基于短信模塊的環境參數檢測系統設計

楊家志，易勝利，蔣存波，楊　斐，鐘亞洲，楊　帆( .桂林理工大學信息科學與工程學院，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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基于短信模塊的環境參數檢測系統設計

楊家志1，易勝利1，蔣存波1，楊斐1，鐘亞洲1，楊帆2
( 1.桂林理工大學信息科學與工程學院，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:基于手機網絡的環境數據傳輸方法具有網絡覆蓋廣、可靠、無需組網等優點，有較大的應用價值和前景。為滿足環境參數的遠距離無線檢測的需求，設計了一種基于短信模塊的環境參數檢測系統，實現了環境參數的采集、短信發送等功能，并通過串口連接上位機，配合上位機軟件作為遠程環境參數的征詢端使用。對所設計軟硬件的測試結果表明，該系統能較好地完成環境參數的采集和短信發送，實現環境參數的手機網絡采集功能。

關鍵詞:短信模塊;環境參數;單片機;上位機

隨著科技和社會的發展，工業生產和社會生活中對工業設備和生活電器等的智能化要求越來越高，要求這些設備能夠自主地根據實際環境和相關參數作出判斷，執行對應的預設程序，降低人工干預［1］。其中，環境參數的感知和無線傳輸是智能系統設計的前端和重點之一，如電網參數的遠程檢測、森林火險的遠程監測等［1－4］。

筆者設計了一種基于短信模塊的環境參數(主要是溫度，可根據需要添加濕度、煙霧等傳感器，實現其他參數的檢測)檢測系統，能根據需求把環境參數通過手機網絡以短信的形式反饋到信息征詢端，作為環境參數檢測的無線節點，并可通過串口連接PC作為信息征詢端。此系統的主要優點在于能夠利用現有的覆蓋域廣的手機網絡實現任意距離的無線環境參數采集工作，可靠、方便，省去了組網的步驟。

1　系統概述

基于短信模塊的環境參數檢測系統主要由單片機( micro control unit，MCU)最小系統、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　系統框圖Fig. 61System diagram

在該系統中，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、讀取按鍵狀態、顯示溫度和發送短信等功能，并能夠通過串口與上位機通信，通過上位機軟件發送AT ( Attention)指令給短信模塊，實現遠程溫度等參數的讀取功能。

2　系統硬件設計

系統總的電路原理見圖2，主要由單片機最小系統、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，單片機最小系統主要負責單片機的正常運行、復位、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交換數據，短信模塊啟動并初始化后會登陸移動電話網絡，通過SIM卡完成身份識別，正常工作后能夠在單片機的控制下完成收發短信的功能;按鍵與顯示電路主要完成系統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單片機最小系統

采用的單片機為ATMEL公司生產的8位RISC結構的高性能單片機ATmega 162，此單片機具有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］，完全能夠滿足本應用的需求。

ATmega 162的最小系統主要由復位電路、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，復位電路可在上電時起到延時啟動的作用，保證系統電壓穩定之后再讓單片機工作，而且在單片機工作的時候可以通過按動復位按鈕使單片機復位，重新執行程序; ISP在線下載電路可以通過ISP下載電纜連接該系統與PC，下載編譯好的程序;晶振電路為單片機工作提供時鐘頻率;傳感器電路采用的是DS18B20數字溫度傳感器，該傳感器通過單總線與單片機連接，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腳排線與系統板連接，SIM卡槽通過6針插槽與系統板連接;而在系統板上，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，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，此信號由單片機提供，經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　系統電路原理Fig. 62Schematic diagram of system circuit

短信模塊與單片機的通信是通過單片機的串口1進行的。由于單片機自帶有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、收發短信等工作都是通過串口在單片機的控制下進行的。

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數碼管組成，在電路正常運行時會顯示當前溫度;按鍵由2個微動開關組成，可以分別實現主動向預置號碼發送短信及主動通過串口向PC發送接收到的短信這兩項功能。同時，該部分電路還設有一個LED燈，在短信模塊登錄網絡時，此LED在單片機控制下快速閃爍，短信模塊登錄網絡完畢后慢速閃爍。

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2. 4電源電路

電源電路原理見圖2。在該系統中，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電源經過電容濾波之后，供給單片機、按鍵和顯示電路。另外還要通過LM317轉換為4. 2 V電源供短信模塊和SIM使用。

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

3　系統軟件設計

基于短信模塊的環境參數檢測系統根據需要可以實現無線參數檢測節點，也可以連接PC實現信息征詢功能。所以，該套系統在軟件設計方面除了要設計單片機軟件之外，還需要設計上位機軟件配合運行。

3. 1單片機軟件設計

單片機軟件主要由主程序、接收短信中斷服務子程序、按鍵1和按鍵2中斷服務子程序組成，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　接收短信中斷服務子程序流程圖Fig. 64Flow chart of SMS receiving interrupt service subroutine

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

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

當短信模塊接收到來自信息征詢端的短信，將立即進入接收短信中斷服務子程序。當判斷出短信內容為“temp?”時，通過DS18B20讀取當前溫度，并通過短信發送當前溫度到來信號碼上，發送短信的格式為“Current temperature is xx．x degree．”。其中“xx．x”代表包含1位小數的溫度值。執行完之后返回主程序。

當按下系統的按鍵1時，則進入按鍵1中斷服務子程序。單片機通過DS18B20讀取當前溫度，并向預設號碼發送當前溫度值，其中預設號碼是固化到程序里的。執行完之后返回主程序。

當按下系統的按鍵2時，則進入按鍵2中斷服務子程序。單片機同樣通過DS18B20讀取當前溫度，并通過串口0向PC發送當前溫度值，完成之后返回主程序。

3. 2上位機軟件設計

為了實現通過PC讀取遠程溫度，還需要設計PC端軟件。筆者利用VB開發了一款上位機軟件。開發時首先通過圖形化編程，在界面上放置“打開端口”、“發送初始化命令”、“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行編程，各個程序流程見圖7。

當“打開端口”按鈕按下后，則向系統發送打開串口的命令，并根據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“發送初始化命令”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;如果已經打開，則根據下拉選項框的內容發送初始化命令，然后返回。

當“清空消息”按鈕按下之后，則清空消息框里的所有內容。

當“讀溫度”按鈕按下之后，判斷電話號碼是否已輸入到相應的文本框:如果已輸入，則通過串口控制環境參數檢測系統向該號碼發送短信，內容為“temp”;如果文本框內容為空，則彈出出錯提示框。

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

4　系統調試與實驗

系統硬件和軟件開發完成之后，進行了相關的調試和實驗工作。首先進行的是用手機向環境參數檢測系統發送“temp”，系統接收到短信之后向手機返回當前溫度值。實驗設置如圖8所示。需要指出的是，環境溫度會有輕微的變化，導致系統數碼管上顯示的溫度和手機接收到的溫度有0. 1℃的差別。

同時，還進行了利用上位機讀取遠程溫度的實驗。為了方便實驗，環境參數檢測系統連接到上位機之后，通過上位機軟件讀取該系統本身的溫度，即利用系統的短信模塊向自己發送讀取溫度信息，讀取溫度之后通過串口0把消息返回到上位機(圖9)。

5　結論

圖8　基于短信模塊的環境參數檢測系統Fig. 68Picture of environmental parameters sensing system based on SMS module

圖9　上位機軟件界面Fig. 69User interface of PC software

設計了一種基于短信模塊的環境參數檢測系統，該系統能通過短信模塊登錄手機網絡，當接收到查詢環境參數的短信之后，會回復當前環境的相關參數值，也可設置主動向預設號碼發送相關參數。同時，該系統還可通過串口連接上位機，配合上位機軟件進行遠程環境參數的無線讀取工作。

實驗結果表明，該系統能完成作為無線環境參數檢測節點的功能，并配合上位機實現無線參數征詢功能。

參考文獻:

［1］肖鳳，秦軍，盛占石．電網電壓監測系統中短信收發裝置的研制［J］．電測與儀表，2006，43 ( 12) : 29－32．

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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、脈沖功率系統，jiazhi-yang@126. com。

基金項目:國家自然科學基金項目( 51167004) ;廣西自然科學基金項目( 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

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN92

引文格式:楊家志，易勝利，蔣存波，等．基于短信模塊的環境參數檢測系統設計［J］．桂林理工大學學報，2015，35 ( 1) : 187－191．