基于GPRS的大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)

　近年來(lái)，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來(lái)極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對(duì)作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工控制方式難以達(dá)到科學(xué)合理種植的要求，目前國(guó)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)上述環(huán)境因子自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見(jiàn)，而引進(jìn)國(guó)外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，不適合國(guó)情。

針對(duì)目前大棚發(fā)展的趨勢(shì)，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)大棚智能監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)又要使上級(jí)部門可隨時(shí)通過(guò)互連網(wǎng)或者手機(jī)信息了解區(qū)域大棚的實(shí)時(shí)狀況?；?GPRS的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。

1 GPRS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱。它允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)， GPRS的理論帶寬可達(dá)171.2Kbps，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在20～100Kbps之間,在此信道上提供了TCP/IP連接，可以用于INTERNET 連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，本身就是一個(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)。此外，GPRS還具有實(shí)時(shí)在線、快捷登陸、按量計(jì)費(fèi)、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，特別適用于間斷、突發(fā)性、頻繁和少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量的傳輸。

GPRS的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是在原有的GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上新增了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)SGSN和GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)GGSN)以及這兩個(gè)新增節(jié)點(diǎn)與其他硬件設(shè)備相連接的接口?；贕PRS網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)如圖1 所示。具體的數(shù)據(jù)傳輸流程為：

(1)GPRS終端通過(guò)接口從客戶系統(tǒng)中取出用戶數(shù)據(jù)；

(2)處理后以GPRS分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到基站(BSS)；

(3)分組數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS封裝后發(fā)送到GPRS IP骨干網(wǎng)；

(4)若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一GPRS終端,則先發(fā)送到目的SGSN, 再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端;若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)如INTERNET,則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

大棚現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、CO2、風(fēng)速等參數(shù)通過(guò)不同的傳感器采集后，通過(guò)傳輸線送入單片機(jī)，經(jīng)微處理器的處理后通過(guò)GPRS模塊根據(jù)需要發(fā)送到農(nóng)場(chǎng)監(jiān)控室的PC機(jī)或者是管理者所攜帶的手機(jī)上，同時(shí)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)與原設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行系統(tǒng)如電機(jī)、噴藥噴肥、報(bào)警系統(tǒng)等，完成大棚的灌溉、自然災(zāi)害的預(yù)防等控制功能。另外，通過(guò)GPRS所具有的網(wǎng)絡(luò)連接功能，上級(jí)部門由GPRS模塊所獲得的動(dòng)態(tài) IP地址隨時(shí)對(duì)大棚進(jìn)行抽樣調(diào)查，了解某區(qū)域的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境情況，還可以將該地區(qū)的以往的高產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)發(fā)送給農(nóng)場(chǎng)管理者參考。

3 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于GPRS大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。系統(tǒng)由下位機(jī)和傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)控制、上位機(jī)監(jiān)控、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、移動(dòng)終端和互聯(lián)網(wǎng)等五部分組成。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的下位機(jī)系統(tǒng)由單片機(jī)作為微處理器，而上位機(jī)為中心的監(jiān)控管理部門則采用PC機(jī)作為主控機(jī)。管理者只需要使用現(xiàn)有的高級(jí)語(yǔ)言編程模塊，在監(jiān)控室內(nèi)部或持有手機(jī)等無(wú)線終端就可以隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，完成控制。

基于GPRS的大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)各部分說(shuō)明：

(1)微處理器采用了工業(yè)級(jí)單片機(jī)P89C51RD2，它是

80C51系列單片機(jī)中的佼佼者，具有1KB的片上RAM和64KB的非易失FLASH程序存儲(chǔ)器。環(huán)境較差時(shí)，可以安裝機(jī)箱來(lái)防塵防水。微處理器是系統(tǒng)核心，主要完成采集參數(shù)的處理、執(zhí)行系統(tǒng)控制以及與監(jiān)控者的通信等功能。

(2)GPRS無(wú)線通訊模塊采用SIEMENS的MC35I，該模塊兼容了TC35 GSM模塊的功能，支持語(yǔ)音通信和短信息通訊，并且支持網(wǎng)絡(luò)連接及無(wú)線上網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳遞的功能。

　(3)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備參數(shù)采集傳感器如圖2中所列，若想擴(kuò)展智能監(jiān)控系統(tǒng)的采集功能，還可以接入其他傳感器；執(zhí)行系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、自動(dòng)噴藥噴肥、報(bào)警系統(tǒng)等，本部分主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)輸出控制。

(4)監(jiān)控部門是由農(nóng)場(chǎng)監(jiān)控室及攜帶移動(dòng)終端的管理者以及上級(jí)部門組成。

(5)網(wǎng)絡(luò)使用移動(dòng)通信網(wǎng)和INTERNET網(wǎng)。

監(jiān)控功能：

(1)測(cè)試大棚內(nèi)的瞬時(shí)溫度、空氣濕度及土壤濕度、氣體濃度、光照強(qiáng)度并顯示。

(2)根據(jù)檢測(cè)到的各參數(shù)與設(shè)定值的偏差以及偏差變化率對(duì)電爐、噴泵及滴泵等設(shè)備進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)的溫濕度、氣體濃度、光照的調(diào)節(jié)。

(3)如果三項(xiàng)參數(shù)中有一項(xiàng)參數(shù)偏離給定值太多,系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警并反復(fù)檢測(cè)參數(shù)并顯示。

(4)自診斷、自恢復(fù)及報(bào)警電路用于檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行是否正常,如果出現(xiàn)異常,例如“死循環(huán)”或“亂飛”，則報(bào)警并使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

4 微處理器與通訊模塊

P89C51RD2與GPRS模塊之間的連接如圖3所示。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，又因?yàn)镚PRS技術(shù)是一種基于分包的傳輸技術(shù)，因此數(shù)據(jù)在傳輸之前必須進(jìn)行TCP/IP技術(shù)的封裝處理，這個(gè)任務(wù)由TCP/IP協(xié)議處理芯片E5112完成，而短信的收發(fā)主要通過(guò)AT指令完成。GPRS在此嵌入式系統(tǒng)中有兩種應(yīng)用方式，一是利用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)SMS短信的收發(fā)，二是利用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)微處理器的無(wú)線上網(wǎng)。

基于GPRS的大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)

當(dāng)農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)與持有手機(jī)終端的管理者交流時(shí)，通過(guò)收發(fā)SMS短信，協(xié)議處理芯片E5112為模塊提供的是透明通道；上級(jí)部門分配動(dòng)態(tài)IP地址，實(shí)現(xiàn)無(wú)線上網(wǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)需要先通過(guò)E5112打包成TCP/IP數(shù)據(jù)。

4.1 GPRS模塊與AT指令

AT 指令是GPRS 模塊的底層指令，用來(lái)控制GPRS 進(jìn)行無(wú)線通信。 硬件連接完成后,在GPRS 接入網(wǎng)絡(luò)操作之前，首先要對(duì)GPRS 模塊進(jìn)行一定的設(shè)置,如通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)、設(shè)置移動(dòng)終端的類別等，然后便可以通過(guò)AT 命令來(lái)完成需要的功能。“AT” 或 “at” 前綴一定是放置在每條指令行最前面。通過(guò)輸入一個(gè)回車〈CR〉來(lái)結(jié)束一個(gè)指令行。

MC35I中常使用的硬件初始化指令如下：

(1)AT+CGATT=1激活GPRS功能命令。如果返回OK，則說(shuō)明開通了GPRS功能。

(2)AT+CGDCONT=1,“IP”，“CMNET”命令用于設(shè)置GPRS網(wǎng)關(guān)，其中，CMNET是中國(guó)移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)的接入網(wǎng)關(guān)。返回OK，說(shuō)明接入網(wǎng)關(guān)成功，否則接入失敗。

(3)ATD*99***1#用于撥通連接手機(jī)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，操作通過(guò)返回CONNECT。此時(shí)MC35I進(jìn)入PPP模式，不再響應(yīng)其他AT命令。

(4)AT+CMGF=0用于選擇短消息格式，1為文本格式，0為PDU格式，操作通過(guò)MC35I返回OK，確定系統(tǒng)采用PDU格式。

(5)AT+CMGS=“手機(jī)號(hào)碼”用于發(fā)送短信息，操作成功MC35I返回OK。

4.2 協(xié)議處理器芯片

微處理器通過(guò)GPRS模塊上網(wǎng)，首先要對(duì)模塊進(jìn)行一定的設(shè)置，使模塊MC35I處于數(shù)據(jù)通信的狀態(tài)。通信狀態(tài)設(shè)置后，數(shù)據(jù)在傳輸之前必須進(jìn)行 TCP/IP技術(shù)的封裝處理，這個(gè)任務(wù)由TCP/IP協(xié)議處理芯片E5112完成。E5112協(xié)議處理芯片采用通用的MCU Core，內(nèi)嵌經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)的TCP/IP軟件，它兼有服務(wù)器和客戶機(jī)的雙重功能，使用它的系統(tǒng)之間只要知道對(duì)方的IP地址和端口號(hào)，即可完成 INTERNET的網(wǎng)絡(luò)連接。首先單片機(jī)P89C51RD2與E5112通過(guò)串/并轉(zhuǎn)換芯片16C550實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串行/并行轉(zhuǎn)換,然后E5112通過(guò) RS232串口與無(wú)線GPRS Modem通信。P89C51RD2 與E5112的連接如圖4所示。E5112為模塊提供透明和非透明兩種通道方式，在透明方式下E5112對(duì)用戶數(shù)據(jù)不做處理，直接接收發(fā)送數(shù)據(jù)。幀是單片機(jī)與E5112進(jìn)行通信與控制的載體，E5112的幀分為輸入與輸出兩大類，每種幀都有特定的功能，其幀格式如圖5所示。

值得注意的是，E5112接口是5V邏輯，而MC35I是3V邏輯，兩者連接起來(lái)使用必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制程序可用C51語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，與匯編語(yǔ)言相比，C51具有開發(fā)速度快、軟件質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)化強(qiáng)、可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控部門主要采用現(xiàn)有的高級(jí)語(yǔ)言程序模塊。下位機(jī)系統(tǒng)的控制需人為隨時(shí)改變，整體框架不變。

如圖6所示，開機(jī)上電后，先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，再對(duì)通信模塊初始化。初始化包括設(shè)置串口工作方式、波特率，以及初始化變量參數(shù)和標(biāo)志位。
 

本系統(tǒng)以單片機(jī)和GPRS通信技術(shù)為核心，適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚的智能化監(jiān)控。該系統(tǒng)既解決了大棚現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)獲取問(wèn)題，又可以遠(yuǎn)程智能監(jiān)控農(nóng)場(chǎng)的執(zhí)行系統(tǒng)，滿足了管理的要求，通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線上網(wǎng)，為上級(jí)管理者提供方便，節(jié)省了大量的人力物力。設(shè)計(jì)成本適中，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)同類設(shè)計(jì)有重要的借鑒作用。