山東科技大學(xué) 劉國(guó)洋 李 楠

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基于GSM網(wǎng)絡(luò)的家用無(wú)線機(jī)械手

山東科技大學(xué) 劉國(guó)洋 李 楠

【摘要】為更好更便捷地體驗(yàn)智能家居，本文設(shè)計(jì)了一款基于GSM網(wǎng)絡(luò)的家用無(wú)線機(jī)械手，闡述了系統(tǒng)各模塊協(xié)調(diào)工作的原理。該設(shè)計(jì)從市場(chǎng)需求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有智能家居的一般功能。

【關(guān)鍵詞】智能家居；STC12C5A60S2單片機(jī)；西門(mén)子TC35I模塊；HC-05藍(lán)牙模塊

0 引言

眾所周知，智能家具的概念在慢慢深入人心，市面上出現(xiàn)了很多成套的智能家具產(chǎn)品，，人們出差在外控制和監(jiān)視家里的東西也有了很多種用成套智能家具控制的方案，但這些智能家具產(chǎn)品非?！肮潭ā?，必須成套購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)產(chǎn)品才能有良好的用戶體驗(yàn)。現(xiàn)在智能家居市場(chǎng)普及程度并不高，所以現(xiàn)在市場(chǎng)缺少一種過(guò)渡產(chǎn)品來(lái)讓更多的人了解和體驗(yàn)智能家居，這就是我們這個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初衷。本產(chǎn)品努力做到讓用戶在盡可能少的改變現(xiàn)有家具的基礎(chǔ)上最大程度地體驗(yàn)智能家居帶給我們的便捷。

1 總體設(shè)計(jì)

這是一種可擴(kuò)展的智能家居系統(tǒng)，由一個(gè)在室內(nèi)放置的可移動(dòng)的GSM發(fā)射接收控制臺(tái)和多個(gè)機(jī)械手構(gòu)成，每個(gè)機(jī)械手都可以“學(xué)習(xí)”和“記憶”指定的動(dòng)作，我們可以把這些機(jī)械手固定在家中各種地方，比如開(kāi)關(guān)旁，按鈕旁，甚至房門(mén)旁等等，對(duì)于每個(gè)機(jī)械手我們都可以“教”給它一定的動(dòng)作，一旦收到指令后它能像示教器一樣把動(dòng)作原樣再做一遍。比如我們可以“教”給機(jī)械手一個(gè)按下開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，當(dāng)它一旦受到相應(yīng)指令后它就會(huì)按下這個(gè)開(kāi)關(guān)。本設(shè)計(jì)控制和信息處理部分主要使用STC12C5A60S2單片機(jī)，此單片機(jī)的特點(diǎn)是有8路10位AD、EEPROM、4個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)串口、SPI接口，還有WATCH_DOG防止程序跑飛。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 機(jī)械手工作框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械手部分的主要零部件有：STC12C5A60S2單片機(jī)、旋鈕式電位器、MG996舵機(jī)及舵機(jī)架、HC-05藍(lán)牙接受模塊、9V電源。每個(gè)舵機(jī)的一端都和一個(gè)旋鈕式電位器相連，當(dāng)按下“設(shè)置”按鈕的時(shí)候，我們可以用手給機(jī)械手做一遍動(dòng)作，AD轉(zhuǎn)換開(kāi)始，AD轉(zhuǎn)換器將從電位器輸出的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由單片機(jī)用一定頻率（本設(shè)計(jì)的頻率是10HZ）將每個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)的角度和時(shí)間均轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后用指定格式編碼并保存。STC12C5A60S2單片機(jī)用來(lái)記錄、分析和存儲(chǔ)每個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度和時(shí)間到內(nèi)置存儲(chǔ)器EEPROM中。當(dāng)機(jī)械手接受到來(lái)自主控臺(tái)的指令后讀取內(nèi)置存儲(chǔ)器EEPROM中數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)控制各個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的再現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)我們也采用了9V大容量電池，通過(guò)降壓板為模塊組供電。目前測(cè)試的是使用兩個(gè)自由度、兩個(gè)MG996舵機(jī)的機(jī)械手，后續(xù)可以設(shè)計(jì)和添加更多自由度，功能更多的機(jī)械手。

機(jī)械手工作框圖如圖2所示。

主控臺(tái)主要起到消息的接收匯總和發(fā)出的作用。主控臺(tái)的主要部件有：TC35I模塊（GSM模塊），STC12C5A60S2單片機(jī)，HC-05藍(lán)牙模塊、5V電源。在目前中國(guó)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍是最廣的，所以用GSM做控制臺(tái)可以做到只要手機(jī)有信號(hào)就能控制家里的機(jī)械手。TC35I模塊具有體積小，重量輕，低功耗，操作簡(jiǎn)便，功能強(qiáng)大，非常適合在本設(shè)計(jì)中使用。GSM模塊硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。在主控部分的發(fā)射模塊使用HC-05藍(lán)牙模塊，同時(shí)在各個(gè)機(jī)械手上也用HC-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行接收。使用藍(lán)牙連接的好處是保證了產(chǎn)品的可擴(kuò)展性、抗干擾性和保密性，同時(shí)在家里用手機(jī)也可以通過(guò)連接指定的機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

主控臺(tái)工作流程圖如圖3所示。

圖3 主控臺(tái)工作流程圖

圖4

3 軟件部分

本系統(tǒng)控制部分主要在GSM模塊、藍(lán)牙模塊和舵機(jī)模塊的控制上。

GSM模塊采用西門(mén)子的TC35I模塊，它支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集和部分

擴(kuò)展AT指令集。對(duì)于短信接收方面我們采用了直接接收方式，即將AT+CMI參數(shù)設(shè)置為AT+CNMI=1，2，0，0，1或AT+CNMI=2，2，0，0，1，當(dāng)主控臺(tái)接收到來(lái)自手機(jī)發(fā)送的指定命令后直接將信息通過(guò)串口發(fā)送至MSP430，使其產(chǎn)生串行中斷來(lái)捕獲和處理指定消息。對(duì)于短信發(fā)送方面我們用文本方式通過(guò)串口發(fā)送AT+CMGS和指定手機(jī)號(hào)碼到模塊上，模塊會(huì)發(fā)出指定短信。

藍(lán)牙模塊采用BMX-03A模塊，它也支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集，同時(shí)支持一對(duì)多和多對(duì)多的多機(jī)通訊。初始化時(shí)將主控臺(tái)的藍(lán)牙模塊通過(guò)設(shè)置AT+ROLE=1設(shè)置為主機(jī)，而各個(gè)舵機(jī)的藍(lán)牙模塊都為從機(jī)。經(jīng)測(cè)試在一般家庭中都能實(shí)現(xiàn)正常的收發(fā)。

舵機(jī)模塊采用MG995舵機(jī)，它的原理是通過(guò)控制固定周期不同占空比的矩形波來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。要執(zhí)行的動(dòng)作數(shù)據(jù)存放在EEPROM中，當(dāng)接收到指令時(shí)通過(guò)IIC協(xié)議讀取芯片中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)角度和運(yùn)行時(shí)間的控制，這在MSP430單片機(jī)上用一個(gè)定時(shí)器即可完成。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)成本高昂、可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的家用無(wú)線機(jī)械手。此系統(tǒng)各個(gè)模塊分工明確，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以作為智能家居的替代產(chǎn)品和過(guò)渡產(chǎn)品來(lái)使用。本系統(tǒng)通過(guò)GSM模塊接受信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制；室內(nèi)主控臺(tái)通過(guò)低功耗藍(lán)牙模塊與各個(gè)機(jī)械手建立連接，增強(qiáng)了可擴(kuò)展性和保密性；各個(gè)機(jī)械手都用可以根據(jù)人的動(dòng)作來(lái)存儲(chǔ)動(dòng)作數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了機(jī)械手的易用性和靈活性。與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)還具有價(jià)格便宜、節(jié)能、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，因此有廣闊的市場(chǎng)空間。

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劉國(guó)洋（1995—），男，山東青島人，大學(xué)本科，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器。

李楠（1996—），女，山西臨汾人，大學(xué)本科，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器。

作者簡(jiǎn)介：