基于短信模塊的環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計

楊家志，易勝利，蔣存波，楊　斐，鐘亞洲，楊　帆( .桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林　54004; .河南電力公司信陽供電公司，河南信陽　46400)

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基于短信模塊的環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計

楊家志1，易勝利1，蔣存波1，楊斐1，鐘亞洲1，楊帆2
( 1.桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004; 2.河南電力公司信陽供電公司，河南信陽464100)

摘要:基于手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸方法具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、可靠、無需組網(wǎng)等優(yōu)點，有較大的應(yīng)用價值和前景。為滿足環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)距離無線檢測的需求，設(shè)計了一種基于短信模塊的環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的采集、短信發(fā)送等功能，并通過串口連接上位機(jī)，配合上位機(jī)軟件作為遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)的征詢端使用。對所設(shè)計軟硬件的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地完成環(huán)境參數(shù)的采集和短信發(fā)送，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)采集功能。

關(guān)鍵詞:短信模塊;環(huán)境參數(shù);單片機(jī);上位機(jī)

隨著科技和社會的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中對工業(yè)設(shè)備和生活電器等的智能化要求越來越高，要求這些設(shè)備能夠自主地根據(jù)實際環(huán)境和相關(guān)參數(shù)作出判斷，執(zhí)行對應(yīng)的預(yù)設(shè)程序，降低人工干預(yù)［1］。其中，環(huán)境參數(shù)的感知和無線傳輸是智能系統(tǒng)設(shè)計的前端和重點之一，如電網(wǎng)參數(shù)的遠(yuǎn)程檢測、森林火險的遠(yuǎn)程監(jiān)測等［1－4］。

筆者設(shè)計了一種基于短信模塊的環(huán)境參數(shù)(主要是溫度，可根據(jù)需要添加濕度、煙霧等傳感器，實現(xiàn)其他參數(shù)的檢測)檢測系統(tǒng)，能根據(jù)需求把環(huán)境參數(shù)通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)以短信的形式反饋到信息征詢端，作為環(huán)境參數(shù)檢測的無線節(jié)點，并可通過串口連接PC作為信息征詢端。此系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于能夠利用現(xiàn)有的覆蓋域廣的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)任意距離的無線環(huán)境參數(shù)采集工作，可靠、方便，省去了組網(wǎng)的步驟。

1　系統(tǒng)概述

基于短信模塊的環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)主要由單片機(jī)( micro control unit，MCU)最小系統(tǒng)、短信模塊、用戶識別模塊( subscriber identity module，SIM)卡與插槽、傳感器、按鍵和顯示等部分組成

?(圖1)。

圖1　系統(tǒng)框圖Fig. 61System diagram

在該系統(tǒng)中，MCU具有初始化短信模塊、初始化傳感器、讀取新信息、讀取傳感器參數(shù)、讀取按鍵狀態(tài)、顯示溫度和發(fā)送短信等功能，并能夠通過串口與上位機(jī)通信，通過上位機(jī)軟件發(fā)送AT ( Attention)指令給短信模塊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度等參數(shù)的讀取功能。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)總的電路原理見圖2，主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、短信模塊與SIM卡電路、按鍵與顯示電路、電源電路等組成。其中，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)單片機(jī)的正常運行、復(fù)位、在線編程( in system programming，ISP)等功能，還包含溫度傳感器與串口電路;短信模塊與SIM卡電路主要通過串口與單片機(jī)交換數(shù)據(jù)，短信模塊啟動并初始化后會登陸移動電話網(wǎng)絡(luò)，通過SIM卡完成身份識別，正常工作后能夠在單片機(jī)的控制下完成收發(fā)短信的功能;按鍵與顯示電路主要完成系統(tǒng)功能切換與溫度顯示等功能;電源電路為其他各部分電路供電。

2. 1單片機(jī)最小系統(tǒng)

采用的單片機(jī)為ATMEL公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的高性能單片機(jī)ATmega 162，此單片機(jī)具有16 kB的FLASH，并且具有2個串口，具備ISP、寬電壓范圍、看門狗電路等功能［5］，完全能夠滿足本應(yīng)用的需求。

ATmega 162的最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路、ISP在線下載電路、晶振電路、串口電路和傳感器電路組成(圖2)。其中，復(fù)位電路可在上電時起到延時啟動的作用，保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定之后再讓單片機(jī)工作，而且在單片機(jī)工作的時候可以通過按動復(fù)位按鈕使單片機(jī)復(fù)位，重新執(zhí)行程序; ISP在線下載電路可以通過ISP下載電纜連接該系統(tǒng)與PC，下載編譯好的程序;晶振電路為單片機(jī)工作提供時鐘頻率;傳感器電路采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器通過單總線與單片機(jī)連接，并且直接輸出溫度值。

2. 2短信模塊與SIM卡電路

短信模塊與SIM卡均通過特定接口與系統(tǒng)板連接，其中短信模塊采用西門子公司的TC35i，通過12腳排線與系統(tǒng)板連接，SIM卡槽通過6針插槽與系統(tǒng)板連接;而在系統(tǒng)板上，SIM卡上的信號線(包括CCRST、CCCLK、CCIO、CCIN)是直接與短信模塊連接的，并位于單片機(jī)，有信號連接。除此之外，短信模塊的啟動還需要一個能夠提供大電流的啟動信號，此信號由單片機(jī)提供，經(jīng)共射放大電路放大后連接到短信模塊的IGT信號腳上，為短信模塊提供啟動信號［6］。具體原理見圖2所示。

圖2　系統(tǒng)電路原理Fig. 62Schematic diagram of system circuit

短信模塊與單片機(jī)的通信是通過單片機(jī)的串口1進(jìn)行的。由于單片機(jī)自帶有2個串口:串口0 與PC通信，而串口1與短信模塊通信。短信模塊的初始化、收發(fā)短信等工作都是通過串口在單片機(jī)的控制下進(jìn)行的。

2. 3按鍵與顯示電路

按鍵與顯示電路的原理如圖2所示。顯示電路由一個4位8段LED數(shù)碼管組成，在電路正常運行時會顯示當(dāng)前溫度;按鍵由2個微動開關(guān)組成，可以分別實現(xiàn)主動向預(yù)置號碼發(fā)送短信及主動通過串口向PC發(fā)送接收到的短信這兩項功能。同時，該部分電路還設(shè)有一個LED燈，在短信模塊登錄網(wǎng)絡(luò)時，此LED在單片機(jī)控制下快速閃爍，短信模塊登錄網(wǎng)絡(luò)完畢后慢速閃爍。

重慶九院院長陽光介紹，成研中心匯聚了全市的醫(yī)學(xué)管理、衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)、經(jīng)濟(jì)管理、醫(yī)學(xué)教育等專家。中心下設(shè)9個研究室，在實踐過程中，中心形成了院內(nèi)、院外、醫(yī)改三個重點工作方向：院內(nèi)主要為標(biāo)準(zhǔn)化成本核算與醫(yī)院DRG任務(wù)聯(lián)合工作開展方案、BSC+RBRVS創(chuàng)新績效管理工作開展方案；院外重點研究民營醫(yī)院醫(yī)療質(zhì)量安全與成本消耗的內(nèi)在規(guī)律、國有企業(yè)醫(yī)院轉(zhuǎn)制重組的理論與實踐等內(nèi)容；醫(yī)改方面重點研究標(biāo)準(zhǔn)化成本體系建立問題。

2. 4電源電路

電源電路原理見圖2。在該系統(tǒng)中，除了短信模塊和SIM卡需要4. 2 V的電壓之外，其余部分均用5 V電壓。所有從外界接入的5 V電源經(jīng)過電容濾波之后，供給單片機(jī)、按鍵和顯示電路。另外還要通過LM317轉(zhuǎn)換為4. 2 V電源供短信模塊和SIM使用。

另外，由于單片機(jī)和短信模塊使用的電源電壓并不相同，所有單片機(jī)引腳不能直接與短信模塊連接，需要作電平轉(zhuǎn)換后再連接。筆者采取在信號線路中串上330 Ω電阻的辦法實現(xiàn)簡易且實用的電平轉(zhuǎn)換功能。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于短信模塊的環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)根據(jù)需要可以實現(xiàn)無線參數(shù)檢測節(jié)點，也可以連接PC實現(xiàn)信息征詢功能。所以，該套系統(tǒng)在軟件設(shè)計方面除了要設(shè)計單片機(jī)軟件之外，還需要設(shè)計上位機(jī)軟件配合運行。

3. 1單片機(jī)軟件設(shè)計

單片機(jī)軟件主要由主程序、接收短信中斷服務(wù)子程序、按鍵1和按鍵2中斷服務(wù)子程序組成，它們的程序流程圖分別如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3　主程序流程圖Fig. 63Flow chart of main routine

圖4　接收短信中斷服務(wù)子程序流程圖Fig. 64Flow chart of SMS receiving interrupt service subroutine

圖5　按鍵1中斷服務(wù)子程序流程圖Fig. 65Flow chart of Key 1 interrupt service subroutine

圖6　按鍵2中斷服務(wù)子程序流程圖Fig. 66Flow chart of Key 2 interrupt service subroutine

當(dāng)短信模塊接收到來自信息征詢端的短信，將立即進(jìn)入接收短信中斷服務(wù)子程序。當(dāng)判斷出短信內(nèi)容為“temp?”時，通過DS18B20讀取當(dāng)前溫度，并通過短信發(fā)送當(dāng)前溫度到來信號碼上，發(fā)送短信的格式為“Current temperature is xx．x degree．”。其中“xx．x”代表包含1位小數(shù)的溫度值。執(zhí)行完之后返回主程序。

當(dāng)按下系統(tǒng)的按鍵1時，則進(jìn)入按鍵1中斷服務(wù)子程序。單片機(jī)通過DS18B20讀取當(dāng)前溫度，并向預(yù)設(shè)號碼發(fā)送當(dāng)前溫度值，其中預(yù)設(shè)號碼是固化到程序里的。執(zhí)行完之后返回主程序。

當(dāng)按下系統(tǒng)的按鍵2時，則進(jìn)入按鍵2中斷服務(wù)子程序。單片機(jī)同樣通過DS18B20讀取當(dāng)前溫度，并通過串口0向PC發(fā)送當(dāng)前溫度值，完成之后返回主程序。

3. 2上位機(jī)軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)通過PC讀取遠(yuǎn)程溫度，還需要設(shè)計PC端軟件。筆者利用VB開發(fā)了一款上位機(jī)軟件。開發(fā)時首先通過圖形化編程，在界面上放置“打開端口”、“發(fā)送初始化命令”、“讀溫度”、“清空消息”按鈕，放置“端口號”、“波特率”和“幀格式”下拉選項框，還放置用以顯示文本信息的文本框。

接下來分別對按鈕動作進(jìn)行編程，各個程序流程見圖7。

當(dāng)“打開端口”按鈕按下后，則向系統(tǒng)發(fā)送打開串口的命令，并根據(jù)返回信息判斷串口是否打開:如果順利打開，則顯示打開成功消息框;否則顯示出錯信息框并返回。

當(dāng)“發(fā)送初始化命令”按鈕按下后，則先判斷串口是否打開:如果沒有打開，顯示出錯信息框;如果已經(jīng)打開，則根據(jù)下拉選項框的內(nèi)容發(fā)送初始化命令，然后返回。

當(dāng)“清空消息”按鈕按下之后，則清空消息框里的所有內(nèi)容。

當(dāng)“讀溫度”按鈕按下之后，判斷電話號碼是否已輸入到相應(yīng)的文本框:如果已輸入，則通過串口控制環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)向該號碼發(fā)送短信，內(nèi)容為“temp”;如果文本框內(nèi)容為空，則彈出出錯提示框。

圖7　上位機(jī)軟件流程圖Fig. 67Flow chart of PC software

4　系統(tǒng)調(diào)試與實驗

系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)完成之后，進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)試和實驗工作。首先進(jìn)行的是用手機(jī)向環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)發(fā)送“temp”，系統(tǒng)接收到短信之后向手機(jī)返回當(dāng)前溫度值。實驗設(shè)置如圖8所示。需要指出的是，環(huán)境溫度會有輕微的變化，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)碼管上顯示的溫度和手機(jī)接收到的溫度有0. 1℃的差別。

同時，還進(jìn)行了利用上位機(jī)讀取遠(yuǎn)程溫度的實驗。為了方便實驗，環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)連接到上位機(jī)之后，通過上位機(jī)軟件讀取該系統(tǒng)本身的溫度，即利用系統(tǒng)的短信模塊向自己發(fā)送讀取溫度信息，讀取溫度之后通過串口0把消息返回到上位機(jī)(圖9)。

5　結(jié)論

圖8　基于短信模塊的環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)Fig. 68Picture of environmental parameters sensing system based on SMS module

圖9　上位機(jī)軟件界面Fig. 69User interface of PC software

設(shè)計了一種基于短信模塊的環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過短信模塊登錄手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)接收到查詢環(huán)境參數(shù)的短信之后，會回復(fù)當(dāng)前環(huán)境的相關(guān)參數(shù)值，也可設(shè)置主動向預(yù)設(shè)號碼發(fā)送相關(guān)參數(shù)。同時，該系統(tǒng)還可通過串口連接上位機(jī)，配合上位機(jī)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)的無線讀取工作。

實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能完成作為無線環(huán)境參數(shù)檢測節(jié)點的功能，并配合上位機(jī)實現(xiàn)無線參數(shù)征詢功能。

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Environmental parameters sensing system based on SMS module

YANG Jia-zhi1，YI Sheng-li1，JIANG Cun-bo1，YANG Fei1，ZHONG Ya-zhou1，YANG Fan2
( 1. College of Information Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China; 2. Henan Xinyang Power Supply Company，Xinyang 464100，China)

Abstract:As environmental data transferring method，with good signal coverage，reliability and without network development，has a large application value and prospect．In order to satisfy the demand of long distance，wirelessly environmental parameters sensing，an environmental parameters sensing system based on SMS ( Short Message Service) module is developed．The system can measure environmental parameters，and send them by SMS．And also，this system can connect with PC ( Personal Computer) as a remote environmental parameters acquiring terminal．Experiment results show that the environmental parameters sensing system fulfill sensing environmental parameters and sending by SMS successfully．

Key words:SMS module; environmental parameters; microcontroller; PC

作者簡介:楊家志( 1981—)，博士，副教授，研究方向:嵌入式系統(tǒng)、脈沖功率系統(tǒng)，jiazhi-yang@126. com。

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目( 51167004) ;廣西自然科學(xué)基金項目( 2013GXNSFBA019250) ;廣西空間信息與測繪重點實驗室項目(桂科能1207115－02)

收稿日期:2014－02－26

doi:10. 3969/j．issn. 1674－9057. 2015. 01. 030

文章編號:1674－9057( 2015) 01－0187－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN92

引文格式:楊家志，易勝利，蔣存波，等．基于短信模塊的環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報，2015，35 ( 1) : 187－191．