基于GPRS的農(nóng)業(yè)蔬菜大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張捐凈　王敏　郎紅

摘要：為降低蔬菜大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本，開發(fā)基于GPRS無線通信技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及軟件、硬件設(shè)計(jì)思路，并對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)可以很好的滿足數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性要求，具有可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作方便等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；GPRS；設(shè)計(jì)；傳感器；控制器

中圖分類號(hào)：TP393.17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）04-0034-04

科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，蔬菜大棚的產(chǎn)量直接受環(huán)境因素影響，將智能無線監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)應(yīng)用于蔬菜大棚意義重大。所謂智能化主要是指對(duì)蔬菜大棚的溫度、光照、濕度、含氧量、CO2含量等因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，從而建立適合蔬菜生長(zhǎng)的環(huán)境，提高蔬菜產(chǎn)量。智能化系統(tǒng)大多需要裝設(shè)成本較高的通訊線纜，無法滿足大部分農(nóng)民的需求。隨著農(nóng)業(yè)研究的深入，開發(fā)移動(dòng)環(huán)境下的環(huán)境信息采集系統(tǒng)成為熱點(diǎn)。采用GSM和GPRS無線通信網(wǎng)作為通信方式，在分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著無可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端、廣域的無線IP連接。其具有諸多明顯優(yōu)勢(shì)，可以很好的滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。因此，采用基于GPRS的無線通信技術(shù)，針對(duì)農(nóng)業(yè)蔬菜大棚的實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)一種智能蔬菜大棚的環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作方便等特點(diǎn)，并可根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行定制安裝，推廣應(yīng)用前景十分廣闊。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由單片機(jī)控制的溫濕度和光照強(qiáng)庫(kù)采集系統(tǒng)、PTR2000數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和GPRS無線發(fā)送PC機(jī)組成。分布式采集系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端，負(fù)責(zé)感知棚內(nèi)的環(huán)境因子；PTR2000數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸分布式監(jiān)測(cè)站點(diǎn)相互之間的數(shù)據(jù)；GPRS無線發(fā)送PC機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酵饩W(wǎng)，然后傳輸?shù)絇C機(jī)客戶端，便于用戶數(shù)據(jù)查詢和命令控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 溫濕度傳感器的選擇

傳統(tǒng)傳感器具有以下特點(diǎn)：1） 輸出的是模擬信號(hào)，而微處理器只能處理數(shù)字信號(hào)，因此必須對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，必須加裝前置放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等，導(dǎo)致測(cè)量電路復(fù)雜，且信號(hào)容易受到干擾。2） 長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，容易受外部條件影響。由于老化和漂移等問題，長(zhǎng)期工作后誤差較大，同時(shí)精度受電源精度、穩(wěn)定度的影響較大。為保證精度，對(duì)電源的要求較高，增加成本。3） 一致性較差。模擬電路通道（例如檢波電路）不一致，批量生產(chǎn)較為困難，必須進(jìn)行曲線擬和標(biāo)定。4） 為進(jìn)行標(biāo)定，用戶需要配備復(fù)雜而昂貴的標(biāo)定設(shè)備及基準(zhǔn)，增加了工作難度和成本投入。

SHT11單片集成傳感器是由Sensirion公司推出的一種全量程標(biāo)定兩線數(shù)字輸出、且可同時(shí)測(cè)量濕度、溫度和露點(diǎn)的傳感器，它不需外圍元件，直接輸出經(jīng)過標(biāo)定的相對(duì)濕度、溫度及露點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)溫濕度傳感器的不足。

SHT-11內(nèi)部集成了濕度敏感元件、溫度敏感元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（14 b）、數(shù)字總線接口以及穩(wěn)壓電路。溫度傳感器和濕度傳感器在硅片上緊靠在一起，可以準(zhǔn)確地測(cè)定露點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)閮烧咧g的溫度差而引入誤差；直接通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，有效減少模擬傳輸中的干擾；輸出經(jīng)過標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，使傳感器的性能指標(biāo)一致性和穩(wěn)定性好，且成本低、使用方便。SHT-11溫濕度傳感器的芯片如圖2所示。

2.2 控制器的選擇

C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，內(nèi)部電路包括CIP-51微控制器內(nèi)核及RAM、ROM、I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、ADC、DAC、SPI和SMBus等部件，即把計(jì)算機(jī)的基本組成單元以及模擬、數(shù)字外設(shè)集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的片上系統(tǒng)（SoC）。它采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運(yùn)行速度是C8050F系列的12倍，處理速度較快，但價(jià)格比較昂貴。

AT89C51單片機(jī)是一種帶4 K字節(jié)閃爍可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory），其為低電壓、高性能CMOS8位微處理器，有4 K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器、32可編程I/O線、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、可編程串行通道、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。雖然處理速度慢，但價(jià)格比較便宜。

在溫度采集不需要高速度的情況下，根據(jù)性價(jià)比選擇AT89C51單片機(jī)作為處理器。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度傳感器電路

選用SHT-11作為溫濕度采集芯片，其芯片及其外圍電路構(gòu)成了傳感器監(jiān)測(cè)電路（如圖3所示）。

3.2 PTR2000無線傳送模塊

此部分由2個(gè)PTR2000無線發(fā)射接收模塊組成，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，其原理如圖4所示。

3.3 GPRS無線傳送模塊

單片機(jī)控制GPRS模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舳?，其組成以及外圍電路如圖5所示。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于GPRS的農(nóng)業(yè)蔬菜大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，從而為作物生長(zhǎng)提供合適環(huán)境，保證高產(chǎn)高效。通常情況下，大棚內(nèi)一天的氣候變化不是太大，不需要一直關(guān)注實(shí)時(shí)信息。為控制發(fā)送流量、提高性價(jià)比，客戶端采用查詢機(jī)制獲取數(shù)據(jù)。其主要工作原理為：當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收到查詢命令后，通過單片機(jī)1把采集數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)2，單片機(jī)2接收數(shù)據(jù)后將其傳送給GPRS模塊，由GPRS模塊通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到客戶端，以便與用戶觀察棚內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。采用分布式監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，可以布置很多監(jiān)測(cè)點(diǎn)（類似單片機(jī)1），只需一個(gè)攜帶GPRS模塊的中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如單片機(jī)2）就可以獲取棚內(nèi)全方位信息。主程序流程如圖6所示。

GPRS模塊位于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中心點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舳?，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。其工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)2將采集數(shù)據(jù)傳輸給GPRS模塊后，由GPRS通過移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩舳恕Ｆ涔ぷ髁鞒倘鐖D7所示。

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試

選取基層農(nóng)業(yè)蔬菜大棚試點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)過程中使用了溫濕度傳感器和光照傳感器。光照傳感器為集成的便攜式結(jié)構(gòu)，直接連接系統(tǒng)即可使用。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：1） 能夠?qū)貪穸葌鞲衅饕约罢斩葌鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。2） 通過PTR2000無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)傳輸。3） 通過GPRS模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線發(fā)送。采集數(shù)據(jù)如圖8所示。

6 結(jié)論

基于GPRS的農(nóng)業(yè)蔬菜大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式采集結(jié)構(gòu)，每一個(gè)單片機(jī)僅完成有限的數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)，對(duì)單片機(jī)的硬件電路要求不高，可用低檔硬件組成高性能系統(tǒng)，并且當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其他節(jié)點(diǎn)的工作。通過單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)溫濕度和照度傳感器測(cè)出的溫濕度值和光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過插有SIM卡的GPRS模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送給監(jiān)測(cè)終端，讓管理人員能夠?qū)崟r(shí)了解棚內(nèi)的環(huán)境情況。系統(tǒng)在提高性能的同時(shí)，更加注重性價(jià)比和傳送信息準(zhǔn)確性，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一次升級(jí)，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的高速、高效發(fā)展，因此具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙偉，張錫英，高微.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] 楊寧主.單片機(jī)與控制技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3] 張紅潤(rùn)，張亞凡.傳感技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4] 周洪.智能家居控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

Abstract： In order to reduce the cost of vegetable greenhouse monitoring system， an intelligent monitoring and control system was developed based on GPRS wireless communication technology. This paper deals with the design of the overall structure and its software and hardware. Test was made on the performance of the system. The test results show that the system can satisfy the requirement of real-time data acquisition and transmission with high reliability， scalability， and easy operation etc.

Key words： monitoring system； GPRS； design； sensor； controller

GPRS模塊位于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中心點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舳?，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。其工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)2將采集數(shù)據(jù)傳輸給GPRS模塊后，由GPRS通過移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩舳?。其工作流程如圖7所示。

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試

選取基層農(nóng)業(yè)蔬菜大棚試點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)過程中使用了溫濕度傳感器和光照傳感器。光照傳感器為集成的便攜式結(jié)構(gòu)，直接連接系統(tǒng)即可使用。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：1） 能夠?qū)貪穸葌鞲衅饕约罢斩葌鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。2） 通過PTR2000無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)傳輸。3） 通過GPRS模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線發(fā)送。采集數(shù)據(jù)如圖8所示。

6 結(jié)論

基于GPRS的農(nóng)業(yè)蔬菜大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式采集結(jié)構(gòu)，每一個(gè)單片機(jī)僅完成有限的數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)，對(duì)單片機(jī)的硬件電路要求不高，可用低檔硬件組成高性能系統(tǒng)，并且當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其他節(jié)點(diǎn)的工作。通過單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)溫濕度和照度傳感器測(cè)出的溫濕度值和光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過插有SIM卡的GPRS模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送給監(jiān)測(cè)終端，讓管理人員能夠?qū)崟r(shí)了解棚內(nèi)的環(huán)境情況。系統(tǒng)在提高性能的同時(shí)，更加注重性價(jià)比和傳送信息準(zhǔn)確性，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一次升級(jí)，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的高速、高效發(fā)展，因此具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙偉，張錫英，高微.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] 楊寧主.單片機(jī)與控制技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3] 張紅潤(rùn)，張亞凡.傳感技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4] 周洪.智能家居控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

Abstract： In order to reduce the cost of vegetable greenhouse monitoring system， an intelligent monitoring and control system was developed based on GPRS wireless communication technology. This paper deals with the design of the overall structure and its software and hardware. Test was made on the performance of the system. The test results show that the system can satisfy the requirement of real-time data acquisition and transmission with high reliability， scalability， and easy operation etc.

Key words： monitoring system； GPRS； design； sensor； controller

GPRS模塊位于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中心點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舳?，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。其工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)2將采集數(shù)據(jù)傳輸給GPRS模塊后，由GPRS通過移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩舳?。其工作流程如圖7所示。

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試

選取基層農(nóng)業(yè)蔬菜大棚試點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)過程中使用了溫濕度傳感器和光照傳感器。光照傳感器為集成的便攜式結(jié)構(gòu)，直接連接系統(tǒng)即可使用。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：1） 能夠?qū)貪穸葌鞲衅饕约罢斩葌鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。2） 通過PTR2000無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)傳輸。3） 通過GPRS模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線發(fā)送。采集數(shù)據(jù)如圖8所示。

6 結(jié)論

基于GPRS的農(nóng)業(yè)蔬菜大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式采集結(jié)構(gòu)，每一個(gè)單片機(jī)僅完成有限的數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)，對(duì)單片機(jī)的硬件電路要求不高，可用低檔硬件組成高性能系統(tǒng)，并且當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其他節(jié)點(diǎn)的工作。通過單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)溫濕度和照度傳感器測(cè)出的溫濕度值和光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過插有SIM卡的GPRS模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送給監(jiān)測(cè)終端，讓管理人員能夠?qū)崟r(shí)了解棚內(nèi)的環(huán)境情況。系統(tǒng)在提高性能的同時(shí)，更加注重性價(jià)比和傳送信息準(zhǔn)確性，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一次升級(jí)，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的高速、高效發(fā)展，因此具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙偉，張錫英，高微.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] 楊寧主.單片機(jī)與控制技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3] 張紅潤(rùn)，張亞凡.傳感技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4] 周洪.智能家居控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

Abstract： In order to reduce the cost of vegetable greenhouse monitoring system， an intelligent monitoring and control system was developed based on GPRS wireless communication technology. This paper deals with the design of the overall structure and its software and hardware. Test was made on the performance of the system. The test results show that the system can satisfy the requirement of real-time data acquisition and transmission with high reliability， scalability， and easy operation etc.

Key words： monitoring system； GPRS； design； sensor； controller