基于SIM900A的物联网短信报警系统

摘要：基于SIMCOM公司的SIM900A模块针对农业温室环境设计了物联网报警系统。该系统可以完成对温室内空气温湿度等环境参数的采集；同时系统利用AT指令完成了自动收发短信功能，实现对环境参数超阂值的自动报警和设备余额不足的提醒功能。通过对系统的设置，可以不受用户地理位置限制，将报警提醒信息发送到用户指定手机上。该系统作为物联网在农业方面的一个典型应用，在实际运行中得到了比较满意的效果。
关键词：物联网；SIMCOM；SIM900A；AT指令；物联网报警系统

0 引言
    目前，随着物联网技术在我国的推广及快速发展，在对象的智能标签、环境监控和对象跟踪、对象智能控制等很多方面都有了实际应用系统。在环境监控应用方面，现有的大多数系统通过WSN网络可以完成对环境动态信息的采集并通过上位机显示，用户可以方便地在远程计算机终端访问网络来完成对现场环境的监控并完成环境信息报警功能，但是此类系统都需要配置联网计算机，对用户产生部分限制。本系统除了具有以上功能外，还支持手机用户，系统可以根据用户设置的环境参数阈值来进行短信报警，将报警信息发送到用户指定手机，极大地缓解了地理位置对用户的约束，使用户不必时刻守在计算机旁监测报警信息；除此之外本系统还具有余额提醒功能，当系统内物联网报警网关的SIM卡余额不足时及时提醒用户进行充值，防止系统因资费问题而瘫痪造成经济损失。

1 系统功能
    基于SIM900A模块的物联网短信报警系统如图1所示，以农业温室应用环境为例，系统由温室内的温湿度无线采集节点、物联网报警网关、GSM／GPRS／3G基站、互联网服务器、用户终端(互联网计算机或手机)构成。图中的虚线指信号传输的无线模式。其中温室内通过WSN网络实现传感器节点与物联网报警网关的无线通信，物联网报警网关通过GSM／GPRS／3G无线网络与用户终端完成无线通信。

    系统工作过程为温室内传感器节点采集温室内温湿度数值，通过WSN网络无线发送到物联网报警网关上，网关利用SIM900A模块通过基站将温湿度数值发送到互联网服务器上，互联网计算机用户和手机用户可以分别通过Internet和GPRS／3G来完成对温室环境的监控。除此之外，物联网报警网关可以根据用户设定的温湿度阈值通过GSM网络将报警信息直接发送到手机用户指定手机上，方便用户进行及时采取措施。物联网报警网关自动定期通过AT指令发送余额查询短信并将余额不足的报警信息及时发送给用户。

    用户可以通过计算机或者手机来访问服务器网站来设定对需要报警温室相关环境参数的阈值，设置界面如图2所示。设置信息保存后互联网服务器将此信息通过GPRS／3G网络发送到物联网报警网关，网关将其存入FLASH内。

2 系统硬件设计
    系统内的物联网短信报警网关硬件组成如图3所示，在本地功能上来讲，由LCD液晶显示屏、继电器控制、按键、LED指示灯、SD卡存储、RTC实时时钟、以太网接口等部分构成；从通信功能上来讲，由WSN通信部分和GPRS通信部分构成；系统由6 V／4 AH铅酸电池供电，由于考虑到有些温室环境没有外接市电，故在电源部分采用9 V／5 W太阳能电池板结合充电电路给6 V／4 AH铅酸电池供电。

    控制器采用STM32F103芯片，其内核为ARM32位的CortexTM-M3 CPU，具有2个12位A／D转换器，7通道DMA，多达80个I／O口，7个定时器，具有2个I2C接口、3个USART接口、2个SPI接口、CAN接口以及USB全速接口，由于其具有睡眠、停机和待机3种模式，功耗在休眠时可以做10μA，所以非常适合在本物联网报警系统中使用。
    GSM／GPRS通信部分采用SIMCOM公司的SIM900A模块来实现，SIM900A是一个专门为中国大陆市场设计的双频GSM／GPRS模块，工作频段为：EGSM 900 MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10／class 8(可选)和GPRS编码格式CS-1，CS-2，CS-3和CS-4。模块尺寸只有24 mm×24 mm×3 mm，几乎可以满足所有用户应用中的对空间尺寸的要求，例如M2M，数据传输系统等。具有68个贴片引脚，键盘和SPI接口，音频输入和输出，可编程GPIO等。SIM900A采用省电技术设计，在SLEEP模式下电流只有1．0 mA。其内嵌TCP／IP协议，在数据传输方面非常有用。

    GSM／GPRS通信电路结构如图4所示，由天线、天线阻抗匹配电路、SIM卡电路、ESD静电保护电路和电源控制器组成。其中，SIM900A通过其串口1与STM32F103的串口0进行数据通信；电源控制部分通过STM32F103的GPIO来控制IRFR9024芯片(N构造MOSFET)使能，控制系统适时进入休眠模式，关断SIM900A电源来降低功耗；ESD静电防护采用SMF05C芯片进行SIM卡数据保护；阻抗匹配电路利用APPCAD仿真软件进行50 Ω传输线匹配，保证信号强度。

3 系统软件设计
    系统软件设计方面包括基于SIM900A利用AT指令进行自动短信收发和解析，物联网报警网关的软件流程设计。
3．1 AT指令介绍
    AT指令是指终端设备TE和终端适配器TA之间以及数据终端设备DTE和数据电路终端设备DCE之间的接口标准。20世纪90年代初，AT指令仅被用于Modem的操作，在经历了一系列演化后，AT指令被加入GSM07．05标准。SIM900A的AT命令接口默认使用IRA字符集，除此之外还支持GSM07．07格式，UCS2，HEX，PCCP，PCDN，8859-1字符集。用于短信收发的AT指令如表1所示。

3．2 短信编码
    短消息的收发共有三种方式：Block方式、Text方式、PDU方式。Block方式目前很少用；Text方式为纯文本方式，可使用不同的字符集，从技术说可用于发送中文短消息，但国内手机基本不支持，主要用于欧美地区；PDU方式被所有手机支持，可以使用任何字符集，也是手机默认的编码方式。
    在PDU方式下可以采用三种编码发送短信息：7-bit编码、8-bit编码和UCS2编码。7-bit方式容量大但是其码制转换较复杂，由于本系统内所用短信内容较短，本文采用UCS2编码方式进行短信编码和解析，UCS2编码方式中应用的为Unicode字符集。一般的PDU编码由A，B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，I，M共13项构成。
    下面结合本系统介绍UCS2编码发短信的原理：网关根据报警条件与当前环境参数进行比较，若环境参数超过用户设定阈值，则根据环境参数类型及超限类型给用户发送报警短信，短信内容事先写入网关硬件FLASH内，在代码中结合Switch语句决定信息内容。若1号温室内温度参数超过用户设定的上限，则系统给用户手机15212345678(虚拟号码)发送短信内容：
    1号温室内空气温度超过设定阈值
    对于UCS2短信编码字符串为：
    0011+00+0D+91+68+5112325476F8+0008+04+2D+0031(1)53F7(号)6E29(温)5BA4(室)5185(内)7A7A(空)6C14(气)6E29(温)5EA6(度)8D85(超)8FC7(过)8BBE(设)589A(定)9608(阈)503C(值)
    (此处为易读而注“+”，实际发送中不存在，汉字要发送其Unicode码格式，括号内为Unicode码对应其汉字，实际发送中不存在)
    其中：0D指目的号码长度(+86 15212345678)；5112325476F8指目的号码(15212345678F，补F后两位一反)；04指有效期，2D为短信长度；003153F…08803为短信内容(1号温室内空气温度超过设定阈值)。
    结合AT指令，当1号温室空气温度超阈值，进行短信报警的具体操作过程为：
    (1)发送AT+CMGF=0／／PDU方式发送短信。
    (2)发送AT+CSCS=“UCS2”／／短信编码方式为UCS2。
    (3)发送AT+CMGS=2D／／短信长度。
    (4)识别返回>后发送下列字符串：
    0011000D91685112325476F80008042D003153F76E295BA451857A7A6C146E295EA68D858FC78BBE5B9A9608503C．
    同样，系统定期检查设备内SIM卡的余额，当余额少于设定余额的时候进行报警提醒，利用中国移动短信余额查询功能，按照上述短信编码方式即可完成短信余额查询功能。具体可通过向10086发送字母“YE”(Unicode码为00590045)来实现(北京地区，地区不同字母组合有差异)。编码字符串为：0011000791680180F60008040400590045。
3．3 物联网报警网关软件流程设计
    物联网报警网关的软件设计流程如图5所示，网关时刻监听是否收到数据包，若收到数据包则判断是WSN内温湿度节点数据包还是用户阈值设定数据包，分情况进行相应处理。由于系统所测环境参数均为缓变量，当用户启动短信报警功能后，本系统采集周期最短可设置为5 mi n，否则若采集周期过短，当环境参量超过阈值时，系统不断发送报警信息，不仅增加系统负担而且给用户造成不必要的资费浪费。

4 系统运行效果
    系统自运行后效果良好，图6为温室内空气温度变化曲线，图6(a)中A点和B点为用户设定温度阈值上限40℃时的报警点，图6(b)为空气温度低于20℃时的报警区域，系统根据采集周期，周期性地发送报警信息，提醒用户。

5 结论
    本文基于SIMCOM公司的SIM9D0A模块设计了物联网短信报警系统，将GSM／GPRS无线网络与WSN连接，根据用户设定的环境参数阈值结合AT指令进行短信发送、解析，完成环境报警提醒及设备余额不足提醒等功能，在实际运行中取到了良好的效果，属于物联网在农业方面的初步应用，对此领域的研究起到了一定指导作用。