学士学位论文--基于gsm短消息方式的智能家庭网关的设计与实现.doc

武汉理工大学
毕业设计（论文）

基于GSM短消息方式的
智能家庭网关的设计与实现

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年 月 日

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导师签名： 年 月 日

武汉理工大学
本科生毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目：基于GSM短消息方式的智能家庭网关的设计与实现
设计（论文）主要内容：
研究智能家庭网关的工作原理，并且制定明确的转换准则。熟悉和掌握GSM移动通信技术的基本原理，在明确GSM短消息工作方式的基础上，设计并实现家庭网关的软硬件部分，其中以单片机作为微控制器,实现代码转换。最后对所设计的智能家庭网关进行调试、改进，从而实现通过GSM短信息方式和家庭网关之间的通信。
要求完成的主要任务：
1、 查阅不少于17篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇；
2、 按指定要求和格式完成开题报告；
3、 在了解GSM移动通信技术基本原理和概念的基础上，制定GSM短消息通信方式与家庭网关的通信规则，然后利用C语言进行编程，实现对信息的编解码,最后完成对智能家庭网关相关软硬件部分的设计与实现。
4、 完成不少于5000字的指定与设计任务相关的英文文献翻译；
5、 完成至少12000字的毕业论文的撰写及与论文答辩相关的工作。
必读参考资料：
[1] 谢自美.电子线路设计-实验-测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.
[2] 严常青.移动通信原理与系统[M].重庆：重庆大学出版社，2007.
[3] Chen Peijiang，Jiang Xuehua.Design and Implementation of Remote Monitoring System Based on GSM[J].2008 IEEE Pacific-Asia Workshop on Computationl Intelligence and Industrial Application.2008:678-681.
指导教师签名 系主任签名
院长签名（章）

武汉理工大学本科学生毕业设计
（论文）开题报告
1、 目的及意义（含国内外的研究现状分析）
近年来，随着GSM全球移动通信系统的迅速普及，短消息业务(Shortmessageserviees，SMS)作为GSM网络的一种基本业务日趋成熟，只要拥有SIM卡就能够进行信息的收发。通过短消息业务，GSM用户能在几秒钟内与几乎世界各地数字蜂窝网的其他用户交流简短的字母数字消息。
随着手机应用资费的不断下调及其通信网络的不断完善，应用手机短消息来进行远程监控具有很广阔的应用前景，使用GSM短消息来传递数据信息也是近年来遥测遥控发展领域中的热门技术。如果在数据的传输部分加装GSM短消息模块，便可利用GSM公用网组成的传输系统，使系统的可靠性、抗干扰性、稳定性、可维护性、功能扩展性等方面具有明显的优越性，并可降低运营成本和劳动强度。
GSM网络是目前发展较成熟的数字移动通信网络，覆盖范围几乎遍及全国。利用GSM短消息服务(SMS)实现数据的远程传输具有传输可靠、实现简单、不受环境限制的特点。从国内外文献和资料来看，GSM的数据业务以其良好的可靠性、安全性和广阔的覆盖范围，正在得到广泛的应用。在欧洲，GSM数据业务被成功的用于公共交通的智能信息控制系统中。我国也开发出了基于GSM短消息业务的遥测遥控系统，但主要应用于公共安全、自动收费以及交通、公安、银行、快递公司的车辆调度和定位信息的传送等。
家庭网关（Home Gateway）是实现家庭网络内部各设备与外部设备相互通信的设备，是家庭网络中最核心的构成部分。通过家庭网关，家庭网络内的设备可以与公共网络进行信息交互，也可以进行内部设备之间的信息交互。家庭网关在家庭内部建立统一的数据处理中心，对家庭内部数据进行管理，对外连接运营商网络。家庭网关在未来数字家庭网络中处于核心地位，在目前的所有方案中都被列为一个重要的组成部分。家庭网关的意义主要是两个方面：一是它的桥梁作用，另一个是其自身功能强大带来的新应用。家庭网关可以使用户方便地组建家庭网络、智能连接，还可以方便管理家庭网络和多媒体设备。
本课题的目的在于设计和实现“基于GSM短消息方式的智能家庭网关”。
基于GSM短消息方式的智能家庭网关，在国内尚处于研究阶段，成型的产品还比较少见。所以对于这个课题的研究，在巩固大学所学的电子技术、单片机软硬件、通信原理等知识，提高了自身的实际动手能力的同时，还可以申请个人专利，创造一定的经济效益。
2、 基本内容和技术方案
基本内容:
分析研究智能家庭网关的工作原理，及国内外发展情况，并且制定明确的转换准则。熟悉和掌握GSM移动通信技术的基本原理，在明确GSM短消息工作方式的基础上，设计并实现家庭网关的软硬件部分。其中以单片机作为微控制器,利用C语言进行编程，实现信息的解码及编码过程，完成代码的转换，从而实现通过GSM短信息方式和家庭网关之间的通信。
技术方案：
系统的整体结构如下图所示，其中本课题的重点在于智能家庭网关部分的设计。家庭网关大致可分为基于GSM的短信收发模块；微处理器模块；家庭无线通信模块三部分。

GSM短信收发模块拟采用西门子的TC35模块，因为其应用较成熟和价格低廉等优势；微处理器采用TI公司的MSP430，MSP430单片机具有运行速度快，价格低廉，功耗低和封装小等优点；家庭无线通信模块采用CC2500。GSM短信收发模块能够将手机发送的信号进行接收，并输出给微处理器MSP430，将信号进行处理，取出其中的有用信号，通过串口传递给CC2500模块，并通过CC2500模块发送给家庭内部各个通信节点，从而实现通过手机短信方式与家庭内部各通信节点间的通信和控制功能。
对MSP430微处理器进行编程是本课题的重中之重，它的作用是将TC35模块传递给单片机的信号进行解码，然后编码成CC2500所能识别的信号，通过串口传递给CC2500。对MSP430的编程关系到家庭网关智能化的成功与否。
3、 进度安排
第1—2周：查找资料，确定论文题目。
第3—4周：搜集相关课题资料，了解有关本课题的国内外发展现状，初步确定系统的整体框架，并根据自身能力和老师的要求初步完成任务书和开题报告。
第5—9周：在老师的指导下，确定研究方向及系统框架。并将系统细分为几个模块进行分析研究。同时，认真查阅技术资料，及时和老师交流！
第10—13周：完成论文的初稿及系统的实现。
第14—15周：在导师的指导下，对论文作进一步的修改，并完成外文文献的翻译工作。
第16周：装订论文，制作答辩PPT。
第17周：做答辩最后的准备工作并且完成答辩。

4、指导教师意见

指导教师签名：
年 月 日

武汉理工大学毕业设计（论文）
目录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 本课题国内外研究现状 1
1.2 本文主要研究工作 2
2 智能家庭网关的总体设计 3
2.1 智能家庭网关的总体结构与工作原理 3
2.2 智能家庭网关的控制命令介绍 4
2.3 智能家庭网关的硬件设计 5
2.3.1 GSM短消息收发模块硬件设计 5
2.3.2 CC2500射频通信模块硬件设计 8
2.3.3 MSP430F149微处理器模块硬件设计 11
2.4 智能家庭网关的软件设计 13
2.4.1 智能家庭网关系统主程序设计 13
2.4.2 GSM短消息收发模块程序设计 15
2.4.3 CC2500射频通信模块程序设计 17
2.4.4 智能家庭网关系统的软件调试 19
3 总结与展望 22
3.1 工作总结 22
3.2 展望 22
参考文献 23
附录1 24
附录2 25
致 谢 27

摘要
现在的家庭中，各种家用电器日益增多，怎样对各种家用电器进行统一的管理，就成了一个比较重要的问题。本文针对这个问题，设计了一种基于GSM短消息方式的智能家庭网关，从而解决了远程管理家庭中各种家用电器的问题。该家庭网关采用MSP430F149作为系统控制芯片，保证了系统的可靠性。GSM网络具有网络覆盖面广，原理简单，安全保密性高等优点。
本文主要研究了基于GSM短消息方式的智能家庭网关的设计与实现。首先本文介绍了GSM通信系统及其短消息业务，研究了家庭网关的发展状况和应用场合，分析了智能家庭网关的研究意义。然后本文介绍了智能家庭网关的总体结构和工作原理，详细介绍了其中以MSP430F149单片机为核心的系统各个模块的功能、硬件电路设计以及软件设计。并且介绍了系统的软、硬件调试过程，并对真实数据进行分析。最后，本文对本次设计工作进行了一个简单的总结，并对系统的改进及应用进行了展望。从调试结果来看，该系统工作稳定、可靠，达到了预期的要求。该系统具有一定的通用性，对于家庭网关的研究具有一定的参考价值。
关键词：GSM；短消息；单片机；网关

Abstract
Now, so many kinds of household appliance have come into our family. How to manage all the appliance has become a very important question. In order to solve the question, this paper introduces the design of intelligent home gateway based on GSM short message. In order to ensure the stability of the system, the MSP430F149MCU has been used in this home gateway. The GSM Network has so many advantages, for example, broad network coverage, simple principle, excellent confidentiality and so on.
The research of this paper is mainly about the design and implement of the intelligent home gateway based on GSM short message. In this paper, first, I introduce the GSM communication system and the short message service, investigate the development and application of the home gateway, analyze the significance about the research on intelligent home gateway. Then, in this paper, I will introduce the overall structure and the principle of the intelligent home gateway. The function of each module and the design of the hardware circuit and software in the system whose core is the MSP430F149 MCU will be introduced in detail. And introduce the debugging process of the hardware circuit and software ; analyze the real data. Finally there is a simple summary about this design and some ideal about the system's improvement. From the debugging result of the circuit, the system is stable and reliable and achieves the desired effect. This system is general and has the reference value about other home gateway's research.
Key Words: GSM; short message; MCU; gateway

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1 绪论
1.1 本课题国内外研究现状
随着家庭数字化和个人通信的不断发展，用户对通信产生了更高要求，家庭网络要求向数字化智能化方向发展。固网与移动网络融合已成为未来发展的必然趋势，IT业与家电行业发展联系日益紧密，家庭环境下各种终端更多地应用不断发展的信息技术，因而使得横跨不同领域的数据交换和兼容性问题成为关键。随着网络技术和数字家庭的发展，诞生了家庭网关的概念[1]。
家庭网关占据了数字家庭中的关键位置，可以看出网关是连接公网和家庭私网的喉舌，即负责家庭内部对公网的访问和交互，又负责用户从公网上对于家庭网络的访问和控制，另外还需要负责家庭内部设备的互联，互控等操作[2]。通过家庭网关，家庭网络内的设备可以与公共网络进行信息交互，也可以进行内部设备之间的信息交互。家庭网关在家庭内部建立统一的数据处理中心，对家庭内部数据进行管理，对外连接运营商网络。
本课题着重研究基于GSM短消息方式的智能家庭网关的实现。GSM(Global System for Mobile Communication)全球移动通信系统是当前发展最成熟、国内覆盖最广、系统可靠性最高、话机持有量最大的数字移动通信系统。它是在蜂窝系统的基础上发展而成的，属于第二代数字移动通信系统。它是目前基于时分多址技术的移动通信中比较成熟、完善且应用广泛的一种系统[3]。
近年来，随着GSM全球移动通信系统的迅速普及，短消息业务(short message services,SMS)作为GSM网络的一种基本业务日趋成熟，只要拥有SIM卡就能够进行信息的收发[4]。通过短消息业务，GSM用户能在几秒钟内与几乎世界各地数字蜂窝网的其他用户交流简短的字母数字消息[3]。
短消息业务包括两类：一类是点到点短消息，即由一个用户发给另一个用户少量的文字或数据信息，消息可以是从一个移动台发送到另一个移动台，从一个PC到一个移动台，或者相反：另一类是小区广播短消息，即由短消息广播中心收集用户所需要的信息广播给客户，典型应用是发送关于路况、天气预报、股市行情等消息[5]。这两种方式都可以在网络暂时无法将消息传递给移动台的情况下，将信息在网络中记载下来，当发现移动台可达的情况下通知相应的实体重传消息，因此具有很高的可靠性[3]。通常提到的短消息业务主要是指点到点短消息，被发送的短信息经过编码后消息长度为140个字节，也就是一条短信息可以包含160个英文字母(7比特编码)或70个中文汉字(16比特编码)[6]。本文此后的叙述中如非特别声明，也以SMS代表点到点短消息[3]。
GSM短消息方式用作智能家庭网关的数据传输，具有多个优点：费用低，采用GSM网络中的短消息传输数据，收费为每条信息0.1元：网络可靠性高，电信部门的各基站，网络建设标准高，运行的各种设备技术支持力强，工艺先进，有完善的网络监视系统及较强的管理、维护力量；数据安全，数据发送到服务中心有确认信号，可以有效地控制数据的安全到达，当终端设备关机时，数据也可以在短消息服务中心保留，只要终端设备一开机，滞留在服务中心的数据即可送往终端；SMS最适合应用到数据量较小的系统中，SMS采用无线方式传送数据信息，短消息的发送与接收可以在移动中完成，每条消息不超过140字节，这一容量对每次控制信息的发送来讲是完全足够的。正是由于GSM短消息的上述特点，因此近年来成为遥测、监控开发的热点[3]。
1.2 本文主要研究工作
近年来，随着生活节奏的日益加快，各种家用电器的更加自能化，人们需要找到一种比较方便的方式来远程控制家庭内部各种家用电器。例如在回家的途中，只需简单的发送一条短信就可以让水壶自动烧开水或让咖啡机自动冲泡一杯热腾腾的咖啡，这样等主人回到家中就可以直接去品尝热腾腾的咖啡，从而省掉了大量烧水，冲泡咖啡的时间，给人们的生活带来了方便。这样，就需要研究一种方法，能够将手机发送的短消息内容转换成为家庭内部各种家用电器所能识别的控制信号，从而实现通过发送短消息来控制各种家用电器的目的。本课题正是针对这种需要，来进行研究。
本课题研究的主要内容是：研制开发出一种基于GSM短消息方式的智能家庭网关，制作出样机。具体方案如下：
本课题着重围绕以上五点进行设计和研究，课题的重点在于智能家庭网关部分的设计。智能家庭网关的硬件部分大致可分为：基于GSM的短信收发模块；微处理器模块；家庭无线通信模块三部分。GSM短信收发模块拟采用西门子的TC35模块，因为其应用较成熟和价格低廉等优势；微处理器采用TI公司的MSP430F149，MSP430F149单片机具有运行速度快，价格低廉，功耗低和封装小等优点；家庭无线通信模块采用CC2500。GSM短信收发模块能够将手机发送的信号进行接收，并输出给微处理器MSP430F149，将信号进行处理，取出其中的有用信号，通过串口传递给CC2500模块，从而实现通过手机短信方式与家庭内部各通信节点间的通信和控制功能。
2 智能家庭网关的总体设计
2.1 智能家庭网关的总体结构与工作原理
一个智能家庭网关可以看成是一个信息处理系统，组成系统的各单元就是连接在网络各节点的设备[7]。本课题所研究的智能家庭网关大致可分为基于GSM网络的短信收发模块；微处理器模块；家庭内部射频通信模块等三部分。系统的总体结构如图1所示。
图1 智能家庭网关总体结构图

GSM短消息收发模块采用西门子公司的TC35模块，它具有应用较成熟、性能稳定和价格低廉等优势。微处理器部分采用的是TI公司的MSP430F149,它具有运行速度快、价格低廉、功耗低和封装小等特点。家庭内部的无线通信模块采用射频芯片CC2500,它具有功耗低，信号稳定，传输距离长等优点。
该智能家庭网关的工作流程为：GSM短消息收发模块能够将用户手机发送的短消息进行接收，并转换成0、1序列，通过串口UART0输出给微处理器MSP430F149；单片机对接收到的0、1序列，按照一定的规律进行分析处理，取出其中的有用信息；将取出的有用信息，经过一定的转换编码后，通过MSP430F149的串口UART1发送给CC2500射频通信模块，然后与家庭内部各个通信节点进行通信。各个通信节点收到命令后执行相应操作，当操作完成之后将会返回一条操作成功的确认信息，然后经过一些列的编码转换，最后以短消息的方式发回到用户手机。
对MSP430F149单片机进行编解码编程是本课题的重中之重，它是该智能家庭网关能否正常工作的关键所在。
2.2 智能家庭网关的控制命令介绍
现在的家庭中，家用电器的种类越来越多，功能越来越强大。由于研究时间较短，在这里并没有对所有家用电器的控制进行研究，而只是实现了对一些较常见的家用电器的一些普通功能的控制。例如，电视机、电灯的打开和关闭；电水壶自动烧开水等。当用户发送内容为OPEN TV的短消息时，家庭内部各个通信节点并不可能接受和辨别该信息，这时就需要单片机将GSM短消息模块接收的信息“翻译”成家庭内部通信节点所能识别的信号，从而控制家庭中的各种家用电器。
这个“翻译”过程将按照如表1所示的内容进行。
表1 控制命令介绍
实现功能
短消息内容
通信节点识别代码
打开电视机
安全密码+OPEN TV
X AA 111
关闭电视机
安全密码+CLOSE TV
X AB 111
打开电灯
安全密码+OPEN LIGHT
X AA 112
关闭电灯
安全密码+CLOSE LIGHT
X AB 112
烧开水
安全密码+BOIL WATER
X AC 113

现在以打开电灯这项功能为例对该过程中的数据格式进行一个简单的说明。
当用户要执行打开电灯这项功能时，用户用手机发送527464(安全密码)OPEN LIGHT的消息内容，智能家庭网关收到消息后，将其转换为8位代码X AA 112，然后通过串口UART1发送给CC2500射频通信模块。
8位代码X AA 112格式说明如图2所示。

图2 8位代码格式说明
为了提高智能家庭网关的安全性，防止其他陌生人的侵入和控制，在用户输入控制命令之前需要输入6位的安全密码，只有当密码正确时，单片机才会进行信息的翻译，传送；否则，单片机将不会执行命令，从而保证了智能家庭网关的安全性。
2.3 智能家庭网关的硬件设计
智能家庭网关硬件部分的设计可以大致分为GSM短消息收发模块的硬件设计，微处理器MSP430F149模块的硬件设计，CC2500射频通信模块的硬件设计等三大部分。具体原理图设计图纸见附录1。
2.3.1 GSM短消息收发模块硬件设计
目前，国内已经开始使用的GSM模块有Wavecom的WM02系列、西门子的TC35系列、摩托罗拉(Motorola)的D10、D15系列、中兴的ZXGM18系列等，而且这些模块的功能、用法差别不大。其中西门子的TC35系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证。所以本设计选用了西门子的TC35I作为通讯设备。TC35I是西门子推出的新一代无线通信GSM模块，利用它可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。模块的工作电压为3.3V~4.8V,可以工作在900HZ和1800HZ两个频段。模块支持标准的AT命令集、支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF(Zero Insertion Force,零阻力插座)连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡插座和天线[8]。
TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、电源专用集成电路(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35I的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。TC35I对外有40个引脚，通过一个ZIF连接器引出。这40个引脚主要分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。具体的引脚定义详见TC35技术手册[8]。
(1) 供电电路
TC35I的供电电压要求在3.3V~4.8V之间，推荐值为4.2V。TC35I在通话中的典型电流值为300mA,待机时电流损耗更小，但在突发传输时，如有电话呼入、开始发送一条短信时可能需要高达2A的瞬时电流，所以要求电源能提供足够大的电流[8]。在本课题中，所使用的是输入交流220V，输出直流5V/2A的成品开关电源。输出的5V电压经过一个LM1084的稳压芯片之后，还需要用电容进行滤波。使用电容进行滤波是电源电路设计中十分重要的一部分，因为开关电源中大量的高频纹波将对TC35模块的工作稳定性产生很大的影响。TC35I电源电路图3所示，其中5V电压供给TC35模块使用(实际供给电压为4.4V)，3.3V供给MSP430F149微处理器电路和CC2500射频通信模块使用。AMS1117为TI公司生产的5V转3.3V的电压转换芯片。

图3 TC35模块供电电路
(2) 控制电路[8]
TC35的控制信号主要有三个，即开机、关机信号输入和状态指示信号输出。
TC35开机时对电压时序要求较高：在 “BATT+” 引脚电平到达3.0V之后10ms将“/IGT”脚(原为高阻态)置低，且下降沿时间不超过1ms,之后保持低电平至少10ms后再拉高，这时TC35I才可以正常启动[8]。该时序信号通过芯片CS1产生。启动过程时序如图4所示。

图4 TC35启动过程时序图
正常情况下关闭TC35I可以使用指令“AT^SMSO” ，不过TC35I还设有一个强制关机信号输入脚EMERGOFF,输入低电平信号且时间长于3.2s时，TC35I将立即关机。
TC35的状态指示引脚SYNC有两个工作模式，可用AT命令“AT^SSYNC=0”进行切换。一种是指示通信状态时的功率增长情况，另一种是控制一个发光二极管来指示TC35的工作状态，本系统式使用后一种模式。
表2 TC35I状态指示灯含义
LED状态
TC35I状态
熄灭
处于关闭或睡眠状态
600ms亮/600ms熄
SIM卡没有插入或正在搜索网络
75ms亮/3s熄
已成功登录网络，处于待机状态
长亮
处于通话中(语音或者数据)
(3) 串口通信[8]
串口通信电路主要完成与控制端(PC机或MCU等)通信的功能。TC35的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-T RS-232接口电路标准，工作在CMOS电平(2.65V)。数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，波特率在300bps~230kbps之间可选。在本系统中，上位机波特率设置为9600bps,TC35I采用默认的自动波特率模式，在TC35I开机后向其发送一条“AT(CR)”指令，TC35I即可自动识别并设置正确的波特率。
串口通信电路以SP270芯片为核心，实现电平转换及串口通信功能。在SP270与ZIF连接器相应引脚连接时，要注意发送、接收引脚连接正确。TC35I模块是作为数据通信设备(DCE)来连接的，它的RxD0引脚为输出脚，TxD0为输入脚，而PC机COM口德RxD脚为输入脚，TxD脚为输出脚。
(4) SIM卡接口电路[8]
SIM卡是带微处理器的芯片卡，它由CPU、工作存储器RAM、程序存储器ROM、数据存储器EEPROM和串行通信单元5个模块组成，这5个模块集成在一块集成电路中。例如Motorola公司的SC21 SIM卡，其CPU为68H05，ROM为6144比特，RAM为12比特，EEPROM为2992比特可擦除，16比特不可擦除。SIM卡上包含了所有属于本用户的信息，它是一张符合GSM规范的智能卡。SIM卡在与手机连接时，最少需要5个连接线：电源Vcc、时钟(CLK)、数据I/O(Data)、复位(RST)、接地端(GND)。
TC35I集成了一个与ISO 7816-31 IC Card标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口，该接口连接到主接口(ZIF连接器)。在GSM11.11为SIM卡预留5个引脚的基础上，TC35在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。当插入SIM卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作状态。但是目前移动运营商所提供的SIM卡均可无CCIN引脚，所以在设计电路时将引脚CCIN与CCVCC相连接。

图5 SIM卡接触点功能图(以TC35I提供的引脚名标注)
在设计中为SIM卡布线时，考虑到设计中的电磁兼容和静电保护等因素，在SIM卡插槽下、印刷电路板的顶层敷设一层铜隔离网，该层敷铜与SIM卡的CCGND引脚相连，CCGND和电路板的GND之间通过一个电容耦合。此举为SIM卡构成了一个隔离地，屏蔽了其他信号线对SIM卡的干扰，从而获得更佳的通讯效果。
(5) 语音电路[8]
由于TC35I的GSM基带处理器内集成了音频滤波、ADC、DAC、语音合成等部分，所以模块语音接口的外围电路连接相对简单。TC35有两个语音接口，每个接口均有模拟麦克风输入和模拟耳机输出。在本系统中由于不要求语音通话功能，所以未设计此部分电路。
GSM模块外围电路原理图如图6所示。

图6 GSM模块外围电路原理图
2.3.2 CC2500射频通信模块硬件设计
(1) CC2500射频芯片简介
CC2500芯片是Chipcon公司推出的单片无线收发一体化芯片，工作于2.4GHz全球开放ISM(工业、科学、医学)频段，满足多点通信和调频通信需要，工作电压为1.9-3.6V，低功耗，外围元件极少，内置硬件CRC(循环冗余校验)和点对多点通信地址控制。该芯片集成了几乎所有的射频收发器模块，包括可编程的相同步逻辑合成器(PLL)、射频功率放大器(PA)、低噪声放大器(LAN)、基带滤波器和放大器以及I/Q解调器等，主要工作参数大都可通过芯片状态字由用户根据需要自行配置，没有复杂的通信协议，他完全对用户透明，且同种产品之间可以自由通信。因此CC2500是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片之一[9]。CC2500射频芯片还为信息包处理、数据缓冲、脉冲传送、空闲信道评估等功能提供了额外的硬件支持。空闲信道评估CCA(Clear Channel Assessment)功能是指当CC2500处于RX状态时，可以检测自身所处信道的电磁场的强弱以判断该信道是否空闲[10]，从而保证了数据的正确性。
表3 CC2500的主要特性
可编程控制的数据传输率，可达500kbps
单独的64字节RX和TX数据FIFO
较低的电流消耗(RX中15.6mA)
集成模拟温度传感器
可编程控制的输出功率，可达+1dBm
可编程的载波感应指示器
极少的外部元件：芯片内频率合成器，不需要外部滤波器或RF转换
高效的SPI接口：所有的寄存器能用一个“突发”转换器控制
可编程控制的基带调制解调器
对数据的可选自动白化处理
自动频率补偿可用来调整频率合成器到接收中间频率
许多强大的数字特征，使得使用廉价的微控制器就能得到高性能的RF系统
(2) CC2500射频芯片外围电路设计
CC2500射频芯片外围电路中只需加入少量的外部元件即可使用。CC2500技术手册中推荐的应用电路如图7所示，外部元件由表4给出。详细参数信息请参见CC2500技术手册。
偏阻器R171用来设置一个精确地偏电流。C122,C132,L121和L131形成一个平衡转换器，用以将CC2500上的微分RF端口转换成单端RF信号(C121和C131也用在直流模块上)。同一个合适LC网络一起，平衡转换器元件也将阻抗转换以匹配50欧的天线(或电缆)。使用SmartRF Studio软件可容易地得到RF平衡转换器和LC网络元件的值。晶体振荡器使用一个带2个负载电容(C81和C101)的外部晶体。能量供给必须在靠近供给引脚处恰当地退耦。退耦电容的放置及大小对于达到最优性能是非常重要的。必须严格遵照Chipcon公司给出的参考设计。
表4 CC2500射频芯片外部元件总揽
元件
描述
C51
数字部分的片内电压调节器的100nF退耦电容
C81/C01
晶体负载电容
C121/C131
RF平衡转换器DC模块电容
C122/C132
RF平衡转换器/匹配电容
C123/C124
RF LC滤波/匹配电容
L121/L131
RF平衡转换器/匹配电感(便宜的多层类型)
L122
RF LC滤波电感(便宜的多层类型)
R171
内部偏电流参考的56千欧电阻
XTAL
26MHz-28MHz晶体
CC2500芯片典型应用电路如下：

图7 CC2500芯片外围电路
CC2500芯片外围电路原理图如图8所示，该原理图完全参照TI公司提供的CC2500芯片外围电路设计样板而制作的。

图8 CC2500芯片外围电路原理图
(3) CC2500芯片外围驱动电路
CC2500芯片驱动电路原理图如图9所示。该驱动电路以单片机STC12LE5410AD为核心，该单片机具有低功耗，低供电电压等特点，所需要的供电电压范围为2.0V~3.8V。选择该款单片机最主要的原因是，该单片机集成有一个UART接口和一个SPI接口。SPI接口与CC2500射频芯片相连，UART接口与MAX232芯片相连。STC12LE5410AD单片机通过SPI接口对CC2500芯片进行初始化和控制。STC12LE5410AD单片机的UART接口通过MAX232芯片进行电平转换后与MSP430F149微处理器的UART1接口相连接，实现两者之间的通信。因而，MSP430F149微处理器只需要将控制指令通过串口传递给STC12LE5410AD单片机，STC12LE5410单片机就会自动调用相应指令驱动CC2500射频芯片将信息转发出去。这样设计大大降低了单纯使用MSP430F149微处理器对GSM模块和CC2500芯片进行初始化和控制的工作量，减少了资源的占用，大大提高了系统工作稳定性。

图9 CC2500芯片驱动电路
2.3.3 MSP430F149微处理器模块硬件设计
本课题研制的基于GSM短消息方式的智能家庭网关数据处理部分采用MSP430F149作为微处理器，进行数据的分析处理。MSP430F149内部集成有两个UART模式的通信串口，只需要通过简单的初始化设置就可以实现通信。由于GSM短消息收发模块和CC2500射频模块的通信接口均为UART接口，所以MSP430F149通过UART接口可以十分方便的实现对GSM短消息收发模块和CC2500射频模块的控制和通信。
(1) MSP430F49微处理器简介
MSP430F149单片机(或称为微控制器)，是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。其存储器模块是目前业界所有内部集成Flash存储器产品中能耗最低的一种，同其它微处理器相比，既缩小了线路板空间，又降低了系统成本，在系统设计、开发调试及实际应用都表现出较明显的优点，它具有以下特点[11]。
(1) 超低功耗 MSP430F149运行在1MHz时钟、2.2V条件下时，消耗电流仅280µA。
(2) 低电源电压范围：1.8V~3.6V。
(3) 强大的处理能力 MSP430F149具有丰富的寻址方式，片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算，具有高效的查表处理方法，这些特点保证了可以 编制出高效的程序。MSP430F149的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6µs。
(4) 丰富的片上外围模块 MSP430F149集成了较多的片上外围资源，可实现多种功能。它由以下部分组成：基础时钟模块，包括1个数控振荡器(DCO)和频率为8MHz、32768Hz的两个晶体振荡器；看门狗定时器Watchdog Timer可