基于GSM網絡的智能家居熱水器

劉麗偉， 于 碩， 孫曉慧， 許樹良

（長春工業大學計算機科學與工程學院，吉林長春 130012）

基于GSM網絡的智能家居熱水器

劉麗偉， 于 碩， 孫曉慧， 許樹良

（長春工業大學計算機科學與工程學院，吉林長春 130012）

隨著電子技術的發展，智能家居的產品呈現出快速發展的趨勢。本設計是基于GSM網絡的智能家居熱水器，具有溫度可控、時間預約、遠程手機控制的功能。

智能家居；GSM網絡；熱水器；遠程控制

0 引 言

傳統熱水器只是具有簡單的調節溫度和加熱功能，已經不能適應當前高節奏的城市生活。對于智能熱水器來講，便捷是重要的特點，而遠程控制是體現便捷的重要方面。將手機和熱水器相連，通過GSM網絡實現使用短信遠程控制熱水器的功能是本設計的重點。使用者可以在上班的時候就通過手機給自己家的熱水器發短信，控制熱水器進行加熱，下班到家直接就可以洗熱水澡，而不必回家設定和等待。文中從硬件設計和軟件設計兩個方面描述了本款設計的思想和原理，相比傳統熱水器，更加的便捷化和人性化。

1 硬件設計

1.1 總體設計

本設計由CPU、人機交互模塊、GSM模塊、溫度傳感模塊、加熱電路和電源電路組成。通過兩種方式來設定參數：一種是通過人機交互界面；另一種是通過手機短信。人機交互界面由鍵盤和顯示屏幕組成，通過鍵盤直接輸入設定參數；手機短信可以由CPU解析出實際的內容，從而達到設定參數的目的。將設定好的參數和溫度傳感器采集的信號做比較，CPU會根據比較的結果做出相應的控制處理。整體設備要求具有以下功能：

1）數據采集、處理功能；

2）通過短信控制熱水器加熱功能；

3）手動控制，使普通熱水器增加人工預設功能，并有LCD顯示。

系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

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，具有掉電保護的功能。它使用的是51的內核，與51單片機兼容。速度快、穩定性高、操作簡單，非常適合做本款設計。

1.3 電源設計

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個電壓源［1］。家用交流電進入后分成兩路：第一路用于給加熱設備供電；第二路用于降壓整流后給控制電路和其它的外設供電。其中，第二路經降壓整流濾波后成為12V的直流電，然后經過7805芯片轉化成5V的穩定電源，可以給傳感電路等外設供電［2］。5V電源后經過ASM1117降壓芯片后成為3.3V的電源，用于給CPU等控制電路供電。具體設計電路如圖2所示。

圖2 電源電路

1.4 溫度信號采集電路

采用的是18B20的數字溫度傳感器，這款傳感器具有測溫范圍廣、穩定性好、測量結果精確的特點。使用18B20的溫度傳感器，不需要對采集的信號做任何處理，直接將其輸入到CPU，節省了信號放大電路和AD轉換電路，使設計更加簡潔。因為18B20的溫度傳感器不能直接采集水溫，所以，采用一個密封的鐵質探頭將其密封，由于金屬的導熱性較好，故采用鐵質探頭。然后將信號線用橡膠管密封，達到防水的效果。

1.5 GSM信號電路

本設計重點在于可以通過手機設定溫度和預約時間，所以GSM信號的接收和發送電路是設計的核心。采用德國西門子公司的TC35I作為設計的GSM模塊，西門子TC35i工業GSM模塊是一個支持撥號、發送中文短信息的工業級GSM模塊，工作EGSM900和GSM1800雙頻段，通過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終端內的語音和數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有模擬和數字功能。

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

制。具體設計電路如圖3所示。

圖3 GSM模塊電路

1.6 人機交互模塊

當我們在家的時候，不需要使用手機進行遠程控制，可以直接使用人機交互界面對熱水器進行控制。人機交互電路由1塊12864的液晶和3個獨立按鍵組成。12864顯示當前水溫、設定水溫、預設時間等信息［3］，3個按鍵用于調節控制設定的水溫和預設時間。12864使用串行通信直接和CPU進行數據傳輸。獨立按鍵一端和CPU的I／O口相連，一端接地［4］。當某個鍵按下的時候，則在CPU的端口檢測到低電平，CPU從而做出相應的控制。具體設計如圖4所示。

圖4 人機交互模塊電路

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的強電，所以中間必須加上控制轉換電路，實現弱電控制強電的目的。文中使用的是光電隔離的繼電器模塊，實現控制的目的［5］。光繼電器為AC／DC并用的半導體繼電器，指發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，但信號可以通過光信號傳輸。本設計采用光繼電器，有效隔離弱電和強電［6］。

2 軟件設計

當設備上電以后，CPU首先將GSM模塊、溫度傳感模塊、液晶顯示屏進行相應的初始化設定。然后讀取FLASH的值，確定上次設定的參數。開啟定時器，每隔一秒后預約時間減一。然后進入一個死循環，在這個循環中做如下處理：

1）檢測現在的水溫；

2）判斷是否收到短信，如果收到短信，則解析短信內容，將預約時間和溫度賦值給全局變量。沒有收到短信進行下一步；

3）判斷是否有按鍵按下，如果有，則根據按鍵設定相應的預約時間和溫度；

4）判斷預約時間是否到零。如果是，繼續判讀預約溫度是否大于現在的水溫，是則開啟繼電器進行加熱，否則關閉繼電器，繼續倒計時，停止加熱；

5）跳到1），循環執行。

具體設計流程圖如5所示。

3 結 語

設計了一款智能家居熱水器，從硬件和軟件兩個方面出發，進行了完整的設計。通過GSM網絡，使用手機發短信的方式實現對熱水器的遠程控制。同時也有人機交互界面，實現對熱水器的人工控制。通過18B20實現對水溫的精確采集，整體指標滿足設計要求。

圖5 軟件設計流程

［1］李鴻.用單片機控制手機收發短信息［J］.電子技術應用，2003（1）：58-60.

［2］劉濤.基于手機TC35模塊的單片機短消息收發系統［J］.電子技術，2003（3）：36-38.

［3］Cullar D，Estrin D，Strvastava M.Overview of sensor network［J］.IEEE Computer，2004，37（8）：41-49.

［4］苑文舉，趙孔新，劉麗偉，等.基于GPRS的汽車防盜無線遠程報警器［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2008，29（4）：391-394.

［5］白鳳娥，霍利峰，劉振峰.基于C8951F020單片機系統的USB擴展［J］.微計算機信息，2007，20（3）：125-130.

［6］郝瑞晶，郝瑞東，楊濟安.GSM-R無線網絡中分量規劃的研究［J］.重慶郵電大學學報：自然科學版，2007，19（2）：177-183.

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，長春工業大學講師，博士，主要從事信號與信息處理方向研究，E-mail：liuliwei＠mail.ccut.edu.cn.