1 引言
“智能家居”一词源于英文“Smart Home”,更早的提法是“Home Automation(家庭自动化)”,当时涉及的产品都与家庭自动化产品及配件有关,自动化、智能化是其重要特点[1]。几年前,美国、欧洲、东南亚等经济比较发达的地区先后提出了“智能住宅”(“智能家居”的另一种说法)的概念,其目标就是将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线(HBS)连接在一起,形成一个家庭智能化系统,从而可以对所有设备进行集中或异地监视、控制以及进行家庭事务管理,并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。智能家居系统通常包括以下一些基本子系统:防盗报警系统、煤气泄露探测系统、远程医疗诊断及护理系统等
[2]。
在我国,智能家居也成为近年来一个最热门的话题之一,作为“居室眼睛”的窗户也成为了其中必不可少的一部分,引发了不少研究。如果它能在下雨且家中无人时,自动关闭以防止雨水进入损坏室内财物,当室内温度过高或过低时,自动监测以通风调节,与此同时,将窗户目前的开关状态和开关缘由以短信的形式及时告知用户。同时用户可以以短信方式控制窗户的开关,此时用户的控制为最高控制级,从而达到远距离“人机对话”的目的,使窗户真正的智能起来。该通信智能窗的设计以51单片机为控制部件,GSM模块为通信核心部件,多种传感器为检测装置。
2 总体方案的设计
2.1 设计的主要任务及内容
1、自动监测室内温度:利用室内的温度传感器DS18B20实时监控室内的温度,并将采集到的信息传至STC89C52单片机进行处理后与预先设置好的温度值(温度上限和温度下限)作对比,从而控制连接窗体的电动装置完成相应动作。
2、自动监测雨天下雨状况:利用室外的湿敏传感器DHT11实时监测室外的湿度,当湿度超过某一设定预置时,单片机将控制电机完成关窗这一动作。其中,温、湿度的预值上下限均可通过短信方式进行设定和更改。
3、 与指定用户的“短信会话”:一方面,在上述其中一种状况发生时,将引起开关窗动作,此时一条关于窗户当前状态及动作缘由的信息将由单片机控制GSM模块发送给被指定用户的手机;另一方面,由于用户作为整个系统的最高控制级,用户可以根据自己的主观意愿以短信的方式远程控制窗户动作,当窗户完成动作后将给以反馈。
4、人性化防断电功能:整套系统与家用电源相连接,同时系统还配备一组外围的蓄电池,如果家用电源停止供电时,蓄电池将为整套系统提供约72小时电能,以保证整套系统在断电情况下仍能正常工作。
图1 系统流程框图
5、增加新控制用户的功能:原指定用户手机可以发送相关短信来增加新的控制用户,从而使控制更加便捷。
系统框图如图1所示。
2.2 系统的硬件构成
本系统主要包括窗体,控制部分以及用户的手机三个部分,其中作为核心的控制部分又包含传动装置(安装于窗体并与单片机相连)、传感器(温度和湿敏传感器)、负责通讯的GSM模块及单片机构成。
由于系统各部分的工作电压不同,采用了变压器将家用电压220V转换为9V以供GSM模块工作,在电路板上增加了电压转换芯片[3]将9V电压稳定于单片机所需要的5V电压上。系统的结构框图如图2所示。
图2 系统结构框图
3 GSM模块
全球移动通讯系统GSM(Global System for Mobile Communications)是由欧洲电信标准化协会(ETSI)开发的数字移动电话网络标准,其目的是让全球各地共同使用一个移动电话网络标准,让用户使用一部手机就能行遍全球,也是我国目前覆盖范围最广、功能最强、用户最多的移动通信系统。GSM中的短信息业务SMS(定义于ETSI制定的标准GSM 03.40)提供的短信服务具有收费低廉、随时随地获取信息的便利[4-5]。GSM模块,是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上,具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块[6]。
图3 GSM内部结构图
因此,GSM模块具有发送SMS短信,语音通话,GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。简单来讲,GSM模块加上键盘、显示屏和电池,就是一部手机,内部结构图如图1-3所示。
目前,GSM模块依然在广泛的工业应用领域使用,在各行各业都能看到GSM模块应用的产品。
4 软件设计
4.1 实现中文短信发送
GSM模块支持两种方式来发送和接收SMS短信息,文本模式(text),PDU(protocol description unit)模式。文本模式只能发送普通的Ascii码,要发送图片,铃声等其他编码的字符(如中文)就必须采用PDU模式。PDU模式中,可以采用三种编码方式来编码要发送的内容,分别是7bit编码,8bit编码,16bit编码。7bit编码用于发送普通的Ascii字符,8bit编码通常用于发送数据信息,如图片和铃声,而16bit编码用于发送Unicode字符。三种编码可以发送的最大字符分别是160,140,70 。本设计中采用了PDU模式下的16bit编码。
具体步骤描述如下:
1、GB2321编码到Unicode编码的转换
操作系统提供函数(有些系统不提供, 如deltaos)手动查表;
2、Unicode编码到16bit编码的转换
得到的Unicode编码后,还需要转换成PDU的16bit编码才可以正确的发送,这个转换过程中Unicode编码最开始的0xffff标志要去掉,在0xffff之后的内容才是真正的Unicode字符。Unicode是双字节,根据系统如果是小端字节序(little-endian),也就是说,存储的时候, 先存低位再存高位,例如:“开”的Unicode编码是5F00,储存的时候是005f,在转换到16bit编码的时候要转换顺序,如果是大端字节序(big-endian)如本系统,就不需要转换了。正确计算16bit编码的消息体长度,PDU规范中,包括消息体本身;正确设置First-Octet,TP-MR,TP-PID,TP-VP在PDU格式中,依次设置为:11,00,00, 08(以上都为16进制数)。
3、形成标准的发送包[7]。
5 应用和推广
5.1 通信智能窗的基本应用
随着科技的发展,人们生活水平的日益提高,智能窗的应用领域将变得越来越广。从普通的居民楼、教学楼到高级酒店、别墅,大型商务楼,智能窗的优势都将突显得淋漓尽致。下面从该项目所设计的智能窗的应用对它进行介绍:
1、多样性、可选择度广:由于整套系统结构简单,所运用的模块技术成熟,用户完全可以根据自己的需求以及所处环境选择所需功能。例如,在湿度较大的南方,可选择具有湿度检测功能的智能窗;对于使用液化气的用户,则可选择能够实时监测室内有害气体含量的智能窗;而对于担心家庭财产安全的用户,则可选择配备红外线报警系统的智能窗。有了多种功能的搭配,满足了用户的不同需求。
2、低碳、节能环保:该系统设计采用了节能环保器件,在程序设计上,设计了节能模式,使系统在工作状态下耗电量低。
3、安装方便、美观:智能窗系统中的传动装置采用单链条式电动开窗器,结构简单、小巧,易于安装,同时它采用铝合金外壳,使其安装后美观且不影响窗户的采光。而且该套系统广泛用于平开式窗户,安装时不需改变窗体的构造,这样极大地提升了它的实用性。
4、远程控制:独特的GSM通讯系统。现在的人们生活越来越离不开手机,这使通信智能窗应用更加便捷。对于远在外地出差的人,通过短信和智能窗“对话”,便可了解室内环境的实时状况;对于上班一族,回家之前开窗通风,可为自己和家人营造一个良好的居住环境。
5、应急功能:智能系统需要依赖电源为其提供能量,当出现停电这种特殊状况时,外接的蓄电池将立即为系统提供长达72小时的电能供应[8],使智能窗继续为人们提供服务。
5.2 智能窗的推广及演变
通过智能窗我们可以将这套系统稍加修改,应用于更多设备,例如智能温控、智能照明及智能集群等,一步一步向智能家居过度。下面将从几个具体例子对其进行介绍。
在高档商务建筑方面的贡献:传统商务建筑楼宇智能化的概念主要表现为对整个建筑公共区的照明、中央空调及给排水进行控制和检测,起到节约能源的功效。作为智能窗系统的演变,可精细到对每个办公区域光源的发光时间、亮度的控制,使其适应不同的办公环境;根据每个办公区域对温度要求的不同,可自动调节到舒适的环境温度;根据每个办公区域空气质量的监测,可自动提供新鲜空气补给。这样,在提升商务工作环境和工作群体健康的基础上,将达到更加节能环保的目的。
在高档住宅和豪华别墅方面的贡献:家庭对每个人来说永远是温馨的港湾。将智能窗的设计理念应用于此,可使人们通过办公室电脑远程操控家电设备,提供保姆一站式服务;也可通过智能手机可视操控室内监控,起到贴身卫士的功效。系统在提升人们生活品味和家庭安全的同时,更注重了生活质量的提高。
在医院病房方面的贡献:医院的作息时间相当严格,病房内的公用照明有统一的开启和关闭时间,病房内的环境也有严格的恒温恒湿要求,当这些“规矩”被破坏时,病房内的病人只能通过按铃或对讲的方式来告知医护人员[9]。而由此演变出的智能系统能够提供整套的医院病房智能控制解决方案,对病房内和走廊内的公用照明提供定时定点控制,将保证病人的正常休息时间,对病房内的环境进行恒温恒湿调节,将避免能源的浪费。
对学校教学楼方面的贡献:在校园中,每幢教学楼都有管理员,集群智能窗、智能门以及智能照明的应用将使得管理员更方便的对每间教室进行管理,将实现管理员在监控室内就可以控制整幢楼教室门窗的开关以及照明灯的亮灭,避免了以往逐一排查带来的麻烦,让管理更加便捷、高效。
6 结束语
随着物联网时代的到来,人们对物品的控制要求越来越高,因而我国GSM技术必将得到飞速发展和广泛应用。窗户作为房屋极为重要的一部分,其智能性和安全性的研究受到了人们越来越高的重视。本文应用GSM模块,STC89C52单片机以及多种传感器进行了通信智能窗的设计和探究,重点讨论了系统结构设计、软件设计以及以其设计理念为核心演变出的一系列产品的应用。
参考文献:
[1] 戚振兴.浅议我国智能家居发展[J].广西轻工业,2009,(10):63-64.
[2]丁兆威.智能家居离我们还有多远[J].中国公共安全(综合版),2010,(10):125-126.
[3] 魏振忠.电流/电压转换芯片MAX472在永磁直流电动机虚拟测试系统中的应用[J].电子技术应用,2000,(5):57-58.
[4] 林融.GSM的发展趋势和建议[J].北京电信科技,1998,(1):1-2.
[5] 万求.GSM短信传送文件的方法的研究与实现[J].计算机工程与应用,2006,(32):122.
[6] 李辉.GSM信号的测量与分析[J].信息安全与通信保密,2009,(10):64-65.
[7] 苗雨.基于GSM模块实现短信发送[J].电脑知识与技术,2008,(8):1741-1742.
[8] 周志敏.浅析蓄电池的充放电特性(二)[J].电源世界,2004,(10):66-67.
[9] 胡及惠.负压隔离病房的隔离通风分析与设计[J].福建建筑,2011,(1):89-90.