劉麗偉， 于 碩， 孫曉慧， 許樹良

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居熱水器

劉麗偉， 于 碩， 孫曉慧， 許樹良

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，智能家居的產(chǎn)品呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)是基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居熱水器，具有溫度可控、時(shí)間預(yù)約、遠(yuǎn)程手機(jī)控制的功能。

智能家居；GSM網(wǎng)絡(luò)；熱水器；遠(yuǎn)程控制

0 引 言

傳統(tǒng)熱水器只是具有簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)溫度和加熱功能，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前高節(jié)奏的城市生活。對(duì)于智能熱水器來(lái)講，便捷是重要的特點(diǎn)，而遠(yuǎn)程控制是體現(xiàn)便捷的重要方面。將手機(jī)和熱水器相連，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)使用短信遠(yuǎn)程控制熱水器的功能是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。使用者可以在上班的時(shí)候就通過(guò)手機(jī)給自己家的熱水器發(fā)短信，控制熱水器進(jìn)行加熱，下班到家直接就可以洗熱水澡，而不必回家設(shè)定和等待。文中從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面描述了本款設(shè)計(jì)的思想和原理，相比傳統(tǒng)熱水器，更加的便捷化和人性化。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由CPU、人機(jī)交互模塊、GSM模塊、溫度傳感模塊、加熱電路和電源電路組成。通過(guò)兩種方式來(lái)設(shè)定參數(shù)：一種是通過(guò)人機(jī)交互界面；另一種是通過(guò)手機(jī)短信。人機(jī)交互界面由鍵盤和顯示屏幕組成，通過(guò)鍵盤直接輸入設(shè)定參數(shù)；手機(jī)短信可以由CPU解析出實(shí)際的內(nèi)容，從而達(dá)到設(shè)定參數(shù)的目的。將設(shè)定好的參數(shù)和溫度傳感器采集的信號(hào)做比較，CPU會(huì)根據(jù)比較的結(jié)果做出相應(yīng)的控制處理。整體設(shè)備要求具有以下功能：

1）數(shù)據(jù)采集、處理功能；

2）通過(guò)短信控制熱水器加熱功能；

3）手動(dòng)控制，使普通熱水器增加人工預(yù)設(shè)功能，并有LCD顯示。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 CPU選型

采用的CPU為C8051F020，其具有豐富的I／O引腳和中斷源，片上集成FLASH，具有掉電保護(hù)的功能。它使用的是51的內(nèi)核，與51單片機(jī)兼容。速度快、穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)單，非常適合做本款設(shè)計(jì)。

1.3 電源設(shè)計(jì)

電源模塊需要給控制電路、加熱電路和其它電路供電，所以一共有3個(gè)電壓源［1］。家用交流電進(jìn)入后分成兩路：第一路用于給加熱設(shè)備供電；第二路用于降壓整流后給控制電路和其它的外設(shè)供電。其中，第二路經(jīng)降壓整流濾波后成為12V的直流電，然后經(jīng)過(guò)7805芯片轉(zhuǎn)化成5V的穩(wěn)定電源，可以給傳感電路等外設(shè)供電［2］。5V電源后經(jīng)過(guò)ASM1117降壓芯片后成為3.3V的電源，用于給CPU等控制電路供電。具體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 電源電路

1.4 溫度信號(hào)采集電路

采用的是18B20的數(shù)字溫度傳感器，這款傳感器具有測(cè)溫范圍廣、穩(wěn)定性好、測(cè)量結(jié)果精確的特點(diǎn)。使用18B20的溫度傳感器，不需要對(duì)采集的信號(hào)做任何處理，直接將其輸入到CPU，節(jié)省了信號(hào)放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路，使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔。因?yàn)?8B20的溫度傳感器不能直接采集水溫，所以，采用一個(gè)密封的鐵質(zhì)探頭將其密封，由于金屬的導(dǎo)熱性較好，故采用鐵質(zhì)探頭。然后將信號(hào)線用橡膠管密封，達(dá)到防水的效果。

1.5 GSM信號(hào)電路

本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于可以通過(guò)手機(jī)設(shè)定溫度和預(yù)約時(shí)間，所以GSM信號(hào)的接收和發(fā)送電路是設(shè)計(jì)的核心。采用德國(guó)西門子公司的TC35I作為設(shè)計(jì)的GSM模塊，西門子TC35i工業(yè)GSM模塊是一個(gè)支持撥號(hào)、發(fā)送中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，工作EGSM900和GSM1800雙頻段，通過(guò)接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線，加上額外的控制電路組成GSM短信收發(fā)模塊，TC35i由供電模塊（ASIC）、閃存、ZIF連接器、天線接口等6部分組成。作為TC35i的核心基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。

將GSM模塊的串行通信口和CPU的串行通信口相連，通過(guò)AT指令來(lái)控制TC35接收和發(fā)送短信。AT即Attention，AT指令一般應(yīng)用于終端設(shè)備與PC應(yīng)用之間的連接與通信。AT指令集是從終端設(shè)備（Terminal Equipment，TE）或數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Terminal Equipment，DTE）向終端適配器（Terminal Adapter，TA）或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備（Data Circuit Terminal E-quipment，DCE）發(fā)送的。將收到的短信進(jìn)行解析判斷后，CPU將根據(jù)解析的信息作出相應(yīng)的控

制。具體設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3 GSM模塊電路

1.6 人機(jī)交互模塊

當(dāng)我們?cè)诩业臅r(shí)候，不需要使用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可以直接使用人機(jī)交互界面對(duì)熱水器進(jìn)行控制。人機(jī)交互電路由1塊12864的液晶和3個(gè)獨(dú)立按鍵組成。12864顯示當(dāng)前水溫、設(shè)定水溫、預(yù)設(shè)時(shí)間等信息［3］，3個(gè)按鍵用于調(diào)節(jié)控制設(shè)定的水溫和預(yù)設(shè)時(shí)間。12864使用串行通信直接和CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。獨(dú)立按鍵一端和CPU的I／O口相連，一端接地［4］。當(dāng)某個(gè)鍵按下的時(shí)候，則在CPU的端口檢測(cè)到低電平，CPU從而做出相應(yīng)的控制。具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 人機(jī)交互模塊電路

1.7 繼電器控制電路

控制電路使用的是弱電，而熱水器的加熱電路使用的是220V的強(qiáng)電，所以中間必須加上控制轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的目的。文中使用的是光電隔離的繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)控制的目的［5］。光繼電器為AC／DC并用的半導(dǎo)體繼電器，指發(fā)光器件和受光器件一體化的器件。輸入端和輸出端電氣性絕緣，但信號(hào)可以通過(guò)光信號(hào)傳輸。本設(shè)計(jì)采用光繼電器，有效隔離弱電和強(qiáng)電［6］。

2 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)備上電以后，CPU首先將GSM模塊、溫度傳感模塊、液晶顯示屏進(jìn)行相應(yīng)的初始化設(shè)定。然后讀取FLASH的值，確定上次設(shè)定的參數(shù)。開啟定時(shí)器，每隔一秒后預(yù)約時(shí)間減一。然后進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)，在這個(gè)循環(huán)中做如下處理：

1）檢測(cè)現(xiàn)在的水溫；

2）判斷是否收到短信，如果收到短信，則解析短信內(nèi)容，將預(yù)約時(shí)間和溫度賦值給全局變量。沒有收到短信進(jìn)行下一步；

3）判斷是否有按鍵按下，如果有，則根據(jù)按鍵設(shè)定相應(yīng)的預(yù)約時(shí)間和溫度；

4）判斷預(yù)約時(shí)間是否到零。如果是，繼續(xù)判讀預(yù)約溫度是否大于現(xiàn)在的水溫，是則開啟繼電器進(jìn)行加熱，否則關(guān)閉繼電器，繼續(xù)倒計(jì)時(shí)，停止加熱；

5）跳到1），循環(huán)執(zhí)行。

具體設(shè)計(jì)流程圖如5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款智能家居熱水器，從硬件和軟件兩個(gè)方面出發(fā)，進(jìn)行了完整的設(shè)計(jì)。通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)，使用手機(jī)發(fā)短信的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)也有人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的人工控制。通過(guò)18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精確采集，整體指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程

［1］李鴻.用單片機(jī)控制手機(jī)收發(fā)短信息［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2003（1）：58-60.

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［4］苑文舉，趙孔新，劉麗偉，等.基于GPRS的汽車防盜無(wú)線遠(yuǎn)程報(bào)警器［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29（4）：391-394.

［5］白鳳娥，霍利峰，劉振峰.基于C8951F020單片機(jī)系統(tǒng)的USB擴(kuò)展［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，20（3）：125-130.

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A smart home water heater based on the GSM network

LIU Li-wei， YU Shuo， SUN Xiao-hui， XU Shu-liang

（School of Computer Science ＆Engineerin，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

With the development of electronic technology，the kinds of smart home products shows a trend of rapid growth.Here we give a design of a smart home water heater that based on the GSM network.It has the functions of controllable temperature，appointment made and mobile controlled.

the smart home；GSM network；water heater；remote control.

N 39

A

1674-1374（2014）01-0077-05

2013-06-13

劉麗偉（1974－），女，漢族，吉林通化人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)講師，博士，主要從事信號(hào)與信息處理方向研究，E-mail：liuliwei＠m(xù)ail.ccut.edu.cn.