GSM短信预警的智能家居服务系统设计

朱恒军，张志华，于泓博，都文和

（1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006； 2.东北石油大学科研处，黑龙江大庆 163318）

GSM短信预警的智能家居服务系统设计

朱恒军1，张志华2，于泓博1，都文和1

（1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006； 2.东北石油大学科研处，黑龙江大庆 163318）

针对家居水表流量和有害气体浓度无法实时监控问题，设计一种监控水表流量和有害气体浓度的实用智能家居服务系统.该系统以ARM9作为主控处理器，采用无线方式读取水表数据，采用CAN总线接收有害气体浓度信息，通过GSM短信模块实现与手机终端的双工通信；可以通过手机短信设置用水量信息，当需要购买水费或有害气体浓度超标时，业主能够得到及时提示，从而实现对水表流量和有害气体浓度的实时监控.

智能家居；ARM控制器；有害气体监测；无线抄水表；GSM终端

DOI 10.3969／j.issn.2095－4107.2012.04.015

0 引言

家庭智能化正在成为一种必然趋势，并且逐步深入千家万户［1］.智能家居研究已经成为热点，Kidd C D等利用普适计算技术设计一个“观察之家”，用于携助记忆力下降的老年人发现行为趋势［2］；Helal S等利用各种类型的环境传感器设计一个“鳄鱼科技智能房屋系统”，用于携助老年人和残疾人日常生活［3］；Matsuoka K开发一个智能房屋，使用数学模型把原始数据转化成行为数据，通过房屋中的167个传感器监控电子设备、探测疾病和突发事件［4］；Khattak A M等开发一个人类活动识别机器，利用异构传感器技术监测人们的健康和活动，并通过一个云平台智能进行处理［5］.国外智能家居产品在监控家居设备的同时更侧重于对人的日常生活便利性、健康等进行监控和管理，尤其是老年人和残疾人，重视产品功能的系统性、实用性和传感技术的运用.近年来，我国出现多种智能家居产品，应用范畴主要集中在家居设备控制、安全监控、家庭医疗保健与监护领域，尽管各种控制技术、通信技术被广泛使用［6－10］，但是存在服务内容比较单一、功能与普通百姓生活中关心的实际问题差距较大等问题.

水、电、气表的使用及室内有害气体含量是每一个家庭都关心的实际问题，在生活中容易出现三表欠费需要交滞纳金现象和煤气中毒事件.无线抄表技术［11－12］已经开始应用，能够提高企业的工作效率，但没有为群众带来经济利益.笔者以水表数据及有害气体浓度检测为背景，设计一种智能家居服务系统，当需要买水费或室内有害气体含量超标时，通过手机即可对业主进行短信提示.

1 系统结构

硬件系统包括ARM主控制器、水表数据读取模块、有害气体浓度检测模块、LCD显示模块和GSM短信模块五个部分，系统结构见图1.

为增强系统的功能扩展能力，ARM主控制器采用韩国三星公司生产的ARM9S3C2440嵌入式处理器.S3C2440主频可以达到400MHz，具有丰富的外围接口电路，能够自由地实现文字、声音及图像资料的交换.ARM主控制器负责各部分之间功能控制与信息传递，如处理水表数据及有害气体浓度信息、向业主手机发送短信、接收业主手机的控制命令信息；水表数据读取模块采用低电压型SRWF－1021－50无线模块，完成用水量自动读取，并将读出的水表数据送入处理器；有害气体浓度检测模块采用MQ－2传感器，实时检测室内有害气体浓度，并将读出的有害气体浓度数据通过CAN总线送入ARM主控制器；GSM短信模块采用TC35I短信模块，完成水表数据和有害气体报警信息的无线传输，实现系统的远程监控功能；LCD显示模块主要完成用户水表数据和室内有害气体浓度信息显示.

图1 系统结构示意

2 通信电路设计

2.1 水表数据读取模块

水表数据读取电路主要由数字水表、无线数传模块和STC89C52单片机构成，电路结构见图2.

图2 水表数据读取电路设计

数字式水表采用LXSZ系列无线远传智能阀控湿式水表，内含无线射频模块，中心频率为470MHz，传输距离可以达到200m.低电压型SRWF－1021－50无线模块采用微功率发射，提供433MHz和470 MHz载波功率，可靠传输距离超过800m，能够适应任何标准或非标准的用户协议，自动过滤掉虚假数据，最多可提供32个信道.SRWF－1021－50模块采用TTL接口方式，接口速率设定为9 600bps，通信频段设定为470MHz，信道选择通道0，串口数据接收端RXD／TTL接STC89C52的P3.0引脚，串口数据发送端TXD／TTL接STC89C52的P3.1引脚，P3.0引脚接收到的水表数据通过P0口传送给ARM主控制器.

2.2 有害气体浓度检测模块

有害气体浓度检测电路主要由气体浓度检测模块、A／D转换模块和AT89C51单片机构成，电路结构见图3.

MQ－2气体传感器适用于液化气、酒精、烟雾、氢气、甲烷、乙烷和丙烷等的检测，输出模拟类型数据，不同种类、不同浓度的气体有不同电阻，使用时需要进行灵敏度调整.用于灵敏度调整的滑动电阻器R2阻值范围为0～20kΩ，A／D转换模块采用逐次逼近式A／D转换器AD0804，单片机AT89C51控制气体浓度的检测并将检测信息通过P0口送入CAN控制器.

图3 有害气体浓度检测电路设计

2.3 CAN通信模块

CAN通信电路主要由AT89C51单片机、CAN控制器和CAN收发器构成，电路结构见图4.

图4 CAN总线通信电路设计

单片机AT89C51通过P0口向CAN控制器提供传输数据并控制CAN控制器的运行.CAN控制器采用SJA1000芯片，主要完成CAN通讯协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等.CAN收发器采用PCA82C250芯片，用来增强对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，并将有害气体浓度信息送入ARM主控制器.

2.4 GSM短信模块

GSM短信模块TC35I是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，可以传输语音和数据信号，支持Text和PDU格式的SMS，其数据接口通过AT命令实现双向传输指令和数据，可选波特率为300bps～115kbps.该系统波特率设置为19.2kbps，短信模式采用PDU模式.TC35I模块与其他设备通信的格式为RS232，数据接口采用CMOS电平，在电路设计时需要加MAX232电平转换电路，电路结构见图5.

图5 MAX232电平转换电路设计

MAX232的引脚12连接单片机的P3.0引脚，向单片机发送数据；MAX232的引脚11连接单片机的P3.1引脚，接收单片机发来的数据；MAX232的引脚13连接GSM模块的串口数据输出引脚，接收GSM模块发来的数据；MAX232的引脚14连接GSM模块的串口数据输入引脚，向GSM模块发送数据.

3 通信软件设计

系统软件采用模块化设计和C语言编程.软件系统包括系统初始化模块、水表数据读取模块、烟雾浓度检测模块、LCD显示模块和远程数据发送模块.系统的初始化主要包括定义变量、函数申明、串口初始化、中断初始化、LCD初始化和GSM模块网络注册等.系统工作流程见图6.

图6 系统工作流程

3.1 CAN通信

CAN总线通信模块主要完成CAN节点初始化、数据发送和接收.初始化是对SJA1000初始化，并进行相关控制器配置.发送时，首先将待发送的数据按CAN报文的格式组合成一帧报文，送入SJA1000发送缓存区中，然后通过相应的发送命令将数据发送到CAN总线上；接收时，首先将发送过来的数据存储到SJA1000的接收缓冲区，然后通过相应的接收命令接收缓冲区的值并保存，最后释放接收缓冲区［13－14］.CAN通信程序流程见图7.

3.2 GSM通信

TC 3 5I短信模块提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范.通过AT指令可以控制短信的接收与发送.TC35I收到网络发来的短信时，通过串口向数据终端设备发送指示信息，数据终端设备使用AT指令通过串口向TC35I发送各种命令.发送短信时，先将消息中的ASCII字符及汉字统一编码成UCS2码，再以PDU数据包的形式发送；接收短信时，接收到的数据是以ASCII字符形式的7b编码形式存储在TC35i模块或SIM卡内，要转换成8位的十六进制形式的7b编码，再解码成可用的ASCII码数据［15－17］.GMS短信模块通信程序流程见图8.

图7 CAN通信程序流程

4 系统测试

系统测试分为有害气体浓度检测与手机短信报警、通过手机短信设定水费购买阈值、水表数据检测与水费购买信息手机短信提示部分.采用液化气、烟雾作为有害气体检测对象，设定系统的报警阈值为30010－6，当气体体积分数达到10010－6时，系统开始检测到有害气体的存在并实时在LCD显示屏显示有害气体浓度信息；当有害气体体积分数超过30010－6时，开始发出报警信息并通过手机短信进行预警提示.在水表数据检测时进行8次抽样实验，数字水表的初始数值为1.256m3，在前4次实验中通过手机短信设置系统水费购买阈值为1.3m3，在第5和6次实验中通过手机短信设置系统水费购买阈值为1.5m3，在第7和8次实验中通过手机短信设置系统水费购买阈值为1.7m3，通过软件算法设置检测到的水表数据在水费购买阈值±1%的范围内进行一次手机短信预警提示，实验结果见表1.

图8 GSM短信模块通信程序流程

表1 水表数据检测实验m3

由表1可见：数字水表显示数据与LCD显示实测水表数据有不大于5‰的误差，该误差是由无线数据传输延时及水阀关闭时水流惯性产生的，对系统的使用效果不产生影响；可以通过手机短信任意设置系统水费购买阈值，当检测到的水表流量达到系统设置的水费购买阈值±1%范围内时，实现一次性手机短信预警功能.

5 结论

设计一种基于GSM模块的监控水表流量和有害气体浓度的智能家居服务系统，实现利用手机设置水费购买阈值、水费购买信息及有害气体浓度预警信息的手机短信提示功能.通过手机的双向通信功能解决用户任意设置水费购买阈值问题，通过软件算法设计解决满足预警条件下的手机短信重复报警问题，提高系统的实用性.其特点：（1）该技术增强智能家居产品的实用性；（2）该技术将水表数据通过GSM发送到水表数据管理部门实现自动抄表功能，家庭无线抄水表方法已获国家实用专利，专利号为201120442442.3；（3）如果智能家居产品与自动抄表方法相结合，能够推动其向社会化发展.

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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；编辑：任志平

齐齐哈尔市科技局科技攻关基金项目（GYGG－09007）

朱恒军（1969－），男，硕士，副教授，主要从事信号采集与信息处理方面的研究.