中心議題：
- 網(wǎng)絡(luò)家電系統(tǒng)簡介
- GSM網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計
- GSM網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計
- 短信處理機(jī)制解析
解決方案：
- 采用GSM模塊TC35
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)帶來的涼爽；人們旅游在外時，希望能將家中的燈、電視機(jī)打開一段時間再關(guān)閉以造成有人在家的假象，提高家居的安全性；當(dāng)小偷破壞車主的汽車防盜報警系統(tǒng)時，能觸發(fā)另一系統(tǒng)自動給正在外地辦事的車主手機(jī)或當(dāng)?shù)鼐靾缶贿€有半小時就下班了，現(xiàn)在就將家中電熱器打開燒水等等。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、荒蕪人煙的場合，這些地方的氣候條件非常惡劣，且終年無人職守，要確保里面的設(shè)備能正常穩(wěn)定運行，就必須時刻監(jiān)控機(jī)房中的環(huán)境溫度、濕度、空調(diào)運行狀況，當(dāng)遇到空調(diào)發(fā)生故障時應(yīng)能及時、自動向控制中心或值班人員手機(jī)報警等。
在這些應(yīng)用中，通過有線網(wǎng)絡(luò)（如有線Internet網(wǎng)絡(luò)和PSTN網(wǎng)絡(luò)）需要專用網(wǎng)線，實現(xiàn)起來不經(jīng)濟(jì)也不方便。由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，用戶無需另外組網(wǎng)，且用戶數(shù)量無限制，因此比起傳統(tǒng)的有線集群系統(tǒng)具有無法比擬的優(yōu)勢，加上GSM的SMS功能不受時間、地點的局限，使得利用GSM網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑的網(wǎng)絡(luò)家電的應(yīng)用前景越來越廣。為此，公司于2004年立項并成功開發(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)。
2 系統(tǒng)簡介
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（包括一個通過串口連接的無線調(diào)制調(diào)解器）或手機(jī)，通過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、電動窗簾等（下以空調(diào)為例）。
在該系統(tǒng)中，1臺PC可帶任意多個網(wǎng)關(guān)，通訊時根據(jù)網(wǎng)關(guān)的電話號碼（SIM卡號）來識別；1個網(wǎng)關(guān)可帶128臺（受485總線限制）網(wǎng)絡(luò)家電，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)家電的地址來識別。網(wǎng)絡(luò)家電的高位地址表示家電的類別，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)各類家電已登陸注冊的臺數(shù)按順序自動分配的。
網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵，因此下面介紹GSM網(wǎng)關(guān)的設(shè)計。
3 GSM網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計
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)的即時狀態(tài)信息；GP101的型號為TC35模塊，與單片機(jī)通過RS232（D102）連接。該模塊是西門子為嵌入式設(shè)備設(shè)計的GSM雙頻通訊核心模塊，支持語音通訊、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，用于存儲通訊密碼、電話號碼、空調(diào)信息碼等，同時起到外部Watchdog作用；X102通過485總線（D101）接網(wǎng)絡(luò)空調(diào)。
圖2 GSM網(wǎng)關(guān)原理圖
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由于GSM模塊在撥號及收發(fā)短信時有較強的射頻干擾，因此在設(shè)計PCB時應(yīng)注意抗干擾問題。
4 GSM網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計
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），可簡化程序。如在數(shù)字模式時鈴聲的返回為“2r”；而在參數(shù)V的默認(rèn)設(shè)置時返回結(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。
4.1.3 在收到新短信時要求Modem提示（用“AT+CNMI＝1，1，0，0，1r”命令）以便及時處理。
4.1.4 單片機(jī)在收到規(guī)定次數(shù)的打鈴信號后，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)。
PC用數(shù)據(jù)撥號方式（TC35分語間撥號和數(shù)據(jù)撥號）和網(wǎng)關(guān)建立連接后，必須先驗證通訊密碼，如密碼不對，系統(tǒng)將掛機(jī)。密碼通過后，用戶可對本網(wǎng)絡(luò)所轄空調(diào)進(jìn)行開停、設(shè)置、查詢等操作；PC會每隔一定時間發(fā)一個命令給網(wǎng)關(guān)以表明系統(tǒng)連接正常，如在規(guī)定時間內(nèi)網(wǎng)關(guān)沒有收到任何數(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)報警電話號碼、通訊密碼、短信密碼、信息服務(wù)中心碼等。
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，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一段時間才能執(zhí)行，否則將降低通訊成功率。
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，對數(shù)據(jù)的處理我們將其視為一個任務(wù)。
程序采用任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)，最大任務(wù)數(shù)10個，超出的部分自動丟棄（一般任務(wù)數(shù)不會超過3個）。每增加一個新任務(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。程序檢查目前有無待處理的任務(wù)，如有，則依次彈棧處理，每處理1個，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)返回數(shù)據(jù)，回應(yīng)PC命令，網(wǎng)關(guān)掃描空調(diào)，容錯處理等。
網(wǎng)關(guān)處理完所有任務(wù)后（任務(wù)數(shù)為0），才對已登陸的空調(diào)狀態(tài)進(jìn)行輪詢掃描，同時，每隔一定時間查詢一次是否有新空調(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，所以不會出現(xiàn)不同空調(diào)具有相同地址的情況。
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。空調(diào)數(shù)量越多，網(wǎng)關(guān)輪詢一遍所需時間越長，按照我們的協(xié)議100臺空調(diào)輪詢一遍的時間約在550ms*100即1min左右，但這已能滿足空調(diào)等家電實時性要求不高的場合。網(wǎng)關(guān)將輪詢時得到的空調(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，網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)按每15臺一組整體打包發(fā)給PC，這樣既提高了PC的查詢速度，又保證了空調(diào)狀態(tài)的實時性。
通過PC設(shè)定報警電話（如PCModem模塊的SIM卡號）后，在網(wǎng)關(guān)查詢到某臺空調(diào)發(fā)生故障且網(wǎng)關(guān)Modem處于不忙狀態(tài)時，網(wǎng)關(guān)會主動向該電話撥號，連接成功后可由PC自動查詢到空調(diào)故障。也可以短信形式向用戶報警。
4.3 短信處理
4.3.1讀短信
收到PC或用戶發(fā)來的新短信時，TC35模塊會告知網(wǎng)關(guān)該短息的index,如index＝0x31(ASCII符)，則通過“AT+CMGR＝1r”命令可讀到該信息的內(nèi)容。如SMSC的號碼是13800765500（順德地區(qū)信息服務(wù)中心碼），發(fā)送方手機(jī)號碼為13690673365，信息內(nèi)容為“123空調(diào)10開”（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)行以下幾項工作：
（1）記錄發(fā)送方手機(jī)號碼（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，如密碼不正確，則直接將其刪除；（4）進(jìn)行密碼校驗通過，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，就將開機(jī)命令發(fā)給10號空調(diào)；（5）在規(guī)定時間內(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次仍沒返回，則識系統(tǒng)通訊故障。
4.3.2寫短信
仍以上述短信為例。空調(diào)收到網(wǎng)關(guān)的開機(jī)命令后執(zhí)行開機(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或用戶手機(jī)上（此例中號碼為13690673365），從而方便而又廉價地實現(xiàn)了對空調(diào)的雙向短信控制。發(fā)觸的PDU串為：08 91683108705605F0 1100 0091 6831966037635F 00 0801 107A7A8C03003100305F00
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表1 發(fā)送短信的格式
經(jīng)測試(小靈通手機(jī)除外)，回復(fù)短信時，為簡化程序，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)控制來實現(xiàn)短信收發(fā)的，因此在對信息內(nèi)容編碼時，需用到GB2312到Uni-code編碼的轉(zhuǎn)換表，即對每個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，沒有外擴(kuò)，因此程序中的漢字列表只能根據(jù)實際使用需要選擇2000個左右的常用漢字，這已能滿足絕大多數(shù)家電控制的要求。
5 結(jié)束語
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)用的一個實例，其它網(wǎng)絡(luò)家電，嵌入相應(yīng)協(xié)議后就可使用。通過較長時間的可靠性試驗和用戶試用，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，用戶反映良好。
