基于移动通信的家居控制与安全系统设计

文/张景虎1　孔芳2

目前的智能家居系统主要基于互联网，针对目前中国广大农村互联网缺乏而移动通信网络普遍存在等现状，本文设计了基于移动通信的家居控制与安全系统。系统利用GSM 网络与TC35 模块实现远程控制通信，利用学习型红外遥控模块实现对家电的万能遥控，利用315M 超再生无线通信及人体红外感应实现防盗报警，是农村普及智能家居系统的良好设计方案。

【关键词】智能家居 GSM 学习型红外遥控人体红外感应

1 前言

21 世纪是信息化的世纪，人类对计算机和互联网的依赖程度越来越高。智能家居是通过物联网技术将居室内的各种设备（如家电、照明、窗帘、安防等）连接到一起，实现远程家电控制、照明控制、窗帘控制、防盗报警、环境监测等功能。但目前这些先进的智能家居技术大都是应用在城市高档小区中，而在广大农村和偏远山区却因为各种限制而难以推广。但是随着家电和手机在农村的普及，利用GSM 网络可构建简单的智能家居系统，让广大农民享受信息技术所带来的生活便捷。本文的主要内容就是利用移动通信网络为农村等互联网不发达地区设计符合最基本要求、便捷实用的智能家居系统，作为推广智能家居系统的一种过渡性设计。

2 系统硬件设计

系统的基本功能：正常情况下，用户通过手机远程向系统发短信，系统根据短信编码，遥控家中电器（如空调、窗帘等）的启停，也可拨打系统电话进行环境监听，当有盗贼闯入室内或其它异常状况出现时，启动大功率声光报警器，自动拨打报警电话和户主电话并短信通知。

2.1 硬件结构

系统硬件结构如图1 所示， 主要包括STC89 系列单片机作为控制模块， 西门子TC35 模块作为GSM 远程通讯，315M 超再生无线收发模块作为室内中短程通讯，红外释热防盗模块，HX1838 红外一体化接收及红外发射二极管作为红外学习及家电遥控模块，其它传感器电路（如温度、湿度、烟雾等），声光报警器电路，键盘输入及1602LCD显示电路。

2.2 远程控制通信模块

全球移动通信系统GSM 是当前应用最为广泛的移动电话标准，具有普及度高，几乎无网络盲点，只要会打电话、发短信就能操作，在使用飞信、微信等工具发短信控制的情况下更是无需任何额外开支。TC35 GSM 模块具有成本低、技术成熟稳定等特点，由供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口等组成。其核心基带处理器主要处理GSM 终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。引脚16~23 为数据输入/ 输出，其接口是一个串行异步收发器，符合RS232 接口标准，硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，支持标准的AT 命令集，与单片机通过串口进行通讯，引脚24~29 连接SIM卡，引脚35~38 为语音输入/ 输出接口，连接话筒和扬声器。单片机通过AT 指令对TC35模块进行初始化和短消息的接收/ 发送及拨打电话等操作。常用的AT 指令如表1 所示。

2.3 学习型红外遥控电路

家用电器的遥控器绝大多数属于红外遥控器，为了避免遥控器间互相的干扰，每个厂商的红外遥控器都具有其特定的编码，包含厂商固定编码和面板按键编码。本系统中的红外遥控部分要求能对居室内所有家电进行遥控，故必须预先对所有家电红外遥控编码进行学习，然后存储、回放。虽然市面上的遥控器的编码格式各不相同，但是最终都是高低电平组成，所以只要利用单片机对遥控器的发射信号的波形进行测量，然后将测量的数据回放即可，由于只关心发射信号波形中的高低电平的宽度，不管其如何编码，因此做到了真正的万能。本系统使用HX1838 红外模块，设置按键__启动一个学习过程，设置LED 指示学习型红外模块状态，红外接收头在与单片机连接时，将接收来的红外遥控信号反相，其正向信号接外部中断0，反相信号接外部中断1，通过记录2 个中断间的间隔时间来测量红外遥控信号高低电平的脉宽值。

2.4 红外防盗及近程无线通信模块

人体体温恒定37 度，会发出特定波长为10 微米左右的红外线，使用HC-SR501 探测人体发射的红外线，内部的热释电元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

室内无线通信选择315M 超再生无线收发模块，具有功耗低、传输距离长、可靠性高等特点，利用PT2262 编码芯片对HC-SR501 产生的电信号进行编码，送给315M 超再生无线发送模块，控制端的315M 超再生无线接收模块负责接收数据，利用PT2272 解码芯片对信号进行解码，然后送单片机处理，控制声光报警器工作，并启动TC35 GSM 模块拨打报警电话、向户主发送短信等操作。

3 系统软件设计

3.1 主程序流程

系统首先对设备初始化，然后检测TC35工作是否正常，接着判断是否进行家电红外编码学习，然后通过按键扫描方式查询是否打开防盗模式，进而查询是否触发红外人体感应模块，条件满足时，单片机启动声光报警器并通过AT 指令控制TC35 模块拨打设定的手机号码（或报警电话），同时向户主发短信提示有盗贼闯入。

因为TC35 模块收到的短信文本格式是固定的，在收到短信时只要检测特定位置的串口数据，与预设数值对比，就可实现对短信指令的判断，从而执行相应的动作。当判断收到短信为预设的指令时，单片机通过拉低P2.2 的电平控制学习型红外遥控模块发射已学习的相应红外编码，从而实现遥控家电的目的。图2为主控单片机程序流程图。

3.2 学习型红外模块程序设计

利用单片机的两个外部中断可以测量出红外遥控编码的脉冲宽度，将发射信号中高、低电平的时间宽度进行存储。当要发射红外信号时，从存储区中还原出相应的红外遥控编码，并调制到38KHz 的载波信号上，从而实现学习型红外遥控的功能。其流程图如图3。

4 结束语

本智能家居系统经过实物测试，具有结构简单、功能完善、运行可靠、成本低廉、易于图2：主控单片机程序流程图图3：学习型红外遥控控制流程扩展等特点，特别适合于互联网普及率较低的广大农村和偏远山区，是广大农村地区城镇化建设进程中非常合适的智能家居系统的过渡替代品，具有广阔的发展前景。

参考文献

[1] 卓承军. 家庭自动报警系统设计与实现[J]. 电子科技大学硕士学位论文，2011(04).

[2] 周涛. 基于无线传感器网络的智能家居安防系统[J]. 太原理工大学硕士学位论文，2010(05).

[3] 张俊.SMS 短消息传输的远端控制技术及其实现[J]. 仪器仪表学报，2003，24(4).

[4] 张玉莲. 传感器与自动检测技术[M].机械工业出版社，2011(6).

[5] 邓凯. 智能化住宅安防系统的应用[J].冶金矿山设计与建设，2000(3).

作者简介

张景虎(1975-)，男，汉族，山东省茌平县人，硕士，讲师，研究方向为信号与信息处理。孔芳（1976-）， 女， 山东省曲阜人，现供职于曲阜少年儿童竞技体育运动学校。

作者单位

1. 曲阜师范大学物理工程学院　山东省曲阜市　2731652. 曲阜少年儿童竞技体育运动学校　山东省曲阜市　273165