GSM網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)家電中的應(yīng)用

1 前言　　

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展及生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)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(diào)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(jī)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(dāng)小偷破壞車(chē)主的汽車(chē)防盜報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，能觸發(fā)另一系統(tǒng)自動(dòng)給正在外地辦事的車(chē)主手機(jī)或當(dāng)?shù)鼐靾?bào)警；還有半小時(shí)就下班了，現(xiàn)在就將家中電熱器打開(kāi)燒水等等。再比如，現(xiàn)在很多商用空調(diào)（如電信基站用的空調(diào)）安裝在遙遠(yuǎn)、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(shè)備能正常穩(wěn)定運(yùn)行，就必須時(shí)刻監(jiān)控機(jī)房中的環(huán)境溫度、濕度、空調(diào)運(yùn)行狀況，當(dāng)遇到空調(diào)發(fā)生故障時(shí)應(yīng)能及時(shí)、自動(dòng)向控制中心或值班人員手機(jī)報(bào)警等?！　?/p>

在這些應(yīng)用中，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)（如有線Internet網(wǎng)絡(luò)和PSTN網(wǎng)絡(luò)）需要專(zhuān)用網(wǎng)線，實(shí)現(xiàn)起來(lái)不經(jīng)濟(jì)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(shù)量無(wú)限制，因此比起傳統(tǒng)的有線集群系統(tǒng)具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，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(gòu)筑的網(wǎng)絡(luò)家電的應(yīng)用前景越來(lái)越廣。為此，公司于2004年立項(xiàng)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(diào)系統(tǒng)?！　?/p>

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介　　

系統(tǒng)示意如圖1。

圖1 GSM系統(tǒng)示意圖

圖中系統(tǒng)可分為4部分；(1) PC（包括一個(gè)通過(guò)串口連接的無(wú)線調(diào)制調(diào)解器）或手機(jī)，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；(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(diào)、冰箱、電熱器具、電動(dòng)窗簾等（下以空調(diào)為例）?！　?/p>

在該系統(tǒng)中，1臺(tái)PC可帶任意多個(gè)網(wǎng)關(guān)，通訊時(shí)根據(jù)網(wǎng)關(guān)的電話號(hào)碼（SIM卡號(hào)）來(lái)識(shí)別；1個(gè)網(wǎng)關(guān)可帶128臺(tái)（受485總線限制）網(wǎng)絡(luò)家電，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)家電的地址來(lái)識(shí)別。網(wǎng)絡(luò)家電的高位地址表示家電的類(lèi)別，如空調(diào)為1、熱水器為2等，而低位地址是由網(wǎng)關(guān)根據(jù)各類(lèi)家電已登陸注冊(cè)的臺(tái)數(shù)按順序自動(dòng)分配的?！　?/p>

網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵，因此下面介紹GSM網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。

3 GSM網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)　　

圖2是GSM網(wǎng)關(guān)原理圖。其中D101為89C58單片機(jī)；D106、D107一起組成外擴(kuò)RAM，主要用于存貯網(wǎng)關(guān)下所有空調(diào)的即時(shí)狀態(tài)信息；GP101的型號(hào)為TC35模塊，與單片機(jī)通過(guò)RS232（D102）連接。該模塊是西門(mén)子為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的GSM雙頻通訊核心模塊，支持語(yǔ)音通訊、數(shù)據(jù)通訊和短信功能，具有GSM07.05定義的標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口；D105為EEPROM，用于存儲(chǔ)通訊密碼、電話號(hào)碼、空調(diào)信息碼等，同時(shí)起到外部Watchdog作用；X102通過(guò)485總線（D101）接網(wǎng)絡(luò)空調(diào)。

圖2 GSM網(wǎng)關(guān)原理圖　　
由于GSM模塊在撥號(hào)及收發(fā)短信時(shí)有較強(qiáng)的射頻干擾，因此在設(shè)計(jì)PCB時(shí)應(yīng)注意抗干擾問(wèn)題?！　?/p>

4 GSM網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)　　

4.1 Modem初始化　　

4.1.1 將Modem給單片機(jī)的返回結(jié)果碼初始化為數(shù)字模式（用“ATV0”命令），可簡(jiǎn)化程序。如在數(shù)字模式時(shí)鈴聲的返回為“2r”；而在參數(shù)V的默認(rèn)設(shè)置時(shí)返回結(jié)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)。　　

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(jī)。PDU串僅由數(shù)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(nèi)容需轉(zhuǎn)化成Unicode碼?！　?/p>

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?！　?/p>

4.1.4 單片機(jī)在收到規(guī)定次數(shù)的打鈴信號(hào)后，要求手工摘機(jī)（用“ATS0＝0r”）　　

4.2 數(shù)據(jù)通訊　　

網(wǎng)關(guān)與空調(diào)之間，網(wǎng)關(guān)是主機(jī)空調(diào)是從機(jī)；PC與網(wǎng)關(guān)之間，PC是主機(jī)網(wǎng)關(guān)是從機(jī)?！　?/p>

PC用數(shù)據(jù)撥號(hào)方式（TC35分語(yǔ)間撥號(hào)和數(shù)據(jù)撥號(hào)）和網(wǎng)關(guān)建立連接后，必須先驗(yàn)證通訊密碼，如密碼不對(duì)，系統(tǒng)將掛機(jī)。密碼通過(guò)后，用戶(hù)可對(duì)本網(wǎng)絡(luò)所轄空調(diào)進(jìn)行開(kāi)停、設(shè)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(tǒng)連接正常，如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)網(wǎng)關(guān)沒(méi)有收到任何數(shù)據(jù)，則網(wǎng)關(guān)認(rèn)為PC出現(xiàn)故障（如PC突然斷電），網(wǎng)關(guān)將掛機(jī)；PC還可設(shè)置網(wǎng)關(guān)報(bào)警電話號(hào)碼、通訊密碼、短信密碼、信息服務(wù)中心碼等?！　?/p>

網(wǎng)關(guān)收到PC命令后，先判斷該命令是給空調(diào)的還是給網(wǎng)關(guān)本身的，如是給空調(diào)的，則轉(zhuǎn)發(fā)給空調(diào)，待空調(diào)返回后最終將返回結(jié)果發(fā)給PC。在轉(zhuǎn)發(fā)PC命令給空調(diào)時(shí)，須等待正在進(jìn)行的網(wǎng)關(guān)掃描空調(diào)的命令發(fā)送完畢且已返回或延時(shí)一段時(shí)間才能執(zhí)行，否則將降低通訊成功率?！　?/p>

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(yīng)的）。當(dāng)收到PC一幀正確數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)的處理我們將其視為一個(gè)任務(wù)?！　?/p>

程序采用任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)，最大任務(wù)數(shù)10個(gè)，超出的部分自動(dòng)丟棄（一般任務(wù)數(shù)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)發(fā)PC命令給空調(diào)，處理空調(diào)返回?cái)?shù)據(jù)，回應(yīng)PC命令，網(wǎng)關(guān)掃描空調(diào)，容錯(cuò)處理等?！　?/p>

網(wǎng)關(guān)處理完所有任務(wù)后（任務(wù)數(shù)為0），才對(duì)已登陸的空調(diào)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(diào)加入網(wǎng)關(guān)，如有，則由網(wǎng)關(guān)自動(dòng)分配空調(diào)地址（低位）使其登陸，登錄是以信息碼區(qū)分的，所以不會(huì)出現(xiàn)不同空調(diào)具有相同地址的情況?！　?/p>

由于既要與PC通訊又要與空調(diào)通訊，因此我們將與空調(diào)的通訊采用I/O口模擬，波特率為1200?？照{(diào)數(shù)量越多，網(wǎng)關(guān)輪詢(xún)一遍所需時(shí)間越長(zhǎng)，按照我們的協(xié)議100臺(tái)空調(diào)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(diào)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(diào)狀態(tài)保存在外擴(kuò)RAM中，當(dāng)PC要求刷新所有空調(diào)狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)按每15臺(tái)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(diào)狀態(tài)的實(shí)時(shí)性?！　?/p>

通過(guò)PC設(shè)定報(bào)警電話（如PCModem模塊的SIM卡號(hào)）后，在網(wǎng)關(guān)查詢(xún)到某臺(tái)空調(diào)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)向該電話撥號(hào)，連接成功后可由PC自動(dòng)查詢(xún)到空調(diào)故障。也可以短信形式向用戶(hù)報(bào)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(nèi)容。如SMSC的號(hào)碼是13800765500（順德地區(qū)信息服務(wù)中心碼），發(fā)送方手機(jī)號(hào)碼為13690673365，信息內(nèi)容為“123空調(diào)10開(kāi)”（123為密碼，10為空調(diào)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(jī)讀到上述短信后，需要進(jìn)行以下幾項(xiàng)工作：　　

（1）記錄發(fā)送方手機(jī)號(hào)碼（上表第6、7部分），以便回復(fù)短信；（2）根據(jù)短信編碼方式（第8部分），對(duì)短信內(nèi)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(yàn)，如密碼不正確，則直接將其刪除；（4）進(jìn)行密碼校驗(yàn)通過(guò)，且短信內(nèi)容符合相關(guān)約定，則將短信命令以特定協(xié)議格式轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)空調(diào)，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(jī)命令發(fā)給10號(hào)空調(diào)；（5）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，空調(diào)未返回執(zhí)行結(jié)果，網(wǎng)關(guān)將重發(fā)。如重發(fā)3次仍沒(méi)返回，則識(shí)系統(tǒng)通訊故障?！　?/p>

4.3.2寫(xiě)短信　　

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

經(jīng)測(cè)試(小靈通手機(jī)除外)，回復(fù)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。　　

由于網(wǎng)關(guān)是用單片機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)的，因此在對(duì)信息內(nèi)容編碼時(shí)，需用到GB2312到Uni-code編碼的轉(zhuǎn)換表，即對(duì)每個(gè)GB2312字符，根據(jù)它是中文字符還是英文字符分別進(jìn)行查表轉(zhuǎn)換，這樣也就要求單片機(jī)的ROM容量要在60k以上。我們使用的單片機(jī)才32k ROM，沒(méi)有外擴(kuò)，因此程序中的漢字列表只能根據(jù)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(shù)家電控制的要求?！　?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)　　

由GSM模塊TC35及單片機(jī)構(gòu)成GSM網(wǎng)關(guān)，可以很好的完成短消息收發(fā)和數(shù)據(jù)通信，由此構(gòu)成的GSM網(wǎng)絡(luò)空調(diào)控制系統(tǒng)是其應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，其它網(wǎng)絡(luò)家電，嵌入相應(yīng)協(xié)議后就可使用。通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的可靠性試驗(yàn)和用戶(hù)試用，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，用戶(hù)反映良好。