隨著經(jīng)濟的迅猛發(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、電視機打開一段時間再關閉以造成有人在家的假象,，提高家居的安全性,；當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或當?shù)鼐靾缶?；還有半小時就下班了,，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,、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，要確保里面的設備能正常穩(wěn)定運行,，就必須時刻監(jiān)控機房中的環(huán)境溫度,、濕度、空調(diào)運行狀況，當遇到空調(diào)發(fā)生故障時應能及時,、自動向控制中心或值班人員手機報警等,。
在這些應用中，通過有線網(wǎng)絡（如有線Internet網(wǎng)絡和PSTN網(wǎng)絡）需要專用網(wǎng)線,，實現(xiàn)起來不經(jīng)濟也不方便,。由于GSM網(wǎng)絡覆蓋范圍廣，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)絡構(gòu)筑的網(wǎng)絡家電的應用前景越來越廣。為此,，公司于2004年立項并成功開發(fā)出基于GSM網(wǎng)絡的網(wǎng)絡家電-GSM網(wǎng)絡空調(diào)系統(tǒng),。
2 系統(tǒng)簡介
系統(tǒng)示意如圖1。
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,，通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；(2)GSM網(wǎng)絡,；(3) GSM網(wǎng)關,，是PC和家電通訊的橋梁；(4) 網(wǎng)絡家電,，可以是網(wǎng)絡空調(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,，通訊時根據(jù)網(wǎng)關的電話號碼（SIM卡號）來識別,；1個網(wǎng)關可帶128臺（受485總線限制）網(wǎng)絡家電，根據(jù)網(wǎng)絡家電的地址來識別,。網(wǎng)絡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)關是整個系統(tǒng)的技術關鍵，因此下面介紹GSM網(wǎng)關的設計,。
3 GSM網(wǎng)關硬件設計
圖2是GSM網(wǎng)關原理圖,。其中D101為89C58單片機；D106、D107一起組成外擴RAM,，主要用于存貯網(wǎng)關下所有空調(diào)的即時狀態(tài)信息,；GP101的型號為TC35模塊，與單片機通過RS232（D102）連接,。該模塊是西門子為嵌入式設備設計的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定義的標準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)絡空調(diào)。
由于GSM模塊在撥號及收發(fā)短信時有較強的射頻干擾,，因此在設計PCB時應注意抗干擾問題,。
4 GSM網(wǎng)關軟件設計
4.1 Modem初始化
4.1.1 將Modem給單片機的返回結(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的默認設置時返回結(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。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 單片機在收到規(guī)定次數(shù)的打鈴信號后，要求手工摘機（用“ATS0＝0r”）
4.2 數(shù)據(jù)通訊
網(wǎng)關與空調(diào)之間,，網(wǎng)關是主機空調(diào)是從機,；PC與網(wǎng)關之間，PC是主機網(wǎng)關是從機。
PC用數(shù)據(jù)撥號方式（TC35分語間撥號和數(shù)據(jù)撥號,，見參考資料4）和網(wǎng)關建立連接后,，必須先驗證通訊密碼，如密碼不對,，系統(tǒng)將掛機,。密碼通過后，用戶可對本網(wǎng)絡所轄空調(diào)進行開停,、設置,、查詢等操作；PC會每隔一定時間發(fā)一個命令給網(wǎng)關以表明系統(tǒng)連接正常,，如在規(guī)定時間內(nèi)網(wǎng)關沒有收到任何數(shù)據(jù),，則網(wǎng)關認為PC出現(xiàn)故障（如PC突然斷電），網(wǎng)關將掛機,；PC還可設置網(wǎng)關報警電話號碼,、通訊密碼、短信密碼,、信息服務中心碼等,。
網(wǎng)關收到PC命令后，先判斷該命令是給空調(diào)的還是給網(wǎng)關本身的,，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,，須等待正在進行的網(wǎng)關掃描空調(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)關之間采用UART口通訊,，波特率為9600（TC35的波特率是自適應的）。當收到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,。
程序采用任務堆棧結(jié)構(gòu)，最大任務數(shù)10個,，超出的部分自動丟棄（一般任務數(shù)不會超過3個）,。每增加一個新任務，任務壓棧：任務數(shù)加1,，并記下該任務的命令,、地址。程序檢查目前有無待處理的任務,，如有,，則依次彈棧處理,，每處理1個，任務數(shù)減1,，直到任務都處理完畢,。這些任務包括處理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PC命令，網(wǎng)關掃描空調(diào),，容錯處理等,。
網(wǎng)關處理完所有任務后（任務數(shù)為0），才對已登陸的空調(diào)狀態(tài)進行輪詢掃描,，同時,，每隔一定時間查詢一次是否有新空調(diào)加入網(wǎng)關，如有,，則由網(wǎng)關自動分配空調(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)關將輪詢時得到的空調(diào)狀態(tài)保存在外擴RAM中,，當PC要求刷新所有空調(diào)狀態(tài)時，網(wǎng)關將這些數(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設定報警電話（如PCModem模塊的SIM卡號）后,，在網(wǎng)關查詢到某臺空調(diào)發(fā)生故障且網(wǎng)關Modem處于不忙狀態(tài)時,，網(wǎng)關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)信息服務中心碼）,，發(fā)送方手機號碼為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)關收到的短信PDU串可以為：08 91683108705605F0 840D 91683196603763F5 0008 4060915135930010 0031003200337A7A8C03003100305F00
單片機讀到上述短信后，需要進行以下幾項工作：
?。?）記錄發(fā)送方手機號碼（上表第6,、7部分），以便回復短信,；
?。?）根據(jù)短信編碼方式（第8部分），對短信內(nèi)容進行解析,。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）,；
?。?）進行密碼校驗，如密碼不正確,，則直接將其刪除,；
（4）進行密碼校驗通過,，且短信內(nèi)容符合相關約定,，則將短信命令以特定協(xié)議格式轉(zhuǎn)發(fā)給相應空調(diào)，并將該短信刪除,。因此,，網(wǎng)關收到上面短信后，就將開機命令發(fā)給10號空調(diào),；
?。?）在規(guī)定時間內(nèi)，空調(diào)未返回執(zhí)行結(jié)果,，網(wǎng)關將重發(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)關的開機命令后執(zhí)行開機操作,，并將執(zhí)行結(jié)果返回給網(wǎng)關,。如網(wǎng)關判斷該返回是回應短信的，則網(wǎng)關以中文短信形式將結(jié)果發(fā)到PC或用戶手機上（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
發(fā)送短信的格式如表1
經(jīng)測試(小靈通手機除外),，回復短信時，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)關是用單片機控制來實現(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行查表轉(zhuǎn)換，這樣也就要求單片機的ROM容量要在60k以上,。我們使用的單片機才32k ROM,，沒有外擴，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及單片機構(gòu)成GSM網(wǎng)關，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)絡空調(diào)控制系統(tǒng)是其應用的一個實例,，其它網(wǎng)絡家電，嵌入相應協(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,。