完整版基于CoretexM3的智能家居远程监控系统智能家居毕业设计.docx
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完整版基于CoretexM3的智能家居远程监控系统智能家居毕业设计
2010年“毕昇杯”电子创新比赛参赛作品
基于Coretex-M3的智能家居远程监控系统
参赛学校：
大连理工大学城市学院
学生：
孙涛徐爽王越群
指导教师：
金建设王永辉
完成日期：
2010年05月30日
摘要
本文设计了一种基于Coretex-M3嵌入式系统和GPRS模块的智能家居远程监控系统。
该系统可以通过手机发出中文短消息命令，启动家电工作或停机。
如果用户需要，发出数据采集指令可获取室温与家电工作状态信息。
当家居出现有人入室盗窃或火灾迹象时，系统将采用中文短信的形式向默认手机发送报警信息。
实验结果表明，所设计的远程监控系统在功能上完全达到了设计目标，并具有简单易行、人性化、实用化的特点。
关键词：
嵌入式系统；智能家居；远程监控;Coretex-M3;GPRS
RemoteMonitoringandControlSystemforSmartHome
Abstract
AremotemonitoringandcontrolsystemforsmarthomebasedonCoretex-M3andGPRSwasdeveloped.Thissystemcancontrolthehomeequipments,collectdataaboutthehomeconditionandreceivethealarminformationofhomeguardingandfirebyusingChineseshortmassagingofmobile.Theexperimentshowsthatthesystemcanworkaccordingdeignedfunction.Theadvantagesofthissystemareeasytosetup,convincetouseandfriendlytopeople..
Keywords:
EmbeddedSystem;SmartHome;RemoteMonitoringandControl;Coretex-M3;GPRS
Abstract1
第一章绪论3
第二章系统方案5
2.1整体方案5
2.2报警方案6
2.3监控方案6
2.4通讯方案7
2.5软硬件接口方案7
2.6多任务方案7
第三章功能与技术指标8
3.1系统功能8
3.2系统的技术指标9
第四章实现原理10
4.1硬件实现原理10
4.1.1智能家居远程监控系统总体硬件构成10
4.1.2家电控制的硬件实现10
4.1.3安防报警的硬件实现10
4.1.4温度测量的硬件实现11
4.1.5中文短消息发送与接收的硬件实现11
4.2软件实现原理12
4.2.1软件总体结构12
4.2.2主程序流程图14
4.2.3远程控制任务流程图14
4.2.4报警任务流程图16
4.2.5采集室温流程图16
4.3中文短信实现原理17
第五章功能测试与结果分析21
第六章部分硬件原理图23
第七章系统总结24
7.1系统特色24
7.2系统不足25
参考文献25
附录A：
程序清单26
附录B：
源代码26
第一章绪论
为给人们提供一个更加舒适、便捷、高效、安全的生活环境，建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当今的一个热点问题，近年来，国际和国内许多公司都提出相应的解决方案，但至今为止，这一领域的国际标准尚未成熟。
智能家居是通过综合采用先进的计算机、通信和控制技术，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。
智能家居是IT技术、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。
智能家居的功能一般包括如下几个方面：
（1）家庭安防：
安全是居民对智能家居的首要要求，家庭安防由此成为智能家居的首要组成部分。
家庭安防往往具有门窗磁报警、紧急求助报警、燃气泄漏报警、火灾报警等功能。
当智能家居的安防子系统处于布防状态时，系统探测到家中有人入室，就会自动报警，通过蜂鸣器和语音实现本地报警；同时，报警信息报到物业管理中心，或自动拨号到主人的手机或电话上。
（2）可视对讲：
通过集成与显示技术，家庭智能终端上集成了可视对讲功能，无需另外设置室内分机即可实现可视对讲的功能。
（3）远程抄表：
水、电、气表的远程自动抄收计费是物业管理的一个重要部分，它的实现解决了入户抄表的低效率、干扰性和不安全因素。
（4）家电控制：
家电控制是智能家居集成系统的重要组成和支持部分，代表着家庭智能化的发展方向。
通过有线或无线的联网接口，将家电、灯光与家庭智能终端相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程控制。
（5）家庭信息服务：
物业管理中心与家庭智能终端联网，对住户发布信息，住户可通过家庭智能终端的交互界面选择物业管理公司提供的各种服务。
嵌入式系统体积小、功耗低、可靠性高、软硬件可裁剪的特性为智能家居的实现提供了良好的前端控制终端。
以往的智能家居的前端控制终端绝大多数是采用单片机，随着32位嵌入式处理器的出现，使处理能力高、具有操作系统和网络功能的嵌入式系统应用于智能家居已成为可能，这将进一步提升智能家居控制系统的性能。
随着移动通讯技术的不断发展，四通八达的GSM无线网络已经成为现代生活中不可缺少的一部分，移动通讯模式以其方便、简洁、覆盖范围广等优点成为众多领域开发应用的对象。
手机具有体积小、可随身携带、普及率高、可随时操作、通信距离不受限制等优点，是一种理想的智能家居远程监控终端，很容易被用户接受。
本文基于达盛科技EXP-LM326952实验开发平台，开发出一套应用于智能家居的安防与家电远程监控系统。
该系统具有简单易行、成本低、可随时操作、易被用户接受的特点。
用户可以在GSM网络覆盖的任何范围内自由活动，发生入室盗窃或火灾迹象时会接收到报警信息，当需要时可观看各个监控点的情况，可以实现家电的手机远程遥控。
为了使系统具有用户的友好性，用户接收信息和发出的命令全部使用中文。
综合以上优点使本系统具有广泛应用前景。
第二章系统方案
2.1整体方案
在智能家居的诸多功能中，人们最关心的家居的安防和家电控制的实现，所以本系统方案的着眼点放在家居安防和家电控制功能的实现。
系统选用基于LM3S6952处理器的EXP-LM326952为硬件平台，使用西门子生产的工业级GPRS模块TC-35i作为通信模块，并扩展了数据采集与家电控制外围电路，外围电路经GPIO与EXP-LM326952相连接。
系统的整体方案如图2-1所示：
图2-1智能家居远程监控系统的整体方案
嵌入式操作系统选择ucosii，开发环境采用IARforARM5.50版。
用LM3S6952处理器自带的多功能可编程I/O接口GPIO实现对各个监控点的控制。
通讯模块采用西门子基于TC-35i的工业级GPRS模块，控制命令和报警信息以中文短信的方式进行传送。
本文以ucosii作为操作系统，ucosii是一种免费使用、自由传播和源代码公开的嵌入式操作系统。
作为嵌入式操作系统有如下优势：
（1）低成本开发系统，源代码的开放性允许任何人获取并修改，一方面降低了开发成本，另一方面又提高了开发效率。
（2）可应用于多种硬件平台，支持ATMEL、FREESCALE、ARM、NEC、TOSHIBA、SAMSUNG、MICROCHIP、STMicroelectronics等多种体系结构，并已被成功移植到多种硬件平台。
（3）定制的OS内核，ucosii具有独特的内核配置机制，根据用户的需要可以将某些模块选中编译或不编译到内核中，并能根据嵌入式设备的个性需要量体裁衣，内核可以达到几十个KB。
（4）性能优异，ucosii系统内核精简、高效和稳定，能够充分发挥硬件的功能，相对其它操作系统，其运行效率更高、占用资源更少、运行更稳定、速度更快。
（5）良好的网络支持，ucosii提供了对网络的模块支持，这对依赖网络的嵌入式设备来说无疑是一个很好的选择。
2.2报警方案
系统使用门磁传感器作为入室盗窃报警信号发生器，门磁开关安装在门窗上，在布防后当门窗被打开时，门磁的开关状态发生改变，启动室内的声光报警装置，对入室盗窃者产生威慑作用，同时经光电耦合电路将报警信号送微处理器，控制GPRS发出中文报警信息到用户手机。
在厨房设有烟雾传感器，当它检测的烟雾浓度达到报警限时带动一开关接点动作，启动室内音响报警装置发出警报，同时该信号经光电耦合电路送微处理器，控制GPRS发出报警信息到用户手机。
2.3监控方案
本系统设计了中文命令集，命令集分两类指令，一类为家电操作指令，当系统收到用户通过手机发出的家电启停短消息指令后，对短消息操作指令进行译码，确定系统的操作动作，然后通过GPIO输出控制信号，控制信号经放大后驱动相应的继电器动作，从而实现家电设备的启停控制；另一类命令为数据采集命令，用户使用该类命令可远程采集家居状态信息，包括室温、家电的工作状态，当系统收到用户通过手机发出数据采集命令后，系统进行译码识别，而后将用户需要的家居状态信息经GPRS模块发回用户手机。
用户可发送中文指令集中的一条或多条命令，实现对一个或多个设备的控制，系统中文指令集中的指令支持组合使用。
系统命令译码设计考虑了操作的容错性，当手机发出的短信命令不完备或对系统发出命令集中没有的短消息时系统将不产生任何控制动作。
2.4通讯方案
采用西门子公司生产工业级GSM/GPRS模块TC-35i。
插入SIM卡后接入到中国移动网络（GSM或CDMA），通过串口2与LM326952开发板相连，执行标准的AT指令即可像普通的移动电话（mobilephone）一样具有收发短信等功能。
考虑到国内用户的使用习惯，本系统提供一组中文指令集供用户使用，用户通过短信发送系统提供的中文指令，可以方便的了解家中各种电器的工作状态并加以控制，同时在系统报警条件被触发时自动以中文短信的方式将报警信息发送到用户手机。
2.5软硬件接口方案
本系统采用LM3S6952处理器自带的多功能输入输出引脚作为软硬件接口，LM3S6952有43个多功能引脚，结合本系统要实现的控制功能从中选取10个引脚，将这10个引脚连接到系统的硬件驱动电路，驱动电路接到控制信号后执行相应的动作。
对GPIO的控制需要首先对相应的端口和具体引脚进行配置，具体的使用也很简单，Luminary驱动库中自带一组对GPIO进行操作的输入输出函数，用户在对使用具体的GPIO引脚时，只需调用相应的IO操作函数即可。
2.6多任务方案
软件的实现可以有多种方式，例如将所有的操作放到一个循环里面，系统开机后循环执行所有的操作，此时对于实时性要求不高的家居监控也能基本满足，但是为了充分发挥系统的实时性，我们在系统中引进ucosii操作系统，ucosii是一款优秀的多任务实时操作系统，支持多任务，我们将系统的远程监控功能和报警功能设计为两个任务，系统启动后自动对两个任务进行调度，并且报警任务的优先级比远程监控的优先级要高，当发生报警事件时系统能立即做出响应，从而满足系统的实时性要求。
由于LM3S6952是德州仪器公司最近两年才推向市场的一款Coretex-M3内核芯片，设计比较新且功能强大，所以ucosii还没有对此芯片提供很好的支持，我们参考了多方面资料，做了大量实验使LM3S6952能够运行ucosii，此项移植工作是我们在本系统设计中花费工作量比较大的一项工作。
第三章功能与技术指标
3.1系统功能
该系统工作时，由手机发出中文短消息命令，操作命令经过GSM移动通讯网络传送给GPRS模块，LM3S6952经过GPRS模块接收操作命令并进行判断处理，如果是家电控制命令，则经继电器驱动电路控制相应的家电动作，如果是数据采集命令，LM3S6952将控制GPRS模块将用户所要的数据以中文短消息的形式发给远方用户的手机。
当家居出现有人入室盗窃或火灾迹象时，门磁传感器或烟雾传感器发出报警信号，经光电耦合电路送给LM3S6952，LM3S6952判断处理后通过GPRS模块采用中文短信的形式向默认手机发送报警信息，系统的具体功能如下：
（1）空调远程启停控制。
在夏季，用户回家前可以用手机发出打开空调命令使室温在用户到家时达到理想的温度。
如果用户发现离家时空调忘记关闭，可以通过手机发出命令关闭空调。
（2）供热阀远程启停控制。
在冬季，用户回家前可以用手机发出打开供热阀命令，使家居供热系统工作。
家中无人时关闭供热系统，这样可合理节约能源。
（3）热水器远程启停控制。
当用户在回家后需使用热水，可以通过手机发出热水器启动命令，以满足使用需要。
（4）防盗报警功能。
系统在布防后，若房间的门或窗被强行打开，系统会立即发出防盗报警短消息至用户手机，在远方的用户在接到报警短信后，确认家居有被盗迹象可远程启动家居内声光报警器，对入室窃贼起威慑作用。
（5）防火报警功能。
系统在厨房内设置烟雾传感器，当烟雾浓度达到报警限时系统发出报警短消息给远方用户手机，
（6）家电工作状态远程采集功能。
如果用户想要了解远方家居内家电设备的工作状态，可通过手机发出家电工作状态查询命令，系统会根据查询命令发出指定家电或所有家电设备的工作状态短消息到用户手机。
（7）家居室温远程采集功能。
系统的温度传感器实时监测家居内的室温，如果用户想了解家居内的室温，可通过手机发出温度采集命令，系统会将当前的室温以短消息的形式发给用户。
3.2系统的技术指标
（1）远程监控命令和信息显示：
全部远程监控命令和显示信息均以中文短消息的形式表示。
监控命令发出后系统的动作响应时间﹤10秒。
系统对监控命令具有容错性，当所发出的命令短信不完备或有错误时控制系统将不动作。
（2）通信指标：
符合GSM短消息业务标准。
在中国移动通讯网络或中国联通通讯网络覆盖范围广内，除因网络状况拥挤或SIM卡欠费等客观因素外，保证用户在任何时间，任何地点都可以实现对家居的远程监控。
（3）防盗报警指标：
门窗打开缝隙﹥1.5cm，系统发出防盗报警信息，远方手机在15秒内收到报警短信。
（4）值后15秒之内远方手机收到报警信息。
（5）家居室温测量:
测量范围为－55℃～＋125℃,当温度在－10℃～＋85℃之间时测量误差为0.5℃，在手机短消息的温度显示值精确到个位，温度采集响应时间<30秒。
第四章实现原理
4.1硬件实现原理
4.1.1智能家居远程监控系统总体硬件构成
智能家居远程监控系统的硬件由LM3S6952开发板、传感器、输出控制开关、光电耦合输入电路、继电器输出驱动电路、GPRS模块、目标手机构成，结构图如图4-1所示。
图4-1智能家居远程监控系统硬件构成
4.1.2家电控制的硬件实现
家电控制包括热水器、空调、取暖阀的控制。
系统在收到手机对家电控制命令后，在LM3S6952对应的GPIO口产生控制信号，该控制信号经放大后驱动继电器动作，从而实现家电的启停控制。
。
4.1.3安防报警的硬件实现
防盗报警传感器选用门磁，它由一块磁铁和霍尔元件电路组成，当二者距离大于1.5厘米时处于断开状态，小于1.5厘米时处于闭合状态。
当门未被打开时门磁相当于闭合，当门被强行打开时门磁相当于断开，从而发出报警信号。
该报警开关信号经光电耦合电路传送到LM3S6952对应的GPIO口，经处理后控制GPRS模块发出防盗报警中文短消息。
防火报警采用烟雾传感器来完成。
烟雾传感器是的工作原理是由于它在内外电离室里面有放射源电离产生的正、负离子，在电场的作用下分别向正负电极移动。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
一旦有烟雾窜逃外电离室，干扰了带电粒子的正常运动，从而使电流，电压有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，从而产生一个开关信号，该开关信号经光电耦合电路传送到LM3S6952对应的GPIO口，经处理后由GPRS模块发出火灾报警中文短消息。
4.1.4温度测量的硬件实现
温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，它是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器，它是支持“一总线”接口的温度传感器，通过单总线进行通信，即仅需要一条数据线和地线就能与中央微处理器进行通信。
其内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。
第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
温度传感器DS18B20的测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位转换精度，通过R0与R1组合进行设置，当温度在－10℃～＋85℃之间时测量误差仅为0.5℃。
考虑到本系统只需采集室温，温度变化范围在DS18B20的测量范围之内，由于DS1820仅需要一条数据线就可完成对数据的传送，非常节省硬件资源，因此采用DS18B20作为本系统的温度传感器。
4.1.5中文短消息发送与接收的硬件实现
本系统使用EXP-LM3S6952开发板和西门子公司的TC-35i模块作为中文短消息发送与接收的硬件接口。
TC-35i模块集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，提供了功能完备的系统接口。
TC-35i模块配备标准RS-232串行接口，用户可以通过串口使用AT指令完成对短信发送与接收的控制。
TC-35i模块支持外部SIM卡，模块自动监测和适应SIM卡类型。
用户需配备一个可用的SIM卡安装在GPRS模块上，该SIM卡与普通手机用的SIM卡相同，所接受的网络服务和短消息计费标准与普通手机相同。
4.2软件实现原理
4.2.1软件总体结构
本系统总体采用多任务编程技术实现，软件的总体结构如图4-2所示。
4.2.2主程序流程图
4.2.3远程控制任务流程图
实现远程家电控制和数据采集功能的远程控制任务流程图如图4-4所示。
4.2.4报警任务流程图
4.2.5采集室温流程图
本程序模块是根据DS18B20的通讯协议来编写的，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作，如图4-6所示。
4.3中文短信实现原理
SMS是由Esti所制定的一个规范（GSM03.40和GSM03.38）。
有两种方式来发送和接收SMS消息：
文本模式或者PDU（protocoldescriptionunit）模式。
本系统采用的SIM100-E模块支持SMS的两种模式---文本模式和PDU模式。
文本模式的优点是编程实现简单，但是只能发送普通的ASCII字符，而要发送图片、铃声、其它编码的字符（如中文）就必须采用PDU模式，相对文本模式来说编程实现也相对复杂一些。
PDU编码规则:
目前，发送短消息常用Text和PDU（ProtocolDataUnit，协议数据单元）模式。
使用Text模式收发短信代码简单，实现起来十分容易，但最大的缺点是不能收发中文短信；而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。
PDU模式收发短信可以使用3种编码：
7-bit、8-bit和UCS2编码。
7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，8-bit编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符。
一般的PDU编码由ABCDEFGHIJKLM十三项组成。
A：
短信息中心地址长度，2位十六进制数（1字节）。
B：
短信息中心号码类型，2位十六进制数。
C：
短信息中心号码，B+C的长度将由A中的数据决定。
D：
文件头字节，2位十六进制数。
E：
信息类型，2位十六进制数。
F：
被叫号码长度，2位十六进制数。
G：
被叫号码类型，2位十六进制数，取值同B。
H：
被叫号码，长度由F中的数据决定。
I：
协议标识，2位十六进制数。
J：
数据编码方案，2位十六进制数。
K：
有效期，2位十六进制数。
L：
用户数据长度，2位十六进制数。
M：
用户数据，其长度由L中的数据决定。
J中设定采用UCS2编码，这里是中英文的Unicode字符（包括数字）。
在RedHatLinux9.0中默认采用GB2312作为中文编码字符集，对于中英文混合的文本也是如此，要在此Linux系统中实现中文短信，需要将系统默认的GB2312字符编码转换成Unicode编码。
GB2312编码是一种多字节编码方式，对于中文，用2个字节表示，对于英文，用1个字节表示，就是英文的ascii码。
Unicode编码是双字节编码方式，对所有字符，都采用2个字节编码,包括数字，汉字和英文字符。
其中数字的编码有一定的规律可循，如：
数字2的Unicode编码是0032，5的Unicode编码是0035，0的Unicode编码则是0030，以此类推。
而汉字的Unicode编码则只有通过查表获得。
考虑到本系统采用的中文指令集采用的汉字个数有限，所以实现起来比较简单。
采用PDU方法实现中文短信举例:
1.at+cmgf=0//设置采用PDU模式
2.at+cmgs="LENGTH"//设置要发送信息的长度（LENGTH）
59278FDE74065DE559275B6657CE5E025B669662
4.PDU包解码：
对照规范，具体分析：
分段
含义说明
08
地址信息的长度供8个8位字节（包括91）
91
SMSC地址格式（TON/NPI）用国际格式号码（在前面加‘+’）
683108200505F0
SMSC地址凑成偶数个
11
代表PDU格式
00
代表是第几条短消息
0B
固定格式
81
3112243015F2
目标地址（TP-DA）凑成偶数个
00
固定格式不动，代表短消息
08
代表8-bitUnicode编码
A7
14
用户信息长度，实际长度6个字节
59278FDE74065DE559275B6657CE5E025B669662
用户信息：
大连理工大学城市学院
14后跟的就是所需发送的消息部分，全部采用Unicode的编码。
需要注意的是，PDU串的用户信息长度（TP-UDL），在各种编码方式下意义有所不同。
7-bit编码时，指原始短消息的字符个数，而不是编码后的字节数。
8-bit编码时，就是字节数。
UCS2编码时，也是字节数，等于原始短消息的字符数的两倍。
如果用户信息（TP-UD）中存在一个头（基本参数的TP-UDHI为1），在所有编码方式下，用户信息长度（TP-UDL）都等于头长度与编码后字节数之和。
如果采用GSM03.42所建议的压缩算法（TP-DCS的高3位为001），则该长度也是压缩编码后字节数或头长度与压缩编码后字节数之和。
这里，将一个英文字母、一个汉字和一个数据字节都视为一个字符。
每个字符都用4位16进制数表示。
注意问题：
在中文短信调试过程中，出现最多的问题是“+ERROR304”，主要原因是长度没有控制好，造成短信发送失败。
解决的办法除了细心以外，还必须弄清楚短
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