软件系统设计 - 基于SMS的智能家居远程监控系统

　　该系统通过手机短信不但可以遥控家居的电器设备，而且还可以对家居安防系统进行远程监视，具有结构简单、运行稳定可靠、成本低和易于推广等特点。
　　1 引言
　　随着生活节奏的加快，生活水平的提高，人们对现代家居的安全性、智能性、舒适性和便捷性提出了更高的要求。智能家居控制系统就是适应这种需求而出现的新事物，正朝着智能化、远程化、小型化、低成本等方向发展。如今手机已经十分普及，如何让普通百姓只需要增加少量投入便可以通过手机远程遥控自己家中的电器设备，远程查看设备或安防系统状况。同时，一旦家中发生煤气泄露、火灾、被盗等安全事故时能够立即获知警报，及时处理。为此本文提出了一种基于SMS 和Atmega128 的智能家居远程监控系统。
　　2 系统结构及工作原理
　　本文所设计的智能家居远程监控系统由CP U 模块、短信收发模块、电源模块、时钟模块、LCD 显示模块、键盘模块、驱动模块、无线收发模块、检测模块等模块组成，如图1 所示。系统的工作原理如下：用户通过手机将控制或查询命令以短信的形式通过GSM 网发送到短信收发模块，CPU 再通过串口将短信读入内存，然后对命令分析处理后作出响应，控制相应电器的开通或关断，实现了家电的远程控制。CPU 定时检测烟感传感器、CO 传感器、门禁系统的信号，一旦家中发生煤气泄露、火灾、被盗等险情时，系统立即切断电源、蜂鸣器警报并向指定的手机发送报警短信，实现了家居的远程监视。为了达到更人性化的设计，当用户在家时可通过手持无线遥控器控制各个家电的通断，通过自带的小键盘设定授权手机号码、权限和设定系统的精确时间等参数。LCD 用来实时显示各电器状态和各个传感器的状态。

　　

　　图1 系统结构框图

　　3 硬件系统设计
　　CPU 选用Atmega128 单片机，它是基于AVR RISC结构的8 位低功耗CMOS 微处理器，具有性价比高、功耗小、可靠性高等特点。短信收发模块选择厦门桑荣公司的Saro310 GSM Modem.传感器选择香港嘉永公司的SS-168 烟感探测报警器、HD-111 家用CO 探测报警器。它们在检测到危险信号时输出开关量信号，能及时准确地向CPU 发出报警信号。LCD 显示模块选用LCD12864 带中文字符型液晶显示屏，它自带汉字字库， 只用查询中文字库表便能实现LCD 的中文显示， 占用CPU 管脚少，只需三个管脚便能完成通讯和控制。

　　

　　图2 系统主要模块原理图。

　　键盘模块采用了一个4 × 4 的小键盘。开关驱动模块实现弱电对强电的控制。因为本系统中有较大功率电器，在启动时电流会较大，可能会达到10A，因此采用了2JB0.5-1 型固态继电器。时钟模块选用DS1302 时钟芯片， 为CPU 提供实时时钟。它采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能， 编程简单，功耗小。无线收发模块选用超外差双向无线接收模块JL-RT01A.电源模块由插头引入220V 交流电源，经过220V/36V/12V 变压器降压，整流桥整流， 二级电容滤波， 三端稳压芯片7 8 L 0 5 和78L24 稳压后，分别为核心板和接口驱动模块提供5V和24V 供电。

　　

　　图3 主程序流程图。

　　4 软件系统设计
　　Atmega 128 芯片集成的指令功能丰富，内存等资源也都比较丰富， 为了提高编程效率、代码的可读性、可移植性和可维护性，本系统使用C 语言开发系统软件。
　　4.1 主程序流程
　　系统上电后， 首先初始化各底层硬件（包括LCD 设备、串口参数等）和系统I /O， 然后并通过RS- 2 3 2 端口向短信模块发送AT E 命令查询短信模块是否正常工作？ 若收到应答后， 则顺序发送“A T + CMG F ”、“A T + C NM I ”、“AT+CSCA”等AT 命令（可参考AT 命令集），设置或获取相关参数，完成短信预处理。然后进入循环等待状态，定时查询短信模块是否收到新短信，检测各个传感器的信号输入以及键盘操作等。若查询到有新短信，则判断它是否来自授权手机？ 若是， 核查该手机号码的权限后， 对该短信进行分析， 根据具体命令（见表1-3）作出响应。一旦检测到烟感、CO 传感等传感器有异常，则立即切断主要电器的电源，输出报警信号并向指定手机发送短信。
　　4.2 GSM 短信息设计
　　4.2.1 短信收发模式选择
　　Saro 310 GSM Modem 模块使用AT 命令集控制短信的收发，它支持TEXT 和PDU 两种短信收发模式。
　　前者不支持非ASCII 码字符，不能收发中文短信，而后者支持多种不同的编码格式， 因此在本系统采用PDU 模式来收发短信息。手机中文字显示使用国标码，在CPU中需要先将U C S 2 编码转换为国标码以便于输出。
　　UCS2 编码与国标码之间转换不能依靠算法完成，只能通过查表来实现转换。
　　4.2.2 短信命令格式（控制协议）
　　短信命令分为传感器查询命令、基本控制命令、高级管理命令。各种命令格式和说明分别如表1、表2 和表3 所示。

　　

　　表1 传感器查询命令

　　

　　表2 基本控制命令

　　

　　表3 高级管理命令

　　例如， 执行打开电灯的命令：
　　uint8 ExecuteSMS Cmd（void） // 执行命令
　　{ case SMS_DD ：RELAY_PORT|=BIT（RELAY_DD
　　） ; / / 打开电灯
　　DvcSt t|=0x02; break; / / 电灯的命令代码为0000 0010B
　　}
　　短信命令以U n i c o d e 码的形式存储在数据缓冲区中。
　　4.2.3 短信命令解析
　　当系统接收到短信命令后， 按顺序从传感器查询、基本命令、高级管理命令匹配扫描。扫描代码如下：
　　wh i l e （ - - i &&！ （mh = s t r s t r （UART0 _RxBu f ，DefDetCmd［i］）））；
　　i f（ ！ i ） / / 若非传感命令
　　wh i l e （ - - j&&！ （mh = s t r s t r （UART 0 _RxBu f ，DefBasicCmd［j］）））；
　　i f（ ！ j ） / / 若非基本命令
　　wh i l e （ - - k&&！ （mh = s t r s t r （UART 0 _RxBu f ，DefAdvanceCmd［k］））；
　　其中， U A R T 0 _ R x B u f 指向接收数据缓冲区，DefDetCmd 是系统中预定义的传感器命令，DefBasicCmd是基本控制命令，DefAdvanceCmd 是高级管理命令。扫描完成后，对不同类型命令进一步细化处理，返回对应的命令编号。系统根据不同的命令编号完成不同的操作。
　　4.2.4 发送短信
　　当系统接收到带有“？”的短信命令时， 完成相应操作后，将给该授权号码发送报告短信。短信息格式定义如下：
　　typedef struct Shor tMessage // 短信息结构
　　{uint8 CSCA［19］; / / 短信中心号码
　　uint8 FirstOctet［3］;
　　uint8 TP_MR［3］; / / 消息参考值
　　uint8 RecvPhoneNo［19］; / / 对方号码字段
　　ui n t8 TP_PID［3］ ; / / 协议标识
　　ui nt8 TP_DCS［3］ ; / / 编码方式
　　uin t8 TP_VP［3］; / / 有效期
　　uint8 TP_UDL［3］; / / 用户数据长度
　　uint8 TP_UD［255］; / / 消息内容
　　}SHORTMESSAGE;
　　系统上电时，先执行短信息预处理，将信息结构中的常量赋值并存入Flash 中，要发送短信时再将信息结构补充完整。发送过程是（： 1）向短信模块发送“AT+CMGS”命令（； 2）短信模块回应后，发送短信息结构串（； 3）等待发送完成。
　　4.2.5 短信安全设计
　　为了提高系统的安全性，本系统设置了授权号码库，只有在授权号码库中的授权手机对系统发送的命令才是有效的。当系统接收到一条新短信时，先判断号码是否包含在授权号码库中，如短信来自非授权手机则将此信息删除。执行完授权号码发送的命令后，系统再通过短信模块向用户发送命令执行情况的信息。授权号码库是可以修改的，管理号码的手机可以发送短信命令将陌生号码加入到授权号码库中或删除授权号码，也可以通过键盘添加、删除授权号码。
　　5 实物测试
　　该系统的实物测试结果如图4 所示， 通过授权手机向系统发送短信“打开电灯？”，系统完成短信命令的解析、打开电灯后，在LCD 显示当前操作，并按要求回复一条短信。

　　

　　图4 LCD 控制命令显示及手机查询命令显示。

　　6 结束语
　　本文所设计的智能家居远程监控系统只须对原有的电源、安防等系统的布线做很少的调整，便可通过手机实现遥控家电。该系统实用性强、操作简单、成本低、性价比高。还很容易推广到户外广告牌监控、水库水位监控、电梯安全运行监控等众多领域。