中心議題：

• 網(wǎng)絡(luò )家電系統簡(jiǎn)介
• GSM網(wǎng)關(guān)硬件設計
• GSM網(wǎng)關(guān)軟件設計
• 短信處理機制解析

解決方案：

• 采用GSM模塊TC35

1 前言　　

隨著(zhù)經(jīng)濟的迅猛發(fā)展及生活質(zhì)量的不斷提高，人們對居住環(huán)境的舒適度、安全性以及操作的便捷性等要求也越來(lái)越高。比如在炎熱的酷暑，希望一上班就能享受到空調帶來(lái)的涼爽；人們旅游在外時(shí)，希望能將家中的燈、電視機打開(kāi)一段時(shí)間再關(guān)閉以造成有人在家的假象，提高家居的安全性；當小偷破壞車(chē)主的汽車(chē)防盜報警系統時(shí)，能觸發(fā)另一系統自動(dòng)給正在外地辦事的車(chē)主手機或當地警察報警；還有半小時(shí)就下班了，現在就將家中電熱器打開(kāi)燒水等等。再比如，現在很多商用空調（如電信基站用的空調）安裝在遙遠、偏僻、荒蕪人煙的場(chǎng)合，這些地方的氣候條件非常惡劣，且終年無(wú)人職守，要確保里面的設備能正常穩定運行，就必須時(shí)刻監控機房中的環(huán)境溫度、濕度、空調運行狀況，當遇到空調發(fā)生故障時(shí)應能及時(shí)、自動(dòng)向控制中心或值班人員手機報警等?！　?br />
在這些應用中，通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（如有線(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò )和PSTN網(wǎng)絡(luò )）需要專(zhuān)用網(wǎng)線(xiàn)，實(shí)現起來(lái)不經(jīng)濟也不方便。由于GSM網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍廣，用戶(hù)無(wú)需另外組網(wǎng)，且用戶(hù)數量無(wú)限制，因此比起傳統的有線(xiàn)集群系統具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢，加上GSM的SMS功能不受時(shí)間、地點(diǎn)的局限，使得利用GSM網(wǎng)絡(luò )構筑的網(wǎng)絡(luò )家電的應用前景越來(lái)越廣。為此，公司于2004年立項并成功開(kāi)發(fā)出基于GSM網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )家電 - GSM網(wǎng)絡(luò )空調系統?！　?br />
2 系統簡(jiǎn)介　　

系統示意如圖1。
 

圖1 GSM系統示意圖

圖中系統可分為4部分；(1) PC（包括一個(gè)通過(guò)串口連接的無(wú)線(xiàn)調制調解器）或手機，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)送或接收數據；(2)GSM網(wǎng)絡(luò )；(3) GSM網(wǎng)關(guān)，是PC和家電通訊的橋梁；(4) 網(wǎng)絡(luò )家電，可以是網(wǎng)絡(luò )空調、冰箱、電熱器具、電動(dòng)窗簾等（下以空調為例）?！　?br />
在該系統中，1臺PC可帶任意多個(gè)網(wǎng)關(guān)，通訊時(shí)根據網(wǎng)關(guān)的電話(huà)號碼（SIM卡號）來(lái)識別；1個(gè)網(wǎng)關(guān)可帶128臺（受485總線(xiàn)限制）網(wǎng)絡(luò )家電，根據網(wǎng)絡(luò )家電的地址來(lái)識別。網(wǎng)絡(luò )家電的高位地址表示家電的類(lèi)別，如空調為1、熱水器為2等，而低位地址是由網(wǎng)關(guān)根據各類(lèi)家電已登陸注冊的臺數按順序自動(dòng)分配的?！　?br />
網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統的技術(shù)關(guān)鍵，因此下面介紹GSM網(wǎng)關(guān)的設計。

3 GSM網(wǎng)關(guān)硬件設計　　

圖2是GSM網(wǎng)關(guān)原理圖。其中D101為89C58單片機；D106、D107一起組成外擴RAM，主要用于存貯網(wǎng)關(guān)下所有空調的即時(shí)狀態(tài)信息；GP101的型號為T(mén)C35模塊，與單片機通過(guò)RS232（D102）連接。該模塊是西門(mén)子為嵌入式設備設計的GSM雙頻通訊核心模塊，支持語(yǔ)音通訊、數據通訊和短信功能，具有GSM07.05定義的標準AT命令接口；D105為EEPROM，用于存儲通訊密碼、電話(huà)號碼、空調信息碼等，同時(shí)起到外部Watchdog作用；X102通過(guò)485總線(xiàn)（D101）接網(wǎng)絡(luò )空調。
 

圖2 GSM網(wǎng)關(guān)原理圖　　

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由于GSM模塊在撥號及收發(fā)短信時(shí)有較強的射頻干擾，因此在設計PCB時(shí)應注意抗干擾問(wèn)題?！　?br />
4 GSM網(wǎng)關(guān)軟件設計　　

4.1 Modem初始化　　

4.1.1 將Modem給單片機的返回結果碼初始化為數字模式（用“ATV0”命令），可簡(jiǎn)化程序。如在數字模式時(shí)鈴聲的返回為“2r”；而在參數V的默認設置時(shí)返回結果為字符模式，因此鈴聲的返回就變成“RINGr”。(r為回車(chē)符，下同)?！　?br />
4.1.2 因需發(fā)送漢字，短信必須采用PDU（protocol descriptiON unit）模式（用“AT+CMGF=0r”命令）。PDU模式支持所有的手機。PDU串僅由數字或大寫(xiě)字母的ASCII符組成。中文或中英文混合短信須用UCS2編碼方式，短信內容需轉化成Unicode碼?！　?br />
4.1.3 在收到新短信時(shí)要求Modem提示（用“AT+CNMI＝1，1，0，0，1r”命令）以便及時(shí)處理?！　?br />
4.1.4 單片機在收到規定次數的打鈴信號后，要求手工摘機（用“ATS0＝0r”）　　

4.2 數據通訊　　

網(wǎng)關(guān)與空調之間，網(wǎng)關(guān)是主機空調是從機；PC與網(wǎng)關(guān)之間，PC是主機網(wǎng)關(guān)是從機?！　?br />
PC用數據撥號方式（TC35分語(yǔ)間撥號和數據撥號）和網(wǎng)關(guān)建立連接后，必須先驗證通訊密碼，如密碼不對，系統將掛機。密碼通過(guò)后，用戶(hù)可對本網(wǎng)絡(luò )所轄空調進(jìn)行開(kāi)停、設置、查詢(xún)等操作；PC會(huì )每隔一定時(shí)間發(fā)一個(gè)命令給網(wǎng)關(guān)以表明系統連接正常，如在規定時(shí)間內網(wǎng)關(guān)沒(méi)有收到任何數據，則網(wǎng)關(guān)認為PC出現故障（如PC突然斷電），網(wǎng)關(guān)將掛機；PC還可設置網(wǎng)關(guān)報警電話(huà)號碼、通訊密碼、短信密碼、信息服務(wù)中心碼等?！　?br />
網(wǎng)關(guān)收到PC命令后，先判斷該命令是給空調的還是給網(wǎng)關(guān)本身的，如是給空調的，則轉發(fā)給空調，待空調返回后最終將返回結果發(fā)給PC。在轉發(fā)PC命令給空調時(shí)，須等待正在進(jìn)行的網(wǎng)關(guān)掃描空調的命令發(fā)送完畢且已返回或延時(shí)一段時(shí)間才能執行，否則將降低通訊成功率?！　?br />
PC與網(wǎng)關(guān)之間采用UART口通訊，波特率為9600（TC35的波特率是自適應的）。當收到PC一幀正確數據后，對數據的處理我們將其視為一個(gè)任務(wù)?！　?br />
程序采用任務(wù)堆棧結構，最大任務(wù)數10個(gè)，超出的部分自動(dòng)丟棄（一般任務(wù)數不會(huì )超過(guò)3個(gè)）。每增加一個(gè)新任務(wù)，任務(wù)壓棧：任務(wù)數加1，并記下該任務(wù)的命令、地址。程序檢查目前有無(wú)待處理的任務(wù)，如有，則依次彈棧處理，每處理1個(gè)，任務(wù)數減1，直到任務(wù)都處理完畢。這些任務(wù)包括處理PC命令，轉發(fā)PC命令給空調，處理空調返回數據，回應PC命令，網(wǎng)關(guān)掃描空調，容錯處理等?！　?br />
網(wǎng)關(guān)處理完所有任務(wù)后（任務(wù)數為0），才對已登陸的空調狀態(tài)進(jìn)行輪詢(xún)掃描，同時(shí)，每隔一定時(shí)間查詢(xún)一次是否有新空調加入網(wǎng)關(guān)，如有，則由網(wǎng)關(guān)自動(dòng)分配空調地址（低位）使其登陸，登錄是以信息碼區分的，所以不會(huì )出現不同空調具有相同地址的情況?！　?br />
由于既要與PC通訊又要與空調通訊，因此我們將與空調的通訊采用I/O口模擬，波特率為1200?？照{數量越多，網(wǎng)關(guān)輪詢(xún)一遍所需時(shí)間越長(cháng)，按照我們的協(xié)議100臺空調輪詢(xún)一遍的時(shí)間約在550ms*100即1min左右，但這已能滿(mǎn)足空調等家電實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。網(wǎng)關(guān)將輪詢(xún)時(shí)得到的空調狀態(tài)保存在外擴RAM中，當PC要求刷新所有空調狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)關(guān)將這些數據按每15臺一組整體打包發(fā)給PC，這樣既提高了PC的查詢(xún)速度，又保證了空調狀態(tài)的實(shí)時(shí)性?！　?br />
通過(guò)PC設定報警電話(huà)（如PCModem模塊的SIM卡號）后，在網(wǎng)關(guān)查詢(xún)到某臺空調發(fā)生故障且網(wǎng)關(guān)Modem處于不忙狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì )主動(dòng)向該電話(huà)撥號，連接成功后可由PC自動(dòng)查詢(xún)到空調故障。也可以短信形式向用戶(hù)報警。

4.3 短信處理　　

4.3.1讀短信　　

收到PC或用戶(hù)發(fā)來(lái)的新短信時(shí)，TC35模塊會(huì )告知網(wǎng)關(guān)該短息的index,如index＝0x31(ASCII符)，則通過(guò)“AT+CMGR＝1r”命令可讀到該信息的內容。如SMSC的號碼是13800765500（順德地區信息服務(wù)中心碼），發(fā)送方手機號碼為13690673365，信息內容為“123空調10開(kāi)”（123為密碼，10為空調低位地址），則網(wǎng)關(guān)收到的短信PDU串可以為：08 91683108705605F0 840D 91683196603763F5 0008 4060915135930010 0031003200337A7A8C03003100305F00單片機讀到上述短信后，需要進(jìn)行以下幾項工作：　　

（1）記錄發(fā)送方手機號碼（上表第6、7部分），以便回復短信；（2）根據短信編碼方式（第8部分），對短信內容進(jìn)行解析。因編碼方式有7位、8位和16位（USC2），解碼程序也就不一樣（程序略）；（3）進(jìn)行密碼校驗，如密碼不正確，則直接將其刪除；（4）進(jìn)行密碼校驗通過(guò)，且短信內容符合相關(guān)約定，則將短信命令以特定協(xié)議格式轉發(fā)給相應空調，并將該短信刪除。因此，網(wǎng)關(guān)收到上面短信后，就將開(kāi)機命令發(fā)給10號空調；（5）在規定時(shí)間內，空調未返回執行結果，網(wǎng)關(guān)將重發(fā)。如重發(fā)3次仍沒(méi)返回，則識系統通訊故障?！　?br />
4.3.2寫(xiě)短信　　

仍以上述短信為例?？照{收到網(wǎng)關(guān)的開(kāi)機命令后執行開(kāi)機操作，并將執行結果返回給網(wǎng)關(guān)。如網(wǎng)關(guān)判斷該返回是回應短信的，則網(wǎng)關(guān)以中文短信形式將結果發(fā)到PC或用戶(hù)手機上（此例中號碼為13690673365），從而方便而又廉價(jià)地實(shí)現了對空調的雙向短信控制。發(fā)觸的PDU串為：08 91683108705605F0 1100 0091 6831966037635F 00 0801 107A7A8C03003100305F00
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表1 發(fā)送短信的格式                            

 

經(jīng)測試(小靈通手機除外)，回復短信時(shí)，為簡(jiǎn)化程序，上述第1、2、4、5、6、7、9、10、11部分可用表中的固定字段?！　?br />
由于網(wǎng)關(guān)是用單片機控制來(lái)實(shí)現短信收發(fā)的，因此在對信息內容編碼時(shí)，需用到GB2312到Uni-code編碼的轉換表，即對每個(gè)GB2312字符，根據它是中文字符還是英文字符分別進(jìn)行查表轉換，這樣也就要求單片機的ROM容量要在60k以上。我們使用的單片機才32k ROM，沒(méi)有外擴，因此程序中的漢字列表只能根據實(shí)際使用需要選擇2000個(gè)左右的常用漢字，這已能滿(mǎn)足絕大多數家電控制的要求?！　?br />
5 結束語(yǔ)　　

由GSM模塊TC35及單片機構成GSM網(wǎng)關(guān)，可以很好的完成短消息收發(fā)和數據通信，由此構成的GSM網(wǎng)絡(luò )空調控制系統是其應用的一個(gè)實(shí)例，其它網(wǎng)絡(luò )家電，嵌入相應協(xié)議后就可使用。通過(guò)較長(cháng)時(shí)間的可靠性試驗和用戶(hù)試用，目前系統運行穩定，用戶(hù)反映良好。