GSM短信預(yù)警的智能家居服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱恒軍，張志華，于泓博，都文和

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

GSM短信預(yù)警的智能家居服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱恒軍1，張志華2，于泓博1，都文和1

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

針對(duì)家居水表流量和有害氣體濃度無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種監(jiān)控水表流量和有害氣體濃度的實(shí)用智能家居服務(wù)系統(tǒng).該系統(tǒng)以ARM9作為主控處理器，采用無(wú)線方式讀取水表數(shù)據(jù)，采用CAN總線接收有害氣體濃度信息，通過(guò)GSM短信模塊實(shí)現(xiàn)與手機(jī)終端的雙工通信；可以通過(guò)手機(jī)短信設(shè)置用水量信息，當(dāng)需要購(gòu)買水費(fèi)或有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，業(yè)主能夠得到及時(shí)提示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水表流量和有害氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

智能家居；ARM控制器；有害氣體監(jiān)測(cè)；無(wú)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(shì)，并且逐步深入千家萬(wàn)戶［1］.智能家居研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)，Kidd C D等利用普適計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)“觀察之家”，用于攜助記憶力下降的老年人發(fā)現(xiàn)行為趨勢(shì)［2］；Helal S等利用各種類型的環(huán)境傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)“鱷魚科技智能房屋系統(tǒng)”，用于攜助老年人和殘疾人日常生活［3］；Matsuoka K開(kāi)發(fā)一個(gè)智能房屋，使用數(shù)學(xué)模型把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成行為數(shù)據(jù)，通過(guò)房屋中的167個(gè)傳感器監(jiān)控電子設(shè)備、探測(cè)疾病和突發(fā)事件［4］；Khattak A M等開(kāi)發(fā)一個(gè)人類活動(dòng)識(shí)別機(jī)器，利用異構(gòu)傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)人們的健康和活動(dòng)，并通過(guò)一個(gè)云平臺(tái)智能進(jìn)行處理［5］.國(guó)外智能家居產(chǎn)品在監(jiān)控家居設(shè)備的同時(shí)更側(cè)重于對(duì)人的日常生活便利性、健康等進(jìn)行監(jiān)控和管理，尤其是老年人和殘疾人，重視產(chǎn)品功能的系統(tǒng)性、實(shí)用性和傳感技術(shù)的運(yùn)用.近年來(lái)，我國(guó)出現(xiàn)多種智能家居產(chǎn)品，應(yīng)用范疇主要集中在家居設(shè)備控制、安全監(jiān)控、家庭醫(yī)療保健與監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，盡管各種控制技術(shù)、通信技術(shù)被廣泛使用［6－10］，但是存在服務(wù)內(nèi)容比較單一、功能與普通百姓生活中關(guān)心的實(shí)際問(wèn)題差距較大等問(wèn)題.

水、電、氣表的使用及室內(nèi)有害氣體含量是每一個(gè)家庭都關(guān)心的實(shí)際問(wèn)題，在生活中容易出現(xiàn)三表欠費(fèi)需要交滯納金現(xiàn)象和煤氣中毒事件.無(wú)線抄表技術(shù)［11－12］已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，能夠提高企業(yè)的工作效率，但沒(méi)有為群眾帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益.筆者以水表數(shù)據(jù)及有害氣體濃度檢測(cè)為背景，設(shè)計(jì)一種智能家居服務(wù)系統(tǒng)，當(dāng)需要買水費(fèi)或室內(nèi)有害氣體含量超標(biāo)時(shí)，通過(guò)手機(jī)即可對(duì)業(yè)主進(jìn)行短信提示.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)包括ARM主控制器、水表數(shù)據(jù)讀取模塊、有害氣體濃度檢測(cè)模塊、LCD顯示模塊和GSM短信模塊五個(gè)部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

為增強(qiáng)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展能力，ARM主控制器采用韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的ARM9S3C2440嵌入式處理器.S3C2440主頻可以達(dá)到400MHz，具有豐富的外圍接口電路，能夠自由地實(shí)現(xiàn)文字、聲音及圖像資料的交換.ARM主控制器負(fù)責(zé)各部分之間功能控制與信息傳遞，如處理水表數(shù)據(jù)及有害氣體濃度信息、向業(yè)主手機(jī)發(fā)送短信、接收業(yè)主手機(jī)的控制命令信息；水表數(shù)據(jù)讀取模塊采用低電壓型SRWF－1021－50無(wú)線模塊，完成用水量自動(dòng)讀取，并將讀出的水表數(shù)據(jù)送入處理器；有害氣體濃度檢測(cè)模塊采用MQ－2傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)有害氣體濃度，并將讀出的有害氣體濃度數(shù)據(jù)通過(guò)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(shù)據(jù)和有害氣體報(bào)警信息的無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；LCD顯示模塊主要完成用戶水表數(shù)據(jù)和室內(nèi)有害氣體濃度信息顯示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 通信電路設(shè)計(jì)

2.1 水表數(shù)據(jù)讀取模塊

水表數(shù)據(jù)讀取電路主要由數(shù)字水表、無(wú)線數(shù)傳模塊和STC89C52單片機(jī)構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

圖2 水表數(shù)據(jù)讀取電路設(shè)計(jì)

數(shù)字式水表采用LXSZ系列無(wú)線遠(yuǎn)傳智能閥控濕式水表，內(nèi)含無(wú)線射頻模塊，中心頻率為470MHz，傳輸距離可以達(dá)到200m.低電壓型SRWF－1021－50無(wú)線模塊采用微功率發(fā)射，提供433MHz和470 MHz載波功率，可靠傳輸距離超過(guò)800m，能夠適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議，自動(dòng)過(guò)濾掉虛假數(shù)據(jù)，最多可提供32個(gè)信道.SRWF－1021－50模塊采用TTL接口方式，接口速率設(shè)定為9 600bps，通信頻段設(shè)定為470MHz，信道選擇通道0，串口數(shù)據(jù)接收端RXD／TTL接STC89C52的P3.0引腳，串口數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD／TTL接STC89C52的P3.1引腳，P3.0引腳接收到的水表數(shù)據(jù)通過(guò)P0口傳送給ARM主控制器.

2.2 有害氣體濃度檢測(cè)模塊

有害氣體濃度檢測(cè)電路主要由氣體濃度檢測(cè)模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊和AT89C51單片機(jī)構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(cè)，輸出模擬類型數(shù)據(jù)，不同種類、不同濃度的氣體有不同電阻，使用時(shí)需要進(jìn)行靈敏度調(diào)整.用于靈敏度調(diào)整的滑動(dòng)電阻器R2阻值范圍為0～20kΩ，A／D轉(zhuǎn)換模塊采用逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器AD0804，單片機(jī)AT89C51控制氣體濃度的檢測(cè)并將檢測(cè)信息通過(guò)P0口送入CAN控制器.

圖3 有害氣體濃度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.3 CAN通信模塊

CAN通信電路主要由AT89C51單片機(jī)、CAN控制器和CAN收發(fā)器構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.

圖4 CAN總線通信電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)AT89C51通過(guò)P0口向CAN控制器提供傳輸數(shù)據(jù)并控制CAN控制器的運(yùn)行.CAN控制器采用SJA1000芯片，主要完成CAN通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的裝配和拆分、接收信息的過(guò)濾和校驗(yàn)等.CAN收發(fā)器采用PCA82C250芯片，用來(lái)增強(qiáng)對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)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(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，可以傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，支持Text和PDU格式的SMS，其數(shù)據(jù)接口通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300bps～115kbps.該系統(tǒng)波特率設(shè)置為19.2kbps，短信模式采用PDU模式.TC35I模塊與其他設(shè)備通信的格式為RS232，數(shù)據(jù)接口采用CMOS電平，在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要加MAX232電平轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5.

圖5 MAX232電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

MAX232的引腳12連接單片機(jī)的P3.0引腳，向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；MAX232的引腳11連接單片機(jī)的P3.1引腳，接收單片機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；MAX232的引腳13連接GSM模塊的串口數(shù)據(jù)輸出引腳，接收GSM模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；MAX232的引腳14連接GSM模塊的串口數(shù)據(jù)輸入引腳，向GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù).

3 通信軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)和C語(yǔ)言編程.軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化模塊、水表數(shù)據(jù)讀取模塊、煙霧濃度檢測(cè)模塊、LCD顯示模塊和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送模塊.系統(tǒng)的初始化主要包括定義變量、函數(shù)申明、串口初始化、中斷初始化、LCD初始化和GSM模塊網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)等.系統(tǒng)工作流程見(jiàn)圖6.

圖6 系統(tǒng)工作流程

3.1 CAN通信

CAN總線通信模塊主要完成CAN節(jié)點(diǎn)初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收.初始化是對(duì)SJA1000初始化，并進(jìn)行相關(guān)控制器配置.發(fā)送時(shí)，首先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按CAN報(bào)文的格式組合成一幀報(bào)文，送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)中，然后通過(guò)相應(yīng)的發(fā)送命令將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上；接收時(shí)，首先將發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SJA1000的接收緩沖區(qū)，然后通過(guò)相應(yīng)的接收命令接收緩沖區(qū)的值并保存，最后釋放接收緩沖區(qū)［13－14］.CAN通信程序流程見(jiàn)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(guī)范.通過(guò)AT指令可以控制短信的接收與發(fā)送.TC35I收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的短信時(shí)，通過(guò)串口向數(shù)據(jù)終端設(shè)備發(fā)送指示信息，數(shù)據(jù)終端設(shè)備使用AT指令通過(guò)串口向TC35I發(fā)送各種命令.發(fā)送短信時(shí)，先將消息中的ASCII字符及漢字統(tǒng)一編碼成UCS2碼，再以PDU數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送；接收短信時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)是以ASCII字符形式的7b編碼形式存儲(chǔ)在TC35i模塊或SIM卡內(nèi)，要轉(zhuǎn)換成8位的十六進(jìn)制形式的7b編碼，再解碼成可用的ASCII碼數(shù)據(jù)［15－17］.GMS短信模塊通信程序流程見(jiàn)圖8.

圖7 CAN通信程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試分為有害氣體濃度檢測(cè)與手機(jī)短信報(bào)警、通過(guò)手機(jī)短信設(shè)定水費(fèi)購(gòu)買閾值、水表數(shù)據(jù)檢測(cè)與水費(fèi)購(gòu)買信息手機(jī)短信提示部分.采用液化氣、煙霧作為有害氣體檢測(cè)對(duì)象，設(shè)定系統(tǒng)的報(bào)警閾值為30010－6，當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10010－6時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)到有害氣體的存在并實(shí)時(shí)在LCD顯示屏顯示有害氣體濃度信息；當(dāng)有害氣體體積分?jǐn)?shù)超過(guò)30010－6時(shí)，開(kāi)始發(fā)出報(bào)警信息并通過(guò)手機(jī)短信進(jìn)行預(yù)警提示.在水表數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)進(jìn)行8次抽樣實(shí)驗(yàn)，數(shù)字水表的初始數(shù)值為1.256m3，在前4次實(shí)驗(yàn)中通過(guò)手機(jī)短信設(shè)置系統(tǒng)水費(fèi)購(gòu)買閾值為1.3m3，在第5和6次實(shí)驗(yàn)中通過(guò)手機(jī)短信設(shè)置系統(tǒng)水費(fèi)購(gòu)買閾值為1.5m3，在第7和8次實(shí)驗(yàn)中通過(guò)手機(jī)短信設(shè)置系統(tǒng)水費(fèi)購(gòu)買閾值為1.7m3，通過(guò)軟件算法設(shè)置檢測(cè)到的水表數(shù)據(jù)在水費(fèi)購(gòu)買閾值±1%的范圍內(nèi)進(jìn)行一次手機(jī)短信預(yù)警提示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

圖8 GSM短信模塊通信程序流程

表1 水表數(shù)據(jù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)m3

由表1可見(jiàn)：數(shù)字水表顯示數(shù)據(jù)與LCD顯示實(shí)測(cè)水表數(shù)據(jù)有不大于5‰的誤差，該誤差是由無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)及水閥關(guān)閉時(shí)水流慣性產(chǎn)生的，對(duì)系統(tǒng)的使用效果不產(chǎn)生影響；可以通過(guò)手機(jī)短信任意設(shè)置系統(tǒng)水費(fèi)購(gòu)買閾值，當(dāng)檢測(cè)到的水表流量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的水費(fèi)購(gòu)買閾值±1%范圍內(nèi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)一次性手機(jī)短信預(yù)警功能.

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種基于GSM模塊的監(jiān)控水表流量和有害氣體濃度的智能家居服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)設(shè)置水費(fèi)購(gòu)買閾值、水費(fèi)購(gòu)買信息及有害氣體濃度預(yù)警信息的手機(jī)短信提示功能.通過(guò)手機(jī)的雙向通信功能解決用戶任意設(shè)置水費(fèi)購(gòu)買閾值問(wèn)題，通過(guò)軟件算法設(shè)計(jì)解決滿足預(yù)警條件下的手機(jī)短信重復(fù)報(bào)警問(wèn)題，提高系統(tǒng)的實(shí)用性.其特點(diǎn)：（1）該技術(shù)增強(qiáng)智能家居產(chǎn)品的實(shí)用性；（2）該技術(shù)將水表數(shù)據(jù)通過(guò)GSM發(fā)送到水表數(shù)據(jù)管理部門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表功能，家庭無(wú)線抄水表方法已獲國(guó)家實(shí)用專利，專利號(hào)為201120442442.3；（3）如果智能家居產(chǎn)品與自動(dòng)抄表方法相結(jié)合，能夠推動(dòng)其向社會(huì)化發(fā)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－h(huán)ua2，YU Hong－bo1，DU Wen－h(huán)e1
（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(guān)基金項(xiàng)目（GYGG－09007）

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