GSM短信預警的智能家居服務系統設計

朱恒軍，張志華，于泓博，都文和

（1.齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006； 2.東北石油大學科研處，黑龍江大慶 163318）

GSM短信預警的智能家居服務系統設計

朱恒軍1，張志華2，于泓博1，都文和1

（1.齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006； 2.東北石油大學科研處，黑龍江大慶 163318）

針對家居水表流量和有害氣體濃度無法實時監控問題，設計一種監控水表流量和有害氣體濃度的實用智能家居服務系統.該系統以ARM9作為主控處理器，采用無線方式讀取水表數據，采用CAN總線接收有害氣體濃度信息，通過GSM短信模塊實現與手機終端的雙工通信；可以通過手機短信設置用水量信息，當需要購買水費或有害氣體濃度超標時，業主能夠得到及時提示，從而實現對水表流量和有害氣體濃度的實時監控.

智能家居；ARM控制器；有害氣體監測；無線抄水表；GSM終端

DOI 10.3969／j.issn.2095－4107.2012.04.015

0 引言

家庭智能化正在成為一種必然趨勢，并且逐步深入千家萬戶［1］.智能家居研究已經成為熱點，Kidd C D等利用普適計算技術設計一個“觀察之家”，用于攜助記憶力下降的老年人發現行為趨勢［2］；Helal S等利用各種類型的環境傳感器設計一個“鱷魚科技智能房屋系統”，用于攜助老年人和殘疾人日常生活［3］；Matsuoka K開發一個智能房屋，使用數學模型把原始數據轉化成行為數據，通過房屋中的167個傳感器監控電子設備、探測疾病和突發事件［4］；Khattak A M等開發一個人類活動識別機器，利用異構傳感器技術監測人們的健康和活動，并通過一個云平臺智能進行處理［5］.國外智能家居產品在監控家居設備的同時更側重于對人的日常生活便利性、健康等進行監控和管理，尤其是老年人和殘疾人，重視產品功能的系統性、實用性和傳感技術的運用.近年來，我國出現多種智能家居產品，應用范疇主要集中在家居設備控制、安全監控、家庭醫療保健與監護領域，盡管各種控制技術、通信技術被廣泛使用［6－10］，但是存在服務內容比較單一、功能與普通百姓生活中關心的實際問題差距較大等問題.

水、電、氣表的使用及室內有害氣體含量是每一個家庭都關心的實際問題，在生活中容易出現三表欠費需要交滯納金現象和煤氣中毒事件.無線抄表技術［11－12］已經開始應用，能夠提高企業的工作效率，但沒有為群眾帶來經濟利益.筆者以水表數據及有害氣體濃度檢測為背景，設計一種智能家居服務系統，當需要買水費或室內有害氣體含量超標時，通過手機即可對業主進行短信提示.

1 系統結構

硬件系統包括ARM主控制器、水表數據讀取模塊、有害氣體濃度檢測模塊、LCD顯示模塊和GSM短信模塊五個部分，系統結構見圖1.

為增強系統的功能擴展能力，ARM主控制器采用韓國三星公司生產的ARM9S3C2440嵌入式處理器.S3C2440主頻可以達到400MHz，具有豐富的外圍接口電路，能夠自由地實現文字、聲音及圖像資料的交換.ARM主控制器負責各部分之間功能控制與信息傳遞，如處理水表數據及有害氣體濃度信息、向業主手機發送短信、接收業主手機的控制命令信息；水表數據讀取模塊采用低電壓型SRWF－1021－50無線模塊，完成用水量自動讀取，并將讀出的水表數據送入處理器；有害氣體濃度檢測模塊采用MQ－2傳感器，實時檢測室內有害氣體濃度，并將讀出的有害氣體濃度數據通過CAN總線送入ARM主控制器；GSM短信模塊采用TC35I短信模塊，完成水表數據和有害氣體報警信息的無線傳輸，實現系統的遠程監控功能；LCD顯示模塊主要完成用戶水表數據和室內有害氣體濃度信息顯示.

圖1 系統結構示意

2 通信電路設計

2.1 水表數據讀取模塊

水表數據讀取電路主要由數字水表、無線數傳模塊和STC89C52單片機構成，電路結構見圖2.

圖2 水表數據讀取電路設計

數字式水表采用LXSZ系列無線遠傳智能閥控濕式水表，內含無線射頻模塊，中心頻率為470MHz，傳輸距離可以達到200m.低電壓型SRWF－1021－50無線模塊采用微功率發射，提供433MHz和470 MHz載波功率，可靠傳輸距離超過800m，能夠適應任何標準或非標準的用戶協議，自動過濾掉虛假數據，最多可提供32個信道.SRWF－1021－50模塊采用TTL接口方式，接口速率設定為9 600bps，通信頻段設定為470MHz，信道選擇通道0，串口數據接收端RXD／TTL接STC89C52的P3.0引腳，串口數據發送端TXD／TTL接STC89C52的P3.1引腳，P3.0引腳接收到的水表數據通過P0口傳送給ARM主控制器.

2.2 有害氣體濃度檢測模塊

有害氣體濃度檢測電路主要由氣體濃度檢測模塊、A／D轉換模塊和AT89C51單片機構成，電路結構見圖3.

MQ－2氣體傳感器適用于液化氣、酒精、煙霧、氫氣、甲烷、乙烷和丙烷等的檢測，輸出模擬類型數據，不同種類、不同濃度的氣體有不同電阻，使用時需要進行靈敏度調整.用于靈敏度調整的滑動電阻器R2阻值范圍為0～20kΩ，A／D轉換模塊采用逐次逼近式A／D轉換器AD0804，單片機AT89C51控制氣體濃度的檢測并將檢測信息通過P0口送入CAN控制器.

圖3 有害氣體濃度檢測電路設計

2.3 CAN通信模塊

CAN通信電路主要由AT89C51單片機、CAN控制器和CAN收發器構成，電路結構見圖4.

圖4 CAN總線通信電路設計

單片機AT89C51通過P0口向CAN控制器提供傳輸數據并控制CAN控制器的運行.CAN控制器采用SJA1000芯片，主要完成CAN通訊協議，實現報文的裝配和拆分、接收信息的過濾和校驗等.CAN收發器采用PCA82C250芯片，用來增強對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力，并將有害氣體濃度信息送入ARM主控制器.

2.4 GSM短信模塊

GSM短信模塊TC35I是一個支持中文短信息的工業級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，可以傳輸語音和數據信號，支持Text和PDU格式的SMS，其數據接口通過AT命令實現雙向傳輸指令和數據，可選波特率為300bps～115kbps.該系統波特率設置為19.2kbps，短信模式采用PDU模式.TC35I模塊與其他設備通信的格式為RS232，數據接口采用CMOS電平，在電路設計時需要加MAX232電平轉換電路，電路結構見圖5.

圖5 MAX232電平轉換電路設計

MAX232的引腳12連接單片機的P3.0引腳，向單片機發送數據；MAX232的引腳11連接單片機的P3.1引腳，接收單片機發來的數據；MAX232的引腳13連接GSM模塊的串口數據輸出引腳，接收GSM模塊發來的數據；MAX232的引腳14連接GSM模塊的串口數據輸入引腳，向GSM模塊發送數據.

3 通信軟件設計

系統軟件采用模塊化設計和C語言編程.軟件系統包括系統初始化模塊、水表數據讀取模塊、煙霧濃度檢測模塊、LCD顯示模塊和遠程數據發送模塊.系統的初始化主要包括定義變量、函數申明、串口初始化、中斷初始化、LCD初始化和GSM模塊網絡注冊等.系統工作流程見圖6.

圖6 系統工作流程

3.1 CAN通信

CAN總線通信模塊主要完成CAN節點初始化、數據發送和接收.初始化是對SJA1000初始化，并進行相關控制器配置.發送時，首先將待發送的數據按CAN報文的格式組合成一幀報文，送入SJA1000發送緩存區中，然后通過相應的發送命令將數據發送到CAN總線上；接收時，首先將發送過來的數據存儲到SJA1000的接收緩沖區，然后通過相應的接收命令接收緩沖區的值并保存，最后釋放接收緩沖區［13－14］.CAN通信程序流程見圖7.

3.2 GSM通信

TC 3 5I短信模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規范.通過AT指令可以控制短信的接收與發送.TC35I收到網絡發來的短信時，通過串口向數據終端設備發送指示信息，數據終端設備使用AT指令通過串口向TC35I發送各種命令.發送短信時，先將消息中的ASCII字符及漢字統一編碼成UCS2碼，再以PDU數據包的形式發送；接收短信時，接收到的數據是以ASCII字符形式的7b編碼形式存儲在TC35i模塊或SIM卡內，要轉換成8位的十六進制形式的7b編碼，再解碼成可用的ASCII碼數據［15－17］.GMS短信模塊通信程序流程見圖8.

圖7 CAN通信程序流程

4 系統測試

系統測試分為有害氣體濃度檢測與手機短信報警、通過手機短信設定水費購買閾值、水表數據檢測與水費購買信息手機短信提示部分.采用液化氣、煙霧作為有害氣體檢測對象，設定系統的報警閾值為30010－6，當氣體體積分數達到10010－6時，系統開始檢測到有害氣體的存在并實時在LCD顯示屏顯示有害氣體濃度信息；當有害氣體體積分數超過30010－6時，開始發出報警信息并通過手機短信進行預警提示.在水表數據檢測時進行8次抽樣實驗，數字水表的初始數值為1.256m3，在前4次實驗中通過手機短信設置系統水費購買閾值為1.3m3，在第5和6次實驗中通過手機短信設置系統水費購買閾值為1.5m3，在第7和8次實驗中通過手機短信設置系統水費購買閾值為1.7m3，通過軟件算法設置檢測到的水表數據在水費購買閾值±1%的范圍內進行一次手機短信預警提示，實驗結果見表1.

圖8 GSM短信模塊通信程序流程

表1 水表數據檢測實驗m3

由表1可見：數字水表顯示數據與LCD顯示實測水表數據有不大于5‰的誤差，該誤差是由無線數據傳輸延時及水閥關閉時水流慣性產生的，對系統的使用效果不產生影響；可以通過手機短信任意設置系統水費購買閾值，當檢測到的水表流量達到系統設置的水費購買閾值±1%范圍內時，實現一次性手機短信預警功能.

5 結論

設計一種基于GSM模塊的監控水表流量和有害氣體濃度的智能家居服務系統，實現利用手機設置水費購買閾值、水費購買信息及有害氣體濃度預警信息的手機短信提示功能.通過手機的雙向通信功能解決用戶任意設置水費購買閾值問題，通過軟件算法設計解決滿足預警條件下的手機短信重復報警問題，提高系統的實用性.其特點：（1）該技術增強智能家居產品的實用性；（2）該技術將水表數據通過GSM發送到水表數據管理部門實現自動抄表功能，家庭無線抄水表方法已獲國家實用專利，專利號為201120442442.3；（3）如果智能家居產品與自動抄表方法相結合，能夠推動其向社會化發展.

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Systematic design of smarthome service system with GSM shortmessage warning／2012，36（4）：79－84

ZHU Heng－jun1，ZHANG Zhi－hua2，YU Hong－bo1，DU Wen－he1
（1.Communication and Electronic Engineering Institute，Qiqihar University，Qiqihar，Heilongjiang 161006，China；2.Departmentof Science，NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China）

According to the problem of water meter flow and the concentration of harmful gases can＇tperform real－time monitoring，itis designed a practical smarthome service system to monitor the water meter flow and the concentration of harmful gases.This system used the ARM9to be the Master control processor，adopted the wireless way to read the water meter data，used the CAN bus receiving the information of the harmful gases concentration，through the GSM module itis realized the duplex communication with the Mobile terminal.The water consumption information can be setthrough the SMS.The owner can gettimely reminder when need buy water or the concentration of harmful gases to exceed bid.Thus the real－time monitoring of the water meter flow and the concentration of harmful gases is achieved.

smarthome；ARM controller；harmful gas monitoring；wireless water meter－reading；GSM terminal

book=4,ebook=145

TN925.1

A

2095－4107（2012）04－0079－06

2012－05－02；編輯：任志平

齊齊哈爾市科技局科技攻關基金項目（GYGG－09007）

朱恒軍（1969－），男，碩士，副教授，主要從事信號采集與信息處理方面的研究.