徐又又，韋政

（深圳第二高級技工學(xué)校，深圳518049）

實訓(xùn)室遠程智能報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐又又，韋政

（深圳第二高級技工學(xué)校，深圳518049）

針對職業(yè)院校實訓(xùn)室安全管理方式存在的不足，設(shè)計一種室內(nèi)安防報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成：報警主控端和數(shù)據(jù)采集終端。系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合兩種無線技術(shù)：采集終端與主控端的通信采用2.4GHz無線通信，而主控端與遠程用戶的通信采用無線移動技術(shù)，GSM通信。系統(tǒng)實時采集門、窗、電的開關(guān)狀態(tài)，當發(fā)生異常時，立即運行短信報警程序，將報警短信發(fā)送到實訓(xùn)室管理員手機，通知管理員室內(nèi)異常情況，從而實現(xiàn)真正的智能安防。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能達到預(yù)期的安防效果，具有一定實用意義。

0 引言

實訓(xùn)室作為職業(yè)院校的核心和培養(yǎng)高技能人才的搖籃，每年承擔著大量的實訓(xùn)任務(wù)。對于這些重要的學(xué)習(xí)場所，高標準的安防措施[1]是不容忽視的。因此學(xué)校的實訓(xùn)室都安排有專門的工作人員對其進行管理。實訓(xùn)室管理員每天都要進行巡視，檢查實訓(xùn)室的門、窗、電是否關(guān)閉。有的實訓(xùn)室晚上也對學(xué)生開放，經(jīng)常有學(xué)生甚至老師在用完實訓(xùn)室后忘記關(guān)窗或電閘，甚至忘了關(guān)門，而實訓(xùn)室管理員無法及時地監(jiān)控到這些安全隱患，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此設(shè)計了一種智能報警系統(tǒng)[2]，其中數(shù)據(jù)采集終端利用傳感器采集各種信息，如門磁傳感器采集門或窗的開閉信息，若門或窗在實訓(xùn)室沒有人使用的時間段內(nèi)沒有關(guān)閉，數(shù)據(jù)采集終端會將該信息通過無線傳輸方式[3]傳送至報警主控端，主控端將立即啟動報警程序，將報警短信[3]發(fā)送到實訓(xùn)室管理員的手機上，以便管理員進行及時地處理，防范于未然。系統(tǒng)還具有供管理員輸入手機號碼、查詢報警記錄、顯示報警信息、顯示室內(nèi)溫濕度、顯示當前時間等多種功能，有很高的實用性。

1 實訓(xùn)室遠程報警系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)由兩部分組成，一是基于ARM處理器（STM32F103）的報警主控端；一是基于MCU（STM8S103）的數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)采集數(shù)據(jù)的不同，又分為窗開關(guān)信息采集端、門開關(guān)信息采集端和電閘開關(guān)信息采集端。

系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合了兩種無線通信技術(shù)：數(shù)據(jù)采集終端與報警主控端的通信采用了NRF24L01無線通信模塊，而主控端與遠程用戶的通信采用了無線移動技術(shù)，GSM通信[4]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖

（2）系統(tǒng)報警主控端結(jié)構(gòu)框圖

報警主控端主要負責接收報警信息，對報警信息進行處理，控制GSM模塊發(fā)送報警短信到預(yù)先設(shè)置的綁定手機上。同時能供實訓(xùn)室管理員通過人機界面進行設(shè)防周期設(shè)置、報警電話設(shè)置、查詢報警記錄，并控制顯示器顯示報警信息。此外還具有檢測室內(nèi)溫濕度、顯示當前時間等多種功能。因此報警主控端結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 報警主控端結(jié)構(gòu)框圖

（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集終端主要負責采集門、窗、電閘有沒有關(guān)閉等信息，并將測得的數(shù)據(jù)通過RF無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到報警主控端。因此，數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)的功能

智能安防報警系統(tǒng)主要負責實訓(xùn)室的安全問題，當室內(nèi)出現(xiàn)異常時，需要采取必要的措施并及時通知用戶，因此本系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以下功能：

（1）實時監(jiān)控功能數(shù)據(jù)采集終端部分在實訓(xùn)室無人使用的時間段內(nèi)監(jiān)測室內(nèi)情況，如門窗有沒有關(guān)閉、電閘有沒有關(guān)閉等，并將測得的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到報警主控端。

（2）短信報警功能當檢測到門或窗沒有關(guān)閉、電閘沒有關(guān)閉，同時又處于設(shè)防周期內(nèi)時，報警主控端控制GSM模塊發(fā)送報警短信到預(yù)先設(shè)置的綁定手機上，提醒其室內(nèi)的異常情況。此時管理員可以根據(jù)手機上報警的具體情況，從而做出相應(yīng)處理。

（3）設(shè)備學(xué)習(xí)功能在初次安裝報警系統(tǒng)的房間內(nèi)，實訓(xùn)室管理員可以通過主控端的人機交互模塊先進行設(shè)備學(xué)習(xí)，以便報警主控端辨認不同的數(shù)據(jù)采集端。

（4）參數(shù)設(shè)置功能實訓(xùn)室管理員能通過主控端的人機交互模塊設(shè)置報警電話、設(shè)防周期和當前時間等參數(shù)。

（5）記錄查詢功能能記錄報警信息（報警端的名稱、狀態(tài)和時間），可供管理員查詢。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 MCU選型

微控制器是整個系統(tǒng)的核心，因此其選型尤為重要。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和報警主控端兩個部分組成，由于功能不同，所以選用了不同的MCU。

（1）ARM報警主控端芯片選擇

報警主控端選用意法半導(dǎo)體公司的STM 32F103RB芯片作為控制核心，選擇理由如下：ARM 32位的Cortex-M3CPU[5]，性能強大，便于功能擴展；128K字節(jié)閃存程序存儲器和20K字節(jié)SRAM；2個SPI接口，便于與NRF24L01無線通信模塊通信；2個IIC接口，便于與數(shù)據(jù)存儲芯片AT24C32和時鐘芯片DS1307通信；同等價位的MCU芯片中，其資源最豐富。

（2）數(shù)據(jù)采集終端芯片選擇

數(shù)據(jù)采集終端選用意法半導(dǎo)體公司的STM8S103芯片作為控制核心，選擇理由如下：每一塊芯片都有一個全球唯一的ID號，可以為每一個數(shù)據(jù)采集終端提供一個唯一的地址，便于報警主控端辨認報警地址，區(qū)分不同的采集終端；SPI接口，便于與NRF24L01無線通信模塊連接；主流典型的微控制器；體積小、價格低。

2.2 報警主控端硬件設(shè)計

（1）GSM模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)采用SIM900A模塊進行GSM通信，如圖4所示。SIM900A模塊與主控ARM采用全雙工的異步串口進行數(shù)據(jù)通信，電路連接圖如圖5所示，只需要RX和TX兩根通信線的連接，另外模塊需提供兩個電源，一個是3.3V的I/O接口電源，一個是5V的無線通信工作電源。

（2）NRF24L01無線收發(fā)模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)采用NRF24L01無線傳輸模塊實現(xiàn)報警主控端與數(shù)據(jù)采集終端之間的無線通信，其實物圖如圖6所示。該模塊有多個控制信號引腳，CE腳為芯片的使能引腳，IRQ為中斷標志位，VDD為電源輸入端，輸入3.3V電壓，還有SPI總線的四個引腳，CSN、SCK、MOSI和MISO。與報警主控的電路連接圖如圖7所示。

報警主控端的NRF24L01無線模塊工作于接收狀態(tài)。它的工作原理為：首先NRF24L01設(shè)置為接收模式，當接收到無線數(shù)據(jù)時，NRF24L01置位IRQ標志位，通知MCU取數(shù)據(jù)。MCU會通過SPI接口讀取NRF24L01接收到的32位的數(shù)據(jù)。

圖4 SIM900A實物圖

圖5 GSM模塊與報警主機主控的異步串口的連接圖

圖6 NRF24L01模塊實物圖

圖7 NRF24L01模塊與報警主控的連接原理圖

（3）液晶顯示模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)采用QC12864B漢字圖形點陣液晶顯示模塊進行顯示，如圖8所示。為了減少電路連接線，模塊與主控ARM通過LCM_CS、LCM_SID以及LCM_SCLK三個引腳完成串行數(shù)據(jù)通信。

圖8 液晶顯示模塊實物圖

由于主控ARM的I/O電平是3.3V，而液晶顯示模塊的驅(qū)動電壓是5V，因此電路采用開漏的連接方式：即當需要傳輸?shù)碗娖叫盘枙r，采用強驅(qū)動的互補推挽輸出低電平，當需要傳輸高電平信號時，采用設(shè)置為輸入狀態(tài)，即外部的上拉電阻將引腳信號拉到5V，這樣就完成了不同電壓之間的數(shù)據(jù)匹配，如圖9所示。

圖9 液晶顯示模塊與報警主控的連接原理圖

（4）溫濕度采集模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)采用溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度信息，如圖10所示。DHT11是單線制通信的數(shù)字式傳感器,因此將其DATA數(shù)據(jù)線直接與ARM的PB4連接,進行溫濕度數(shù)據(jù)的采集，如圖11所示。

圖10 溫濕度傳感器DHT11

圖11 溫濕度傳感器與報警主控的連接原理圖

（5）時鐘模塊與存儲模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)采用一款集時鐘電路和存儲電路于一體的模塊實現(xiàn)時鐘功能和存儲功能，如圖12所示。模塊時鐘芯片采用超低功耗的DS1307芯片，數(shù)據(jù)存儲芯片采用AT24C32芯片。兩者均通過IIC接口與主控ARM進行數(shù)據(jù)通信，電路連接圖如圖13所示。

（6）矩陣鍵盤電路設(shè)計

系統(tǒng)中涉及輸入的主要是數(shù)字0-9、功能菜單“設(shè)置”以及“返回”按鍵、用于菜單翻頁的“up”和“down”按鍵，以及用于光標移位的“l(fā)eft”和“right”按鍵，一共十六個按鍵，因此選擇4×4的矩陣鍵盤設(shè)計。由于芯片內(nèi)部集成了上拉電阻，因此鍵盤驅(qū)動電路中不需要外接上拉電阻。

圖12 時鐘與存儲模塊實物圖

圖13 時鐘DS1307及AT24C32與報警主控的連接原理圖

2.3 數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計

（1）門磁傳感器模塊電路設(shè)計

門磁傳感器采用磁控開關(guān)（干簧管）是一種利用磁場信號來控制的線路開關(guān)器件，通過門的開合改變磁場狀態(tài)從而實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的改變。系統(tǒng)中使用的門磁是常閉的。硬件電路如圖14所示。

圖14 門磁傳感器與采集終端的連接原理圖

（2）電閘傳感器模塊電路設(shè)計

圖15 電閘傳感器與采集終端的連接原理圖

電閘傳感器模塊電路如圖15所示。220v交流電壓先經(jīng)過100K的電阻限流降壓后，由整流橋堆MB6M進行整流，再由穩(wěn)壓二極管將輸出的電壓穩(wěn)定在5V左右，驅(qū)動線性光耦EL817工作，光耦輸出端為低電平。光耦輸出端接至單片機的I/O引腳。通過對此I/O引腳進行檢測來識別當前的220V信號是否有效，即電閘的開關(guān)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 報警信息處理設(shè)計流程

對于報警系統(tǒng)而言，報警信息的可靠、準確地傳送至關(guān)重要。從數(shù)據(jù)采集終端產(chǎn)生報警信息數(shù)據(jù)包，到主控端接收到信息后辨認信息來源，然后根據(jù)情況將信息插入報警隊列，最后形成短信報警信息，系統(tǒng)進行了全面的設(shè)計。設(shè)計流程圖如圖16所示。本文對其中幾個過程設(shè)計進行詳細的描述。

圖16 報警信息處理設(shè)計流程圖

（1）報警信息數(shù)據(jù)包

報警信息數(shù)據(jù)由采集端狀態(tài)和采集端的地址兩部分組成，如表1所示。

表1 報警信息數(shù)據(jù)包格式定義

采集端狀態(tài)用一個字節(jié)的數(shù)據(jù)表示。0x00表示采集端（門、窗或電閘）被打開的瞬間狀態(tài)；0x01表示采集端（門、窗或電閘）保持開著的狀態(tài)；0x02表示門、窗或電閘被關(guān)閉的瞬間狀態(tài)；0x03表示門、窗或電閘一直關(guān)閉的狀態(tài)。采集端的地址是由其MCU芯片的ID號決定的。每一片STM8S103芯片都有一個全球唯一的ID號，是一個12byte的數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)從芯片存儲器0x4867地址處讀出。這種用芯片ID號來區(qū)分不同采集端的方法，使得系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集端的數(shù)量不再受NRF24L01無線通道數(shù)目（只有6個）的限制。目前市場上，很多無線報警系統(tǒng)中，由于所使用的無線通道數(shù)目有限，報警容量無法擴展。而系統(tǒng)利用STM8S103芯片的ID號很好地解決了這個問題，擴展了系統(tǒng)的使用范圍。

（2）報警信息有效性判別

報警主控端接收到無線報警信息后，要進行三個方面的有效性判斷：時間有效性判斷、地址有效性判斷和采集端狀態(tài)有效性判斷。報警信息只有通過這三個有效性判斷才能，進入報警隊列，如圖17所示。首先判斷報警時間是否有效，即當前時間是否處于設(shè)防周期之內(nèi)。為了避免在實訓(xùn)室正常使用時發(fā)生誤報警，系統(tǒng)提供了設(shè)防周期設(shè)置的功能，即管理員可以通過人機界面設(shè)置每天的報警時間段。如果主控端接收到報警信息的時間不在報警時間段內(nèi)，該報警信息將被忽略。然后進行地址有效性判斷，即主控端從報警信息數(shù)據(jù)包中提取出采集端的地址，并將該地址與已有設(shè)備的地址一一進行比對，若不與任一設(shè)備的地址相同，則該報警信息將被忽略，這樣就避免了不同實訓(xùn)室的報警信息互相干擾。最后進行狀態(tài)有效性判斷，即只有報警信息數(shù)據(jù)包中采集端的狀態(tài)為0x01，也就是采集端（門、窗或電閘）是開著的狀態(tài)時，該報警信息才有效。

圖17 報警信息有效性判斷

（3）建立報警隊列實現(xiàn)緩沖

雖說實訓(xùn)室報警系統(tǒng)中，短時間出現(xiàn)大量報警信息的幾率很小，但為了防止漏發(fā)情況的出現(xiàn)，系統(tǒng)還是建立了報警隊列，進行信息有次序的處理，如圖18所示。系統(tǒng)中報警信息只有通過了如前所述的三個有效性判斷，才有資格加入報警隊列。信息插入報警隊列之前，系統(tǒng)會搜索隊列，判斷是否已有相同地址發(fā)出的報警信息在隊列中，若已存在，則判斷兩次報警信息的時間間隔是否小于2分鐘，若是則忽略當前的報警信息。這種處理是考慮到門或窗因自然原因出現(xiàn)反復(fù)開閉的情況而導(dǎo)致重復(fù)報警。因此報警隊列中的報警信息除了包含地址信息、狀態(tài)信息外，還加了時間信息。

3.2 報警主控端GSM通信軟件設(shè)計

（1）GSM模塊短消息相關(guān)的AT指令

主控ARM是通過串口向GSM模塊發(fā)送AT指令實現(xiàn)短信發(fā)送的。程序中采用的與短信相關(guān)的AT指令有：

AT+CMGC短信息發(fā)送命令

AT+CMGF確定短信息收發(fā)格式：0-PDU；1．文本

AT+CMGS短信息的發(fā)送

AT+CSCA短信息中心地址

AT+CSMP置短信息文本模式參數(shù)

圖18 報警隊列緩沖技術(shù)示意圖

（2）GSM短信報警子程序流程圖

當無線門磁或者電閘信號處于異常狀態(tài)下，ARM主控會啟動GSM模塊，向用戶手機發(fā)送報警信息。首先由ARM發(fā)送AT命令對SIM900初始化，使其處于等待發(fā)送短信的狀態(tài)。系統(tǒng)開啟后就監(jiān)聽傳感器數(shù)據(jù)信息，若發(fā)現(xiàn)異常的門磁或者電閘信號，比如布防狀態(tài)下的門磁打開的信號，電閘開啟的信號等則通過串口發(fā)送相應(yīng)的報警命令給GSM通信模塊，GSM模塊解析命令，并向用戶手機發(fā)送已經(jīng)預(yù)設(shè)好的報警信息，流程如圖19所示。

圖19 報警主控端的SIM900A控制子程序流程圖

3.3 報警主控端人機交互軟件設(shè)計

報警主控端需要進行系統(tǒng)時間設(shè)置、布防時間及周期設(shè)置、報警電話設(shè)置、門磁/電閘的設(shè)備地址的學(xué)習(xí)以及報警信息查詢等功能，因此設(shè)計了一個友好的人機界面來實現(xiàn)這個功能。如圖20所示，系統(tǒng)待機默認是顯示當前時間日期和室內(nèi)溫濕度，通過不同的功能按鍵可以進入?yún)?shù)設(shè)置或者報警信息查詢界面。進入?yún)?shù)設(shè)置界面后，可以根據(jù)菜單的選擇進入設(shè)備參數(shù)學(xué)習(xí)、系統(tǒng)時間設(shè)置、設(shè)防周期設(shè)置以及報警電話設(shè)置等4個子菜單。用戶可以在不同的子菜單里進行各類的參數(shù)的設(shè)置。進入報警信息查詢界面，可以查詢最近的20條報警記錄。報警主控端人機交互界面子程序流程圖如圖21所示。

4 系統(tǒng)測試

4.測試環(huán)境

將一套報警系統(tǒng)，包括1個報警主控端、2個門窗采集端和1個電閘采集端安裝在一間實訓(xùn)室內(nèi)，如圖22所示。在開始測試之前，要先進行設(shè)備學(xué)習(xí)，以便主控端分辨不同的采集端。例如讓安裝在門上的采集端發(fā)送報警信息，這時在主控端的人機界面的設(shè)備學(xué)習(xí)菜單中將會顯示采集端的地址，通過按鍵選擇名稱，如實訓(xùn)門A，再按確定鍵，就為這個采集端確定了它的名稱。用同樣的方法為其他的采集端進行設(shè)備學(xué)習(xí)。

圖20 系統(tǒng)待機界面

4.2 測試結(jié)果

設(shè)備學(xué)習(xí)完后，就可以開始測試。先在人機界面上設(shè)置設(shè)防周期和報警電話。然后將安裝了采集端的門和窗打開，同時電閘上電，報警主控端會發(fā)出3條不同的報警信息，手機也會收到3條報警短信，如圖23所示。

圖21 報警主控端的人機交互界面子程序流程圖

圖22 系統(tǒng)安裝示意圖

圖23 系統(tǒng)運行示意圖

4.3 降低功耗的方法

經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功耗較大，報警主控端由3.7V、1100mAh的鋰電池供電，只能用不到1天的時間，采集端由3.7V、1100mAh的鋰電池供電，只能用不到3天的時間。因此通過以下辦法降低功耗。

采集端：

（1）設(shè)置為定時喚醒模式，即sleep 2秒之后，才進行一次門窗/電閘傳感器狀態(tài)檢測，這樣使STM8S芯片電流從2mA降低到了500uA；

（2）NRF24L01模塊只有在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，才進入發(fā)送模式，其他時間處于Sleep模式，這樣其電流可以從17mA降低到50uA。

主控端：

（1）設(shè)置為無操作（如沒有按鍵輸入、RF接收等）10秒之后就進入Sleep模式，同時開啟外部按鍵I/O中斷、RF中斷請求中斷、定時器中斷，使主控端只有中斷才能被喚醒，這樣可以讓其工作電流從13mA降低到5mA;

（2）設(shè)置為只有在設(shè)防周期內(nèi)才能允許RF接收數(shù)據(jù)，其他時間段內(nèi)處于Sleep模式，這樣RF模塊電流從19mA降低到50uA；

（3）將沒有使用到的I/O設(shè)置成輸出，STM32芯片電流降低500uA；

（4）由于DS1307電池采用的是不可充電電池，將充電限流電阻100歐姆直接取消，DS1307模塊電流降低(5V-3.0V)/0.1k=20mA;

（5）LCD模塊接口中設(shè)置為開漏的I/O（STM32芯片3.3VIO驅(qū)動LCD模組的5VIO），在沒有通信時，將其從輸出低電平改成懸浮輸入，單個I/O降低5V/5.1k=1mA電流；

（6）GSM模塊，在發(fā)送報警短信時才開啟，其他時間處于低功耗模式,GSM模塊電流從20mA降低到6mA。

通過以上降功耗的方法，報警主控端在1100mAh的鋰電池供電下，可以工作約2天；

采集主控端在1100mAh的鋰電池供電下，可以工作約20天左右。

5 結(jié)語

針對現(xiàn)有實訓(xùn)室安防措施存在的不足，設(shè)計了基于單片機的實訓(xùn)室遠程智能報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、成本低、穩(wěn)定性好以及低功耗等特點，完全能滿足實訓(xùn)室安防智能報警的要求，具有一定的參考價值和實用性，可應(yīng)用于實訓(xùn)室、教室、辦公室、住宅等任何室內(nèi)的安防報警。系統(tǒng)還可以從以下幾個方面進行改進：一是改變采集終端與主控端的通信方式，例如用ZigBee通信，增加通信距離，可以實現(xiàn)一層樓多個實訓(xùn)室只需一個報警主控端；二是優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)，進一步降低功耗；三是實現(xiàn)用手機代替主控端的人機交互功能，降低主控端的成本。

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Design and Implementation of Training Room Remote Intelligent Alarm System

XU You-you，WEI Zheng

（Shenzhen Second Senior Technical School，Shenzhen 518049）

Aiming at the disadvantages in security management of training room,designs an indoor security alarm system.The system is composed of two core modules:the main control alarm center and the data acquisition terminal.The system combines two wireless technologies:the com?munication of terminals and control center adopts NRF24L01 module,the communication of control center and remote user adopts wireless mobile technology.Real-time detects the switch state of door,window and electric brake,the system can automatically send SMS alarm pro?cedures to tell the manager the abnormal state when the indoor environment is abnormal.At the end,the system can achieve real intelligent security.

1007-1423（2017）27-0051-09

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.27.012

實訓(xùn)室安防；ARM；傳感器；NRF24L01無線通信；GSM通信

徐又又（1977-），女，廣東深圳人，講師，碩士研究生，從事領(lǐng)域為嵌入式系統(tǒng)方向研究

韋政（1970-），男，廣東深圳人，一級實習(xí)指導(dǎo)教師，高級技師，從事領(lǐng)域為電氣自動化方向研究

2017-06-30

2017-08-30

Security of Training Room;ARM;Sensor;Wireless Communication;GSM Network