基于GSM的电量传输与控制系统的设计

摘 要 ： 为了能对电网进行实时监控和精确调度并准确测量和掌握电网中电压、频率、电流、功率等电力参数，设计了一种基于GSM的电量传输和控制系统。主要利用电能计量芯片ATT7022B和微处理器STC12C5A60S2完成对电量的采集与处理，然后通过GSM模块将电量信息以短信的形式发送到监测人员的手机上，监测人员接收到相关电量信息后分析处理并进行控制。经过测试，系统可以稳定运行，实现远程监控，有助于及时有效地解决电网调度及故障分析处理。

0 引言

电力系统管理技术是在逐步发展中不断优化和完善的。在电网形成初期，人们不能及时掌握各节点电压和电流等电力参数。一旦电网发生故障，无法快速获得故障信息，只能凭经验进行事故处理，不能迅速恢复供电，这样会给人们带来很大的经济损失。为了尽量减少损失，人们需要及时测量到电网中电压、电流等电气量。因此，对电网进行远程监测和控制是十分必要的。本系统就是通过GSM短信来实时获得电网的电力参数并实现对电量的远程传输和控制。

1 系统总体结构

系统主要由采集电路部分、电能计量部分、GSM模块部分、控制模块部分、显示部分组成。通过采样电路对三相交流电压、电流取样，然后将采样信号输入给电能计量芯片，经过芯片内部处理后，将结果存入到相应寄存器，微处理器通过相关接口将所需参数读到微处理器内部，并将电压、电流、功率等电气参数在液晶屏中显示，让用户可以直观地观测到电气设备的使用情况[1]。最后利用无线网络通信技术，单片机发出AT命令控制GSM模块[2]，将各电气量的数值以短消息形式发送出去，并接收从上位机发回的指令，从而实现电力参数的实时采集、传输与控制。基于GSM/GPRS电量远程传输和控制的结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计

基于GSM的电量的传输和控制系统主要以STC12C5A60S2单片机作为控制中心，键盘和液晶显示器作为人机交互设备，GSM通信模块选用西门子公司的MC52i，ATT7022B电能计量芯片用于电量的采集。

2.1 GSM通信模块部分

无线通信模块MC52i具有以下优点：（1）使用外接电源，通信接口协议均为RS232，可以直接通过串口RS232与单片机相连；（2）内部带有TCP/IP协议栈，功耗低；（3）适用于900/1 800 MHz双频段，支持GSM/GPRS功能[3]；（4）体积小、可靠性高、性价比高。

MC52i模块应用范围广泛，比如银行、储蓄点机房监控，热力系统实时监控和维护，工业遥感、遥测、遥控信息回报，通信行业远端无人值守站房监控和远程维护等[3]。

MC52i模块中最主要的部分是数据接口电路和SIM卡读卡电路。MC52i与STC12C5A60S2采用相同的电平供电，所以它们之间相连只需使用3个引脚：TXD、RXD和GND。MC52i模块与单片机的连接如图2所示。SIM卡接口不仅支持GSM Phase 1标准功能，也可以支持GSM Phase2+标准功能。它从MC52I模块内部取电，引脚复位时输出的是低电平。插入SIM卡时，引脚输出高电平，系统正常工作。

2.2 电能计量芯片与单片机的连接

本系统采用的是ATT7022B电能计量芯片，它是高精度的三相电能专用计量芯片，功能十分强大，可以在三相三线和三相四线制中使用[4]。ATT7022B包含有SPI接口，通过这个通信接口可以十分方便地与单片机进行参数的传递。由于电气量数据采集模块和控制模块都是以单片机为控制核心，因此需要选择具有双串口功能的单片机，而且由于电能计量芯片ATT7022B支持SPI总线通信[5]，以及考虑到编程指令代码的兼容性等，最终系统采用了STC12C5A60S2单片机。

电能计量芯片ATT7022B与单片机的SPI通信接口典型接线图如图3所示。

2.3 电力参数采样电路设计

（1）电压采样电路

电压采样电路一般来说有两种方式，一种是用互感器采样，另一种是电阻分压采样。本系统采用的是互感器采样[6]。ATT7022B芯片内部电压通道采样信号范围是10 mV~1 000 mV，本文选择0.1 V作为电压采样信号，所以当输入220 V时采样电压应该是0.1 V，本系统选择2 mA/2 mA的电流型电压互感器，为了确保系统的测量范围，最终使用了1 mA作为采样电流的基准值，因此输入端电阻值为：

输入端电阻的额定功耗为：

P=I2×Ri=0.22 W（2）

所以选择阻值为220 kΩ，额定功率为2 W的电阻作为输入电阻。

输出采样电阻值为：

电压采样电路如图4所示。

（2）电流采样电路

电流采样电路使用互感器来对电流进行采样。芯片内部电流通道采样信号范围是1 000 mV到2 mV，本文选择0.1 V作为电压采样信号，使用规格为10 A/5 mA的电流互感器，根据编写的程序得到输入1 A时采样电压应为0.1 V，所以采样电阻阻值为：

电流采样电路如图5所示。

3 系统软件设计

本系统软件部分分为主程序和中断程序。主程序中主要实现电力参数（包括电压、电流、功率等）的计算、LCD1602的显示、GSM通信部分、通信数据的编解码处理、继电器控制、按键管理；中断程序包括定时器中断、SPI串行中断和ADC转换中断。本系统软件设计的难点在于GSM通信部分和数据的编解码处理，下面将着重介绍这两部分。

3.1 GSM通信部分软件设计

装置正常供电后，首先对MC52I模块进行初始化，初步设置完成之后，检测在供电前有没有收到短消息，若没有收到短消息则将之前采集到的电量信息发送给手机；若收到短消息，则处理并提取短消息内容，然后检测短信开头是否是NJFU，若不是则删除短信，若是则返回相应数据或进行相应操作。MC52I模块的通信流程如图6所示。

3.2 发送短消息的软件设计

单片机STC12C5A60S2通过串口发送AT指令对MC52i模块进行控制，实现信息的发送和接收，本系统所涉及的AT指令详见表1[7]。

3.3 PDU编码方原理

短消息的编码方式一共有3种，分别为：BLOCK模式、TEXT模式和PDU模式。现在，BLOCK模式已经被TEXT和PDU模式所代替。用TEXT模式发送短信虽然简单，但是只能发送英文短信，所以国内的手机基本上不支持[8]；PDU模式比较复杂，但任何字符集它都能够使用，因此被全部手机支持[9]。本系统采用的是PDU模式和TEXT模式。PDU模式中选择的是UCS2编码[10]。

下面主要是用一个例子来具体介绍PDU的编码原理：向号码为1515057036的手机发送一条中文短信“南林欢迎您”，经过转换后编码内容为“0011000D9168515 1500763F50008A70A535767976B228FCE60A8”，对照表2来分析这条编码内容。

4 结论

GSM具有传输数据可靠、通信范围广而且短信业务经济的特点，是一种较好的远程无线数据传输方式。基于GSM的电量传输与控制充分利用了GSM网及SMS短消息服务这一功能在数据传输中的优势，结合STC单片机、GSM模块MC52I和LCD，实现了将采集到的电力参数在液晶屏中显示并将显示的内容以短信的形式发送等功能。系统性能稳定，实用性强，最大程度地保证了电量信息的可靠，实时传输，可以得到广泛的应用。

参考文献

[1] 李泽洲，官洪运，路昊，等.基于GSM无线网的智能家居报警器的研发与设计[J].微型机与应用，2014，33（22）：20-23.

[2] 王超，郭显久.基于TC35短信模块的开关远程控制系统设计[J].微型机与应用，2015，34（4）：29-33.

[3] 袁锡明，吴建军，李军科.基于MC52I的远程传感控制系统设计[J].无锡商业职业技术学院学报，2012，12（6）：98-100.

[4] 陈涛，张春杰，张文旭.基于ATT7022A电能计量芯片的电力监控终端设计[J].信息技术，2006，22（9-2）：293-295.

[5] 黄鹤松，刘奎，齐俊清，等.基于ATT7022B的多功能电能表系统的设计[J].电测与仪表，2011，48（8）：63-67.

[6] 刘岩.功率、电量的测量与控制设计[J].中国科技博览，2009（34）：121.

[7] 黄天强，徐天智.基于GSM短消息的PDU模式编码方式及实现[J].吉首大学学报（自然科学版），2009，32（11）：47-51.

[8] 郭辉.基于GSMSMS的短信平台及其应用系统的设计与实现[D].南京：东南大学，2006.

[9] 赵大成，贾海燕.手机短信收发的AT指令控制[J].信息工程大学学报，2007，20（1）：45-47.

[10] 恽新星.基于激光光栅和GSM的电力变压器防盗系统[J].电子技术应用，2008，34（11）：122-125.

基于单片机和GSM的智能家居系统的设计

崔冰清,褚丽莉,杜仁鹏

(辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 121001)

：介绍了单片机操作系统、C语言技术与GSM模块结合完成智能家居系统的设计与实现。该系统主要实现三大功能：监控室内温度、防盗和检测室内可燃气以及烟雾。首先通过3个传感器模块采集室内信息，例如温度、人体、可燃气与烟雾等，然后发送到以51系列单片机为核心控制器构建的数据采集终端上进行处理，若发生特殊情况，系统发出报警声，并通过GSM模块发送报警信息到远程接收端。仿真结果证明，该系统成本低，操作方便，并且达到了预期的稳定性和可靠性。

：单片机；C语言；传感器；GSM

：TP273文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.015

引用格式：崔冰清,褚丽莉,杜仁鹏.基于单片机和GSM的智能家居系统的设计［J］.微型机与应用，2017,36（7）：50-52.

0引言

智能家居的概念最早是美国在20世纪70年代提出来的。此后，在欧洲、新加坡、日本等发达国家和地区，智能家居这个概念被引入，并且势头越来越猛［1］。20世纪90年代末传入中国。随着中国综合国力的增强，人民生活水平的提高，住宅消费观念的不断进化，对于住宅的要求也相应提高，于是形成智能住宅及智能家居的概念［2］。

本文结合单片机接口技术以及C语言的相关知识设计了智能家居系统，目的是实现以下功能：当有人闯入住宅时，红外报警模块触发，报警指示灯亮，并通过蜂鸣器发出警报，通过GSM模块传到远程的手机接收端，从而通过远程接收端对智能家居系统进行控制；通过温度检测模块和烟雾传感器模块设置额定温度值以及额定的烟雾值，当温度以及烟雾超过额定值时，报警指示灯亮并通过蜂鸣器发出警报，然后通过GSM模块发送到远程手机接收端，并通过接收端进行控制。

1系统总体设计

本文所设计的智能家居系统包括以下几个部分：温度检测模块、红外监控模块、烟雾传感器模块、LCD液晶显示模块、GSM模块等。本系统是基于安卓操作系统建立的远程控制平台，以51系列单片机为核心控制器构建数据采集终端［34］。按键电路控制系统的额定值，并模拟门的状态。蜂鸣器电路用以报警时发出警报，LED灯模拟报警时发出照明警报。室内环境监控系统是系统的重要组成部分，其作用就是对室内环境进行实时监测，并依据事先设定好的参数和控制规则对室内环境进行干预。它分为3个子系统：温度监控系统、红外感应报警系统、烟雾与可燃气报警系统［5］。温度监控系统将传感器采集到的温度数据传送给单片机，同时单片机将实际温度与设定的额定温度进行比较，如果实际值大于额定值，系统就会发出警报，并通过GSM模块发送到远程控制平台，通过接收端进行控制。红外传感器检测到有人非法进入时，触发报警。数据采集终端会将报警信息及时反馈到安卓监控平台进行控制。烟雾传感器的原理类似于温度传感器，传感器将采集到的烟雾值传送给单片机，并与实际设定值进行比较，若实际值大于额定值，系统发出警报，并通过GSM模块发送到远程控制平台，通过接收端进行控制。系统设计的总体框图如图1所示。

2硬件设计

系统采用Atmel公司生产的AT89C52作为系统的主控芯片，在其外围添加温度传感器、红外传感器、烟雾传感器、GSM模块等硬件设备，这些设备主要用于检测室内环境因素，当超过额定的设置值时，在液晶显示屏上显示当前值和额定值，并通过蜂鸣器报警以及GSM模块发送到远程接收端，当然，报警指示灯会亮。

2.1温度传感器模块

本系统温度传感器模块选用的是DS18B20。它采用单总线通信方式，其内部包含地址，非常适合于各种工业和民用场合的应用［6］。其测温范围是-55°~+125°；其分辨率用户可以自行选择，9~12 bit之间；内部也分别设置了温度的上限与下限的报警设置。除此之外，DS18B20的成本也比较廉价，适合推广。

2.2烟雾传感器模块

烟雾与可燃气报警系统的作用是监测室内环境的气体成分，当监测到特定烟雾或者可燃气体时，系统立即发出警报。该系统检测到特定烟雾或者可燃气体时，会发出声光报警，并将报警信息反馈至远程监控平台［7］。

本系统选用MQ-2气体传感器模块作为前端数据采集器件。MQ-2的电路连接图如图2所示。

可以通过RV1上下两个箭头调节接收到的烟雾值。当调到大于或者等于设定的额定值时，系统就会发生警报。

2.3红外人体感应传感器

本系统采用的红外人体感应传感器模块是HC-SR501。该模块灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。

其硬件电路设计图如图3所示。

2.4GSM模块

GSM模块是一个类似于手机的通讯模块，集成了手机的若干功能于一块小电路板上，与手机部分功能一样，具备发短信、打电话的功能。它在很多领域中都有着广泛的应用。通过使用AT指令才能对GSM模块进行控制。模块可以与电脑RS232串口连接，也可以用单片机来进行控制。

本系统通过SIM800模块对温度、烟雾以及红外模块信号进行接收，将报警信号发送到用户接收端。其主要功能部分包括：（1）GSM基带;（2）GSM射频;（3）天线接口;（4）其他接口。

模块功能图如图4所示。

2.512864LCD液晶显示屏模块

由于LCD具有显示信息量大、能够实现良好人机交互的特性，所以得到了广泛的使用［8］。常见的液晶有字符型液晶和图形型液晶，由于字符型液晶只能显示字母和数字，不能显示汉字，所以在国内用得比较少。而图形型液晶在国内应用比较广泛，它可以显示汉字、图形等各种信息。其中12864LCD液晶显示电路如图5所示。

3软件程序设计

本次实验的仿真部分是在Proteus软件中进行的，相应的软件程序是在Keil C51中完成。在一般由单片机控图512864LCD液晶显示屏电路连接图制的系统中，主程序中某一部分是被系统反复执行的 。当然本系统也不例外，当单片机上电后，系统开始运行，从main函数中开始执行。在本系统的主函数中，主要完成一些外设的初始化，并根据用户对于按键的操作来控制外部信息的接收。本系统主要实现的功能有监控室内温度、检测室内烟雾以及可燃气、防盗等，并且通过GSM模块发送报警信息到远程终端。对于软件程序的编写，可以通过按键对单片机设计最小初始的最高温度和最低温度、额定的烟雾值以及红外感应等各方面的数值来达到设计的目的。下面是主程序的部分代码：

#include <reg52.h>

#include "lcd12864.c"

#include "key.c"

#include "ds18b20.h"

#include "gsm_model.c"

sbit buzzer=P1^5;//蜂鸣器

sbit mq_2=P1^4;//mq_2

#define buzzer_onbuzzer=0;

#define buzzer_off buzzer=1;

extern uchar temp_value;

uchar TxRxBuf［4］={0xff,0x00,0x00,0x00};

uchar high_temp=29;

uchar low_temp=2;

uchar temp_now=0;

uchar set_flag=0;

bit warn_flag=1;

ucharbuzzer_flag=0;

4仿真结果

为了验证系统的各项指标，对系统进行仿真，在仿真测试过程中，主要模拟测试了智能家居系统对室内环境，包括室内温度值、烟雾值以及是否有人闯入等方面的监测，并模拟报警。首先测试第一个功能：监控室内温度。设置初始的额定温度报警值最高为38°，最低为5°，通过温度传感器改变温度值，当温度达到或超过额定最高温度值或者等于或低于额定最低温度值时，LCD显示屏显示当前温度，报警指示灯亮，蜂鸣器工作，GSM模块发送报警信息到接收端。实验结果显示该功能可以正常工作。其次测试第二个功能：检测室内是否有烟雾以及可燃气，该功能与第一个功能类似。设置初始额定烟雾指数为25，给烟雾传感器一个烟雾值，当烟雾达到或超过额定烟雾指数时，LCD显示屏显示当前烟雾指数，蜂鸣器工作，报警指示灯变亮，GSM模块发送报警信息到远程终端。通过仿真

验证，该功能能正常工作。测试最后一个功能：防盗。当人体感应传感器检测到有人非法进入时，显示屏上入侵状态显示有，反之，则显示无。

5结论

本次设计采用了单片机作为中央处理器，各个传感器采集家居的内部环境因素，并通过GSM模块发送报警信息到接收端。各个硬件设备的互相有效协作，完成了智能家居的模拟。

参考文献

［1］ 吕莉,罗杰.智能家居及其发展趋势［J］.计算机与现代化,2007（11）：18-20.

［2］ 高小平.中国智能家居的现状及发展趋势［J］.低压电器,2005（4）：18-21.

［3］ 王朝华,陈德艳,黄国宏,等.基于Android的智能家居系统的研究与实现［J］.计算机技术与发展,2012，22（6）：225-228.

［4］ 李涛.基于Android的智能家居APP的设计与实现［D］.苏州:苏州大学,2014.

［5］ 花铁森.智能家居系统核心技术探讨［J］.智能建筑电气技术,2009，3（1）：92-98.

［6］ 刘晓彤.嵌入式智能家居远程监控系统的设计与实现［D］.北京:北京交通大学,2009.

［7］ 崔若飞.基于ARM和GPRS智能家居监控系统的设计与研究［D］.北京:北京交通大学,2009.

［8］ 徐子豪,张腾飞.基于语音识别和无线传感网络的智能家居系统设计［J］.计算机测量与控制,2012，20（1）：180-182.

相关问答

对手机发短信并不复杂,但是你硬件上要有一个GSM/GPRS模块,这个模块和单片机是串口联接,只要按模块的操作说明给它发指令就行了对手机发短信并不复杂,但是你硬...

跟踪器是通过跟踪器主机接收太空的GPS信号,将GPS信号分析后计算出自己的大地坐标,再通过GSM/CDMA等无线网络将自己的位置报告的监控中心的一种定位设备。GSM...

[回答]6串口适应海量仪表信息集成,如电力监控行业。交换机模式可做菊花链连接,支持MODBUS/TCP或定制协议。鼎实“EIO-L系列以太网IO采集模块”,用于车间生...

[回答]\r\nGPS卫星定位车载终端设备由GPS接收机,GSM/GPRS收发模块,主控制模块及汽车防盗器、外接探头等各种外接设备共同组成。\r\nGPS模块接收卫星的定位...

架空通信终端在100米范围内可以配套多组通信故障指示器。架空终端采用太阳能供电模式。在晴朗的白天。太阳能电池板为其提供充足电量,同时对蓄电池充电...作用是...

是无线数字通信设备。因为新开普公司是一家专业从事无线数字通信设备领域的高科技企业,主要产品包括无线数传模块、GSM/GPS模块等,是行业领先的厂商之一。除了...

您好,stm32芯片本身是没有精英版和战舰版,只有很多stm32开发版开发商,为了区别各个开发版配置版本,按照精英版和战舰版进行区分,比如正点原子的stm32的这两...

SP8266中的D1mini板乐鑫ESP8266https://www.espressif.com/zh-hans/products/socs/esp8266ex/overview推荐3:N...

51单片机开发板对初学单片机的帮助,就像学步车对于刚学走路的儿童一样,可以帮助它少摔跤,快速学会走路。一、单片机学习板的重要性单片机的学习,包含两大方...

其实MT6255是集成了基于低功耗CMOS工艺的前沿电源管理单元,模拟基带和无线电电路的单片机,在闯客网技术论坛可以找到MT6255的原理图、datasheet、MT6255GSMG...