引言

随着科技的发展,能源的消耗越来越严重，节能问题成为人们关注的大问题，冬季北方供暖是能耗大户，经常出现无人空房供暖不停的浪费现象。如白天上班，家中无人、办公室晚上无人等都造成能源浪费。本文设计了一个自动控制系统，通过按键设定暖气开关时间，在无人时暖气低温运行。另外，特殊情况，如推迟或提前回家，可以通过手机与GSM模块通信，远程控制暖气提前或推迟打开。

1 整体设计

根据实际需要供暖模式分为家庭模式和办公室模式：家庭模式适用于家庭供暖的模式，通常是早上7：00到下午5:00用户上班或上学，家中无人；办公室模式适用于办公室或学校等供暖的模式，一般早上7:00到下午5:00有人，其余时间无人。通过单片机设定开关暖气的时间，无人时关闭暖气，有人时打开暖气，达到节能的目的。特殊情况，如推迟或提前回家，可以通过手机发送短信“open”或“close”到GSM模块，单片机读取短信内容并控制暖气开关。在指定模式下，如家庭模式，根据是否需要供暖，可以设为供暖段和关暖段。在供暖段内，将温度控制在一定的范围内，如18～23 ℃，当温度低于18 ℃时，打开电动二通阀，使温度升高；当温度高于23 ℃时，关闭电动二通阀，使温度降低。同样，在关暖段内，将温度控制在5～8 ℃，保证暖气暖道不被冻裂。

供暖控制电路主要包括以下几部分：手机与GSM通信模块、单片机控制模块、温度检测模块、定时模块、显示模块、驱动电路和设备对象。总体结构如图1所示。

图1 供暖控制电路整体结构设计

2 硬件介绍

2.1 GSM模块

GSM模块由SIMCOM公司的SIM300模块及其外围电路组成，主要用于通信领域，如移动电话、收发短信和GPRS数据收发、彩信收发等业务。

2.1.1SIM300硬件介绍

SIMCOM公司的SIM300模块可在全球范围内的EGSM 900 MHz、DCS 1800 MHz、PCS 1900 MHz三种频率下工作，能够提供 GPRS多信道类型多达10个，并且支持 CS1、CS2、CS3和CS4四种 GPRS编码方案。SIM300内部集成了 TCP/IP协议栈，并且扩展了 TCP/IP AT指令，使用户利用该模块开发数据传输设备变得特别简单、方便[1]。

SIM300结构小巧，外形尺寸仅 40 mm×33 mm×2.85 mm，功耗低，供电电压为 3.4～4.5 V，睡眠模式下的电流消耗仅为 2.5 mA。SIM300除了RF接口，其他所有硬件接口都通过一个 60引脚、引脚间距为 0.5 mm的板板连接器与用户移动应用平台连接。板板连接器的子接口包括电源供电接口、双串行接口、两个模拟音频接口、SIM卡接口。

SIM300与SIM卡通过SIM_DATA引脚接收SIM卡数据，通过TXD、RXD引脚与单片机通信，具体连接如图2所示。

图2 GSM模块与单片机连接图

2.1.2 单片机与GSM模块通信

GSM模块与计算机之间的通信协议是一些AT指令集，手机与GSM模块的通信是通过AT指令实现的，单片机也是通过编写AT指令与GSM模块通信。该AT指令包括 一般命令、呼叫控制命令、网络服务命令、安全命令、电话簿命令、短消息命令、追加服务命令、数据命令等，本文主要用到短消息命令。

GSM模块支持TEXT和PDU两种消息模式，TEXT模式是纯文本方式，可使用不同的字符集，理论上也可以发送中文短消息，但国内手机基本不支持，主要在欧美地区；PDU模式是发送和接受短消息的另一种方式，可以被任何手机支持[2]，应用更为广泛。当只发送、接收字符短信时，使用TEXT模式比较简单。

（1）短信相关的AT指令

短信相关的AT指令如下：

① AT+CMGF设置短信模式。AT+CMGF=1时设为TEXT模式，AT+CMGF=0时设为PDU模式。在PDU模式中所有的字符都是十六进制，因此它所用的字符只能是0～9和A～F，在TEXT模式中所用的字符都是ASCII码[2]。

② AT+CNMI新消息提示。AT+CNMI=<mode>，<mt>，<bm>，<bfr>[3]。mode控制TE（终端设备）的方式，可取值0～3，其中2表示数据线空闲时，直接通知TE，否则先将通知缓存起来，当数据线空闲时再行发送。mt控制短消息存储和通知TE内容，mt=1时接收的短消息存储到默认的内存位置，并向TE发出通知，通知方式为“+CMTI："SM"，<index>”，index为存储位置。mt=2时在默认短消息类下，将短消息存储到SIM卡上，并向TE发出通知“+CMT：”直接读取短消息内容。bm设置小区广播，brf始终为1，详情见参考文献[3]。通常设“AT+CNMI=2,1”，有短信时提醒，程序中通过编写“AT+CMGR=<Iindex>”指令读取短信，或“AT+CNMI=2,2”，有短息时模块自动读取内容。

③ AT+CMGS发送短消息指令。PDU模式下，首先发送短消息数据的长度AT+CMGS=<Length>,等待SIM300返回ASCII字符“>”后，输入PDU数据。PDU数据以“<Crtl>+<Z>”作为结束符，以十六进制数0x1a结束。消息发送成功后，模块返回<CR><LF>OK<CR><LF>。TEXT模式下，先发送手机号码，等待SIM300返回ASCII字符“>”，然后输入短信内容，最后以十六进制数0x1a作为结束符。短信息成功发送，模块返回OK。

PDU模式下与手机进行通信，要先对信息进行PDU编码和解码。以向手机15964282650发送短信“打开”为例，PDU编码如下：

0891683108502305F011000D91685169242856F00008B00462535F00

编码详情见参考文献[2]。

④ AT+CMGR读取短消息。“AT+CMGR=<index>”读取相应位置的短信。当模块收到该指令时，返回“+CMGR：”及内容。

(2) GSM模块短信控制设置

通过按键置低一会儿，实现手动复位。等模块找到信号，就可以正常工作了。本文中短信控制，可以通过发送英文短信实现。短信模式设为TEXT模式，以发送“open”为例，其具体实现过程如下：

① 初始化GSM模块。通过单片机串口向GSM模块发送字符串“AT+CMGF=1\\r”，将短信息格式设置为TEXT模式，发送字符串“AT+CSCS=\\"GSM\\"\\r”,将字符模式设为GSM模式，发送“AT+CSMP=17,167,0,240\\r”设置相关参数，发送“AT+CNMI=2,2\\r”设置接收短信模式为收到短信息后，自动读取短信息。

② 用户编写短信“open”或“close”发送给GSM模块中的SIM卡号码。

③ GSM模块收到短信息后自动读取短信内容，单片机通过if(strstr（raid，"open"）)语句，判断短信内容是否有打开暖气命令，如果strstr（raid，"open"）不为空，则进入供暖段函数，如果strstr（raid，"open"）为空，则执行语句if(strstr（raid，"open"）)，继续判断是否有关闭暖气命令，有则进入关暖气函数，否则不执行。

(3) 短信控制编程实现

设置短信模式：

send_char_com("AT+CMGF=1\\r\\n");

delaysec(1);

send_char_com("AT+CSCS=\\"GSM\\"\\r\\n");

delaysec(1);

send_char_com("AT+CSMP=17,167,0,240\\r\\n");

delaysec(1);

收到短信时处理函数：

if(uartRxFlag){

if(strstr(read,"open")){

kg=1;

relaycon（kg）;

memset(read,0,64);

}

if(strstr(read,"close")){

kg=0;

relaycon（kg）;

memset(read,0,64);

}

count=0;

uartRxFlag=0;

}

2.2 单片机及其外围电路

2.2.1 单片机外围电路

单片机外围电路包含按键模块、LCD12864液晶、温度传感器DS18B20、继电器及电动二通球阀，具体链接电路如图3所示。

图3 单片机及其外围电路

STC89C52单片机外接DS1302时钟芯片，设计了一个时钟，LCD12864液晶显示时钟信息[5]。

用户使用按键输入暖气开关时间及供暖温度，通过LCD12864液晶提示用户如何正确设置开关时间及温度。首先按时间/温度设置键，LCD12864液晶提示输入开暖气时间，输入完成后，继续按时间/温度设置键输入关暖气时间，同理完成暖气温度设置。

温度传感器DS18B20测定室内温度，DS18B20是单线总线系统，单片机通过对DS18B20初始化、ROM操作命令、存储器操作命令将温度转换为十进制数字温度。

STC89C52单片机比较时钟信息与设定时间，判断是否处于供暖时间段，当收到短信时，根据GSM短信内容，判断是否供暖，在供暖段和关暖段分别判断传感器检测温度是否在设定温度内，控制暖气阀开关。STC89C52单片机通过设置P2.0口控制继电器，从而控制暖气阀门。

2.2.2 电动二通球阀

暖气设备通过热水循环供暖，本文通过控制暖气阀门开关，将温度控制在一定的范围内。采用电动二通球阀代替传统的手动阀门，实现对暖气设备的自动控制。选用上海立盾阀门公司生产的型号为Q911F16T的电动二通蝶阀，口径选择DN20。

该电动二通球阀是由阀体和电动执行器两部分组成，具有结构简单、工作可靠、流体通过能力强及节能等优点。可广泛应用于采暖、中央空调、太阳能热水系统、水处理系统的冷热水通断控制；也可以用于低压水蒸汽的通断控制。其中配B型号电动执行器的电动二通球阀，实现一条线控制，能与所有的温控开关配套使用，还可以进行多阀并联运行，是一款性价比很高的产品[6]。普通电动二通阀接线图如图4所示。

图4 电动二通阀接线图

采用型号为HK4100F的继电器，驱动电路如图5所示。

图5 电动二通球阀驱动电路

3 软件设计

主流程图如图6所示。

图6 供暖系统程序主流程图

供暖段和关暖段，暖气温度维持在一定范围内，关暖段称为低温运行阶段，供暖段称为正常运行阶段，其具体实现流程如图7、图8所示。

图7 低温运行流程图图8 正常运行流程图

4 测试

实验中用LCD12864液晶显示时钟信息、温度信息、定时信息、短信设置及短信内容、暖气开关信息，并通过继电器引出两个LED灯验证暖气开关信息。在供暖时间内，人为改变DS18B20的温度，当温度低于温度上限时，暖气打开；高于温度上限时，暖气关闭。当GSM模块收到"open"时，液晶屏显示读取的内容，暖气处于工作状态，根据温度判断阀门开关；当GSM模块收到“close”时，液晶屏显示读取的内容，同时暖气处于低温运行状态，如图9所示。

图9 实物测试图

结语

该系统采用单片机控制电动二通阀实现暖气的开关，能够控制暖气开关时间，控制暖气在一定温度范围内，实现节能的要求。GSM网络通信具有简单、可靠的特点，在远程控制领域有良好的前景，但是由于存在延时，不能应用在实时控制上。该智能控制方法在智能家居及其他方面也有很好的应用前景，比如选择合适的开关及驱动应用于门窗自动控制等。