基于GSM短消息实验室环境监控的硬件系统设计

【摘 要】采用单片机STC89C52为控制核心、结合无线GSM短信模块，从主控模块的设计、主控模块与各子功能模块的连接、GSM通信模块的设计、防盗部分、传感器信号采集、电器控制、门窗控制等方面设计一个基于GSM短信息的实验室环境监测系统，以实现对实验室设备、环境状况的监控。

【关键词】GSM 短信息 TC35 单片机 环境监控

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2014）11C-0187-02

实践教学是高职院校人才培养的重要组成部分，智能化的实验室环境监控已经成为各个高职院校实验室建设的热议话题，成为发展的必然趋势。实验室环境监控系统是一个复杂庞大的系统，涉及通信技术、智能控制技术等相关技术，为用户提供全方位的多功能服务，同时对实验室环境进行远程监控和实时管理。基于短消息数据交换的技术，具有成本低和易于维护的优点，这主要是因为省略了巨大的网络建设投资成本和维护费用，将现有的GSM网络资源应用于实验室环境监控系统，可以充分发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为实验室环境监控系统的无线数据传输方式提供便利条件。

本文探讨的实验室环境智能监控系统，是利用传感器和单片机系统采集信息，通过总线接口，利用GSM网络短消息传输数据，实现对实验室环境的智能无线监控。

一、系统的工作原理和方案设计

（一）总体结构。本实验室环境监控系统由主控模块、功能模块、SMS通信模块、手机等部分组成。其中主控模块通过SMS模块与用户的手机进行通信。其结构图如图1所示：

图1 系统总体结构框图

主控模块与功能模块组成星形拓扑结构。各控制模块主要以单片机为控制核心完成控制工作。根据实验室环境监控系统中各个部分电路所起的作用和实现的功能，系统可以分为三个部分。一是主控模块。主控模块是控制的核心，负责处理接收到的发送来各功能模块信息，并控制有关信息发送给通信模块的权限。并且对各功能模块根据接收到的通信模块信息进行控制和操作。二是通信模块。通信模块是实验室监控系统的重要部分，实现主控模块和手机用户之间的通信，目的是完成对实验室的远距离控制。通信模块接收到手机通过GSM移动网络将SMS发送的实验室数据后，传输给主控模块，控制功能模块进行相关操作，从而实现对实验室的远程控制，同时通信模块将通过主控模块获取的各功能模块的信息传送给手机。三是功能模块。该模块负责完成实验室环境智能化监控的各项工作。根据所完成工作的功能不同，可以分为信息采集模块和自动控制模块。采集模块主要是采集各传感器，门磁开关，声控开关的状态。自动控制模块主要是执行短信息发过来的指令，通过继电器，电机等实现门窗控制和电器控制。

（二）系统功能。本文探讨的实验室环境监控主要是实验室电子设施的智能化，包括门窗控制、远程电器控制、远程监控、安防报警等。

二、系统硬件设计

（一）主控模块的设计。主控模块选用了STC89C52单片机作为主控模块，因为STC89C52与AT89C51完全兼容，可在线编程。具有8K的ROM和512B的RAM，而且有1K的EEPROM，基本上可以满足一个中型监控系统的开发要求。而且STC89C52已集成有看门狗，这样可以省下外部硬件看门狗部分，所以选择AT89C52作为主控芯片。

在本系统中，主控模块用了两片STC89C51芯片，一片专门用来TC35通信，处理短信息，储存用自定义的字符；另一片用来和从单片机通信，并处理红外线接收和发送，储存用户需要的红外线代码串，从而实现手机发短信控制带红外线遥控的电器，这样功能更强大，编程更简单。由于采用集散式控制，因此需要两个串口，一个用来和TC35通信，一个用来和从单片机通信。

（二）主控模块与各子功能模块的连接

基于实验室的特殊功结构，为方便布线，本系统采用总线形式和星型形式相结合。即主单片机和从单片机这间的关系是总线结构，而从单片机和功能模块之间是星型结构。如图2所示。

图2 系统通信结构图

功能模块的实现都转化为开关量了，这样可以直接连接到P0、P1、P2口，完成信息采集和电器控制。

（三）GSM通信模块的设计。采用TC35进行数据通信电路设计，用于实现与单片机通信、短消息收发、软件流控制等功能。由于单片机用5V供电，而TC35用的是4.2V供电，需要对两者的电平进行处理。由TC35串联1K的阻R7再传输到STC89C52，R7起保护作用，而由STC89C52到TC35则需串一2K左右的电阻，再加一3V的稳压二极管即可。电路如图3所示。

图3 数据通信电路设计

（四）防盗部分。该项模块分多种采集方式，大门磁开关，车门门磁开关，热红外线人体感应等。门磁开关选用常开干簧管，关着门时闭合。这样既可以检测门窗关好，又可以设防。该模块的核心是BISS0001芯片。在防盗状态下，当门发生位移时，就把信息转化为开关量发送给单片机，从而短信告知手机，同时打通机主手机以提示，接着启动警笛，达到防盗目的。

（五）传感器信号采集。实验室环境监控需要监控实验室环境的状态，因此实验室环境控制器需要连接温感、烟感及煤气泄漏等传感器，采集相关的信息，遇到险情时能够及时通知用户或管理中心。这些传感器的信号一般用于报警功能，只有开关两种状态，因此将这一类的信号称为开关量信号。传感器的信号采集电路如图4所示，图中3V稳压管与电阻起到保护作用，外部突变电压过大时，可以起到稳压的作用，防止烧坏主控制器，电容起到抗干扰作用。

图4 信号的采集电路

（六）电器控制。一般实验室电器分为带红外线遥控的和普通电器，带红外线遥控的电器可通过红外线遥控来控制，工作原理：遥控器由中央控制器STC89C52、程序及数据存储器、红外发射和接收电路、信号调理电路等组成，遥控器具有学习状态和控制状态。原理图如图5所示。

图5 红外线遥控接收

（七）门窗控制。本文设计一个窗户控制模块，室内可以手动控制，人在室外也可以通过发送短信息远程遥控窗户或门的开关，下雨时可以自动关窗。通过单片机采集窗的状态，再控制电机使其开关，这个系统包括雨水传感器、电机控制电路、按钮、接近干簧管开关和串行通信电路等几个部分。该系统通过单片机串口与主控模块进行数据传输。

综上，本文设计了一个基于GSM短信息实验室智能化遥控系统，进行了总体方案设计和探讨了该系统的整体构架以及功能要求，对所需元器件进行选择，以单片机为核心处理器件，对GSM短信息主控模块电路以及各功能模块电路进行设计，以PC机为试验平台，进行了短信息接收与发送的模拟试验调试，同时也对各部分电路功能进行了调试，并分析和解决了试验中遇到的所有问题，证实了该系统是具有可行性的，具有较强的使用价值，很好地适应了未来实验室环境监控发展的智能化和网络化的必然趋势。

【参考文献】

[1]徐军.GSM系统中短信息业务的技术特点[J].山东通信技术，2000（2）

[2]杨士元.智能家庭技术在中国的发展[J].电子产品世界，2003（2）

[3]何华斌.远程遥测遥控中SMS的应用[J].闽江学院学报，2004（2）

【作者简介】吴建军（1966- ），男，柳州铁道职业技术学院铁道通信信号专业带头人，讲师/实验师，研究方向：电子技术、计算机应用、铁道通信信号技术。

（责编 何田田）