脚连接时，要注意发送、接收引脚连接正确。 TC35I 模块是作为数据通信设备 (DCE)来连接的，它的 RxD0 引脚为输出脚， TxD0 为输入脚，而 PC 机 COM 口德 RxD脚为输入脚， TxD 脚为输出脚。 (4) SIM 卡接口电路 [8] SIM 卡是带微处理器的芯片卡，它由 CPU、工作存储器 RAM、程序存储器 ROM、数据存储器 EEPROM 和串行通信单元 5 个模块组成 ，这 5 个模块集成在一块集成电路中。 例如 Motorola 公司的 SC21 SIM 卡，其 CPU 为 68H05， ROM 为 6144 比特， RAM 为 12比特， EEPROM 为 2992 比特可擦除， 16 比特不可擦除。 SIM 卡上包含了所有属于本用户的信息，它是一张符合 GSM 规范的智能卡。 SIM 卡在与手机连接时，最少需要 5 个连接线：电源 Vcc、时钟 (CLK)、数据 I/O(Data)、复位 (RST)、接地端 (GND)。 TC35I 集成了一个与 ISO 781631 IC Card 标准兼容的 SIM 接口。 为了适合外部的 SIM接口，该接口连 接到主接口 (ZIF 连接器 )。 在 为 SIM 卡预留 5 个引脚的基础上，TC35 在 ZIF 连接器上为 SIM 卡接口预留了 6 个引脚，所添加的 CCIN 引脚用来检测 SIM卡支架中是否插有 SIM 卡。 当插入 SIM 卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作状态。 但是目前移动运营商所提供的 SIM 卡均可无 CCIN 引脚，所以在设计电路时将引脚CCIN 与 CCVCC 相连接。 复 位 C C R T卡 时 钟 C C C L K卡 电 源 C C V C C卡 接 地 C C G N D数 据 输 入 输 出 C C I O 图 5 SIM卡接触点功能图 (以 TC35I提供的引脚名标注 ) 武汉理工大学毕业设计（论文） 8 在设计中为 SIM 卡布线时，考虑到设计 中的电磁兼容和静电保护等因素，在 SIM 卡插槽下、印刷电路板的顶层敷设一层铜隔离网，该层敷铜与 SIM 卡的 CCGND 引脚相连，CCGND 和电路板的 GND 之间通过一个电容耦合。 此举为 SIM 卡构成了一个隔离地，屏蔽了其他信号线对 SIM 卡的干扰，从而获得更佳的通讯效果。 (5) 语音电路 [8] 由于 TC35I 的 GSM 基带处理器内集成了音频滤波、 ADC、 DAC、语音合成等部分，所以模块语音接口的外围电路连接相对简单。 TC35 有两个语音接口，每个接口均有模拟麦克风输入和模拟耳机输出。 在本系统中由于不要求语音通话功能，所以 未设计此部分电路。 GSM 模块外围电路原理图如图 6 所示。 123J1P o w e rC3ADJ1V i n3V o u t2U1L M 1 0 8 4C1 C2 C6R2R4R1C7D S 1L E D 2+5123456J P 2S I MC 1 3C _ V C CC _ R E TC _ C L KC _ I O123456789J2D C o n n e c t o r 9X D C DX D S RX R X DX R T SX T X DX C T SX D T RC 1 +10C 1 12C 2 +13C 2 14T 1 O U T2T 2 O U T3T 3 O U T1R 1 I N4R 2 I N23T 4 O U T24R 3 I N16T 5 O U T20V C C9GND8V15V+11T 1 I N7T 2 I N6T 3 I N18R 1 O U T5R 2 O U T22T 4 I N19R 3 O U T17T 5 I N21U2S P 2 0 7X D S RX R X DX T X DX C T SX R T SX D T RX D C DD S RR X DT X DC T SR T SD T RD C DC9C 1 2C 1 1C8C 1 0+5NC1/ R S T2WP3V S S4VDD8R S T7S C L6S D A5U3C S 1+5I G TR61234J P 5C O N 4R X D。