摘要：基于SIMCOM公司的SIM900A模塊針對農業(yè)溫室環(huán)境設計了物聯網報警系統。該系統可以完成對溫室內空氣溫濕度等環(huán)境參數的采集；同時系統利用AT指令完成了自動收發(fā)短信功能，實現對環(huán)境參數超閡值的自動報警和設備余額不足的提醒功能。通過對系統的設置，可以不受用戶地理位置限制，將報警提醒信息發(fā)送到用戶指定手機上。該系統作為物聯網在農業(yè)方面的一個典型應用，在實際運行中得到了比較滿意的效果。
關鍵詞：物聯網；SIMCOM；SIM900A；AT指令；物聯網報警系統

0 引言
    目前，隨著物聯網技術在我國的推廣及快速發(fā)展，在對象的智能標簽、環(huán)境監(jiān)控和對象跟蹤、對象智能控制等很多方面都有了實際應用系統。在環(huán)境監(jiān)控應用方面，現有的大多數系統通過WSN網絡可以完成對環(huán)境動態(tài)信息的采集并通過上位機顯示，用戶可以方便地在遠程計算機終端訪問網絡來完成對現場環(huán)境的監(jiān)控并完成環(huán)境信息報警功能，但是此類系統都需要配置聯網計算機，對用戶產生部分限制。本系統除了具有以上功能外，還支持手機用戶，系統可以根據用戶設置的環(huán)境參數閾值來進行短信報警，將報警信息發(fā)送到用戶指定手機，極大地緩解了地理位置對用戶的約束，使用戶不必時刻守在計算機旁監(jiān)測報警信息；除此之外本系統還具有余額提醒功能，當系統內物聯網報警網關的SIM卡余額不足時及時提醒用戶進行充值，防止系統因資費問題而癱瘓造成經濟損失。

1 系統功能
    基于SIM900A模塊的物聯網短信報警系統如圖1所示，以農業(yè)溫室應用環(huán)境為例，系統由溫室內的溫濕度無線采集節(jié)點、物聯網報警網關、GSM／GPRS／3G基站、互聯網服務器、用戶終端(互聯網計算機或手機)構成。圖中的虛線指信號傳輸的無線模式。其中溫室內通過WSN網絡實現傳感器節(jié)點與物聯網報警網關的無線通信，物聯網報警網關通過GSM／GPRS／3G無線網絡與用戶終端完成無線通信。

    系統工作過程為溫室內傳感器節(jié)點采集溫室內溫濕度數值，通過WSN網絡無線發(fā)送到物聯網報警網關上，網關利用SIM900A模塊通過基站將溫濕度數值發(fā)送到互聯網服務器上，互聯網計算機用戶和手機用戶可以分別通過Internet和GPRS／3G來完成對溫室環(huán)境的監(jiān)控。除此之外，物聯網報警網關可以根據用戶設定的溫濕度閾值通過GSM網絡將報警信息直接發(fā)送到手機用戶指定手機上，方便用戶進行及時采取措施。物聯網報警網關自動定期通過AT指令發(fā)送余額查詢短信并將余額不足的報警信息及時發(fā)送給用戶。

    用戶可以通過計算機或者手機來訪問服務器網站來設定對需要報警溫室相關環(huán)境參數的閾值，設置界面如圖2所示。設置信息保存后互聯網服務器將此信息通過GPRS／3G網絡發(fā)送到物聯網報警網關，網關將其存入FLASH內。[!--empirenews.page--]

2 系統硬件設計
    系統內的物聯網短信報警網關硬件組成如圖3所示，在本地功能上來講，由LCD液晶顯示屏、繼電器控制、按鍵、LED指示燈、SD卡存儲、RTC實時時鐘、以太網接口等部分構成；從通信功能上來講，由WSN通信部分和GPRS通信部分構成；系統由6 V／4 AH鉛酸電池供電，由于考慮到有些溫室環(huán)境沒有外接市電，故在電源部分采用9 V／5 W太陽能電池板結合充電電路給6 V／4 AH鉛酸電池供電。

    控制器采用STM32F103芯片，其內核為ARM32位的CortexTM-M3 CPU，具有2個12位A／D轉換器，7通道DMA，多達80個I／O口，7個定時器，具有2個I2C接口、3個USART接口、2個SPI接口、CAN接口以及USB全速接口，由于其具有睡眠、停機和待機3種模式，功耗在休眠時可以做10μA，所以非常適合在本物聯網報警系統中使用。
    GSM／GPRS通信部分采用SIMCOM公司的SIM900A模塊來實現，SIM900A是一個專門為中國大陸市場設計的雙頻GSM／GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900 MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10／class 8(可選)和GPRS編碼格式CS-1，CS-2，CS-3和CS-4。模塊尺寸只有24 mm×24 mm×3 mm，幾乎可以滿足所有用戶應用中的對空間尺寸的要求，例如M2M，數據傳輸系統等。具有68個貼片引腳，鍵盤和SPI接口，音頻輸入和輸出，可編程GPIO等。SIM900A采用省電技術設計，在SLEEP模式下電流只有1．0 mA。其內嵌TCP／IP協議，在數據傳輸方面非常有用。

    GSM／GPRS通信電路結構如圖4所示，由天線、天線阻抗匹配電路、SIM卡電路、ESD靜電保護電路和電源控制器組成。其中，SIM900A通過其串口1與STM32F103的串口0進行數據通信；電源控制部分通過STM32F103的GPIO來控制IRFR9024芯片(N構造MOSFET)使能，控制系統適時進入休眠模式，關斷SIM900A電源來降低功耗；ESD靜電防護采用SMF05C芯片進行SIM卡數據保護；阻抗匹配電路利用APPCAD仿真軟件進行50 Ω傳輸線匹配，保證信號強度。[!--empirenews.page--]

3 系統軟件設計
    系統軟件設計方面包括基于SIM900A利用AT指令進行自動短信收發(fā)和解析，物聯網報警網關的軟件流程設計。
3．1 AT指令介紹
    AT指令是指終端設備TE和終端適配器TA之間以及數據終端設備DTE和數據電路終端設備DCE之間的接口標準。20世紀90年代初，AT指令僅被用于Modem的操作，在經歷了一系列演化后，AT指令被加入GSM07．05標準。SIM900A的AT命令接口默認使用IRA字符集，除此之外還支持GSM07．07格式，UCS2，HEX，PCCP，PCDN，8859-1字符集。用于短信收發(fā)的AT指令如表1所示。

3．2 短信編碼
    短消息的收發(fā)共有三種方式：Block方式、Text方式、PDU方式。Block方式目前很少用；Text方式為純文本方式，可使用不同的字符集，從技術說可用于發(fā)送中文短消息，但國內手機基本不支持，主要用于歐美地區(qū)；PDU方式被所有手機支持，可以使用任何字符集，也是手機默認的編碼方式。
    在PDU方式下可以采用三種編碼發(fā)送短信息：7-bit編碼、8-bit編碼和UCS2編碼。7-bit方式容量大但是其碼制轉換較復雜，由于本系統內所用短信內容較短，本文采用UCS2編碼方式進行短信編碼和解析，UCS2編碼方式中應用的為Unicode字符集。一般的PDU編碼由A，B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，I，M共13項構成。
    下面結合本系統介紹UCS2編碼發(fā)短信的原理：網關根據報警條件與當前環(huán)境參數進行比較，若環(huán)境參數超過用戶設定閾值，則根據環(huán)境參數類型及超限類型給用戶發(fā)送報警短信，短信內容事先寫入網關硬件FLASH內，在代碼中結合Switch語句決定信息內容。若1號溫室內溫度參數超過用戶設定的上限，則系統給用戶手機15212345678(虛擬號碼)發(fā)送短信內容：
    1號溫室內空氣溫度超過設定閾值
    對于UCS2短信編碼字符串為：
    0011+00+0D+91+68+5112325476F8+0008+04+2D+0031(1)53F7(號)6E29(溫)5BA4(室)5185(內)7A7A(空)6C14(氣)6E29(溫)5EA6(度)8D85(超)8FC7(過)8BBE(設)589A(定)9608(閾)503C(值)
    (此處為易讀而注“+”，實際發(fā)送中不存在，漢字要發(fā)送其Unicode碼格式，括號內為Unicode碼對應其漢字，實際發(fā)送中不存在)
    其中：0D指目的號碼長度(+86 15212345678)；5112325476F8指目的號碼(15212345678F，補F后兩位一反)；04指有效期，2D為短信長度；003153F…08803為短信內容(1號溫室內空氣溫度超過設定閾值)。
    結合AT指令，當1號溫室空氣溫度超閾值，進行短信報警的具體操作過程為：
    (1)發(fā)送AT+CMGF=0／／PDU方式發(fā)送短信。
    (2)發(fā)送AT+CSCS=“UCS2”／／短信編碼方式為UCS2。
    (3)發(fā)送AT+CMGS=2D／／短信長度。
    (4)識別返回>后發(fā)送下列字符串：
    0011000D91685112325476F80008042D003153F76E295BA451857A7A6C146E295EA68D858FC78BBE5B9A9608503C．
    同樣，系統定期檢查設備內SIM卡的余額，當余額少于設定余額的時候進行報警提醒，利用中國移動短信余額查詢功能，按照上述短信編碼方式即可完成短信余額查詢功能。具體可通過向10086發(fā)送字母“YE”(Unicode碼為00590045)來實現(北京地區(qū)，地區(qū)不同字母組合有差異)。編碼字符串為：0011000791680180F60008040400590045。
3．3 物聯網報警網關軟件流程設計
    物聯網報警網關的軟件設計流程如圖5所示，網關時刻監(jiān)聽是否收到數據包，若收到數據包則判斷是WSN內溫濕度節(jié)點數據包還是用戶閾值設定數據包，分情況進行相應處理。由于系統所測環(huán)境參數均為緩變量，當用戶啟動短信報警功能后，本系統采集周期最短可設置為5 mi n，否則若采集周期過短，當環(huán)境參量超過閾值時，系統不斷發(fā)送報警信息，不僅增加系統負擔而且給用戶造成不必要的資費浪費。

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4 系統運行效果
    系統自運行后效果良好，圖6為溫室內空氣溫度變化曲線，圖6(a)中A點和B點為用戶設定溫度閾值上限40℃時的報警點，圖6(b)為空氣溫度低于20℃時的報警區(qū)域，系統根據采集周期，周期性地發(fā)送報警信息，提醒用戶。

5 結論
    本文基于SIMCOM公司的SIM9D0A模塊設計了物聯網短信報警系統，將GSM／GPRS無線網絡與WSN連接，根據用戶設定的環(huán)境參數閾值結合AT指令進行短信發(fā)送、解析，完成環(huán)境報警提醒及設備余額不足提醒等功能，在實際運行中取到了良好的效果，屬于物聯網在農業(yè)方面的初步應用，對此領域的研究起到了一定指導作用。