基于GPRS和風(fēng)電能源的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可曉?！√崎_輝　路翀

摘要 根據(jù)新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)的需求，設(shè)計(jì)了一款基于GPRS和風(fēng)電能源的農(nóng)業(yè)大棚多路監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助新疆的優(yōu)勢風(fēng)力資源，利用風(fēng)力發(fā)電解決能源需求并降低系統(tǒng)成本，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控，用戶通過遠(yuǎn)程終端對(duì)大棚進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)控。該系統(tǒng)按照農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)思路，采用微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，妥善利用綠色資源和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，為地區(qū)信息化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供一種特色的行業(yè)解決方案。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)大棚；GPRS；風(fēng)電能源；微計(jì)算機(jī) ；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）15-347-03

為了提高新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，采用集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并引進(jìn)信息化技術(shù)裝備形成具有地方特色的設(shè)施農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境的最優(yōu)控制和提高水土資源的利用效率。新疆農(nóng)業(yè)狀況的特點(diǎn)是中小型大棚數(shù)量多、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者科技水平較為薄弱、大棚地域偏僻分散且基礎(chǔ)電力、通信設(shè)施缺乏。新疆位于祖國西北地區(qū)，地廣人稀平原多，日照時(shí)間長溫差大，典型的戈壁灘平原地貌特征，風(fēng)多風(fēng)大，風(fēng)力資源位于全國第二。針對(duì)新疆地理特點(diǎn)，融合物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)思想，設(shè)計(jì)了一款基于GPRS和風(fēng)電能源的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用小型風(fēng)電機(jī)提供經(jīng)濟(jì)的清潔能源，無需建設(shè)電力通信設(shè)施，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低成本的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，用戶通過非現(xiàn)場監(jiān)控終端和微計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚農(nóng)作物生長環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測，自動(dòng)控制加溫

器、保濕幕布、通窗、補(bǔ)光燈等環(huán)境調(diào)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的智能調(diào)節(jié)。通過提供地方特色化、低成本的農(nóng)業(yè)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的行業(yè)解決方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，促進(jìn)新疆農(nóng)業(yè)的信息化轉(zhuǎn)型升級(jí)[1]。筆者在此對(duì)該程序的總體設(shè)計(jì)、工作原理、硬件部分和軟件程序設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)概述。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)邏輯上分為上位機(jī)、GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊、主機(jī)、485總線網(wǎng)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)等五大部分，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。為了保證系統(tǒng)工作可靠性和適用性，硬件設(shè)計(jì)上將GPRS模塊（SIM900A）分別集成在上位機(jī)和主機(jī)上，將多個(gè)485總線模塊（SP3485E）分別集成在主機(jī)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)上，物理上將系統(tǒng)硬件分為上位機(jī)、主機(jī)、從機(jī)三大部分，確保系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件通過GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。主機(jī)節(jié)點(diǎn)作為控制核心完成三部分功能，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)建立與上位機(jī)監(jiān)控終端的通信連接，傳遞環(huán)境參數(shù)和控制命令；通過繼電器陣列控制各大棚的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，如控溫系統(tǒng)、水泵濕幕、補(bǔ)光燈和風(fēng)機(jī)通窗等環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備；通過485總線型局域網(wǎng)連接各大棚各從機(jī)節(jié)點(diǎn)，廣播從機(jī)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境檢測命令、接收唯一響應(yīng)的從機(jī)地址和環(huán)境參數(shù)。各從機(jī)節(jié)點(diǎn)通過485總線網(wǎng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議與主機(jī)通信，接收對(duì)應(yīng)的測試命令后啟動(dòng)參數(shù)檢測功能，并上傳從機(jī)地址和農(nóng)業(yè)參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1 上位機(jī)部分

系統(tǒng)的上位機(jī)部分由監(jiān)控工作站和GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊（SIM900A）組成，工作站安裝監(jiān)控軟件和SQL Server數(shù)據(jù)庫。工作站的串行異步收發(fā)接口RS232的RXD和TXD端分別與GPRS模塊RS232的TXD_O和RXD_I連接，傳輸速率均設(shè)為9 600 bps，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與大棚主機(jī)遠(yuǎn)程通信，傳輸農(nóng)業(yè)參數(shù)和控制命令，接口電路如圖2所示。GPRS模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持TCP/UDP通信，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)上行42 800 bps、下行85 600 bps，符合系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸要求，且讓后期的擴(kuò)展改造和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)留有極大的余地[2]。圖2中GPRS模塊以移動(dòng)GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Internet 網(wǎng)絡(luò)為載體，上位機(jī)和大棚主機(jī)采用對(duì)等連接（P2P）方式，通過 AT 指令配置GPRS 模塊網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（APN）及屬性，通過 PPP 協(xié)議與GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）之間進(jìn)行鏈路協(xié)商，獲取 IP 地址接入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，建立上位機(jī)數(shù)據(jù)中心與主機(jī)之間的 TCP連接，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。GPRS網(wǎng)絡(luò)是一種分組交換的移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，不同于一般的電路交換和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的通信方式，它采用數(shù)據(jù)封包的傳輸方式并間歇性占用帶寬資源，具有“永遠(yuǎn)在線”的特點(diǎn)但無需頻繁連接，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)流量包的方式進(jìn)行計(jì)費(fèi)，通信資費(fèi)極為經(jīng)濟(jì)，非常適用于農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控間隙產(chǎn)生的突發(fā)性數(shù)據(jù)流量[3]。

2.2 主機(jī)部分

系統(tǒng)的主機(jī)部分包括GPRS模塊（SIM900A）、主控器、485總線（SP3485E）、執(zhí)行結(jié)構(gòu)和風(fēng)能電力系統(tǒng)等五大模塊組成。主控器以MSP430F149最小系統(tǒng)為控制核心。該最小系統(tǒng)電路采用Altium Designer設(shè)計(jì)，電路接口使用NET來標(biāo)示，模塊接口劃分清晰（圖3）。MSP430F1X系列微計(jì)算機(jī)是TI公司推出的超低功耗Flash控制器[4]，主要特點(diǎn)是：①快速響應(yīng)處理能力。采用16位精簡指令集結(jié)構(gòu)（RISC），150 ns指令周期，睡眠模式下中斷喚醒時(shí)間≤6 μs。②片內(nèi)資源豐富，控制簡便。采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，全部模塊均位于同一地址空間，成員均為軟件控制，2個(gè)16位計(jì)時(shí)器Timer_A/B和2個(gè)RS232串口（UART_0/1）能滿足主機(jī)與GPRS模塊和從機(jī)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳送同步。③工作能耗業(yè)界最低。系統(tǒng)處于低功耗睡眠模式（LPM）時(shí)電流≤0.7 μA，中斷喚醒僅需6.0 μs，活動(dòng)模式（AM）下工作電流≤3.0 μA，具有體積小、低功耗、快速響應(yīng)、成本低廉的特點(diǎn)，易于集成在智能儀器儀表中。

在主機(jī)中，主控器的串口UART_1連接SIM900A，通過移動(dòng)運(yùn)營商的GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建立與工作站監(jiān)控終端的遠(yuǎn)程無線通信，執(zhí)行P2P連接方式傳輸控制命令和農(nóng)業(yè)參數(shù)。主控機(jī)的UART_0連接SP3485，通過485總線網(wǎng)將包含目的地址的數(shù)據(jù)報(bào)廣播到局域網(wǎng)的所有站點(diǎn)上，各站點(diǎn)被中斷喚醒后效驗(yàn)從機(jī)地址是否對(duì)應(yīng)，進(jìn)入AM模式將站點(diǎn)地址、環(huán)境參數(shù)封裝數(shù)據(jù)包反饋給主機(jī)。主機(jī)效驗(yàn)從機(jī)地址后，檢查環(huán)境參數(shù)是否超過限位閥值，若超出限定值，傳遞參數(shù)給遠(yuǎn)程服務(wù)器的同時(shí)，按照譯碼器原理驅(qū)動(dòng)繼電器陣列啟動(dòng)加溫器、通窗、水泵等環(huán)境調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將參數(shù)調(diào)節(jié)到正常范圍。

主控器和各大棚的各從機(jī)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，各站點(diǎn)通過SP3485E模塊連接在總線網(wǎng)上，局域網(wǎng)工作的層次跨域數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。主控器與從機(jī)執(zhí)行客戶-服務(wù)器（C/S）連接方式，數(shù)據(jù)鏈路層采用多點(diǎn)線路探詢接入控制，針對(duì)大棚監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不高的特點(diǎn)，主機(jī)在總線網(wǎng)上廣播主機(jī)MAC幀、從機(jī)MAC幀唯一響應(yīng)的方案避免多點(diǎn)接入碰撞的，與星型網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)相比通信成本更為經(jīng)濟(jì)。局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)報(bào)的MAC幀分為主機(jī)MAC幀和從機(jī)MAC幀，MAC幀格式（圖4）中，鏈路層數(shù)據(jù)報(bào)采用可變長字段，幀定界符SOH和EOT規(guī)定MAC幀的最大數(shù)據(jù)傳送單元（MTU），幀效驗(yàn)序列FCS采用循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC-16=X16+X15+X2+1，保證站點(diǎn)通信的準(zhǔn)確性。

新疆地區(qū)有著豐富的西北風(fēng)力資源，使用獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)能電力系統(tǒng)給郊區(qū)大棚提供成本經(jīng)濟(jì)的環(huán)保能源，系統(tǒng)由5 kW小型風(fēng)電機(jī)、鎮(zhèn)流器、電池組和逆變器等組成（圖5），風(fēng)電機(jī)輸出的交流電能，整流變換為直流后對(duì)蓄電池組充電，蓄電池組直接向主機(jī)提供直流電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流向執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電。資料顯示，克拉瑪依市位于準(zhǔn)噶爾盆地西部風(fēng)區(qū)，主要為西北風(fēng)源，風(fēng)能蘊(yùn)藏量大，年平均風(fēng)速4～5 m/s，年風(fēng)速利用時(shí)間4 500～5 500 h，可裝機(jī)容量20 MkW。綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)后（表1），選定5 kW小型風(fēng)電機(jī)即可滿足大多數(shù)大棚電力需求。根據(jù)現(xiàn)有的風(fēng)車技術(shù)，大約3 m/s的風(fēng)速（微風(fēng)的程度）即可發(fā)電，還可通過擴(kuò)容風(fēng)電機(jī)組和電池組的方法提高裝機(jī)容量[6]。

2.3 從機(jī)部分

從機(jī)以MSP430F1232為控制核心，與傳感器芯片、485總線（SP3485E）組成從機(jī)節(jié)點(diǎn)。MSP430F1232是TI公司封裝體積最小的微計(jì)算機(jī)，AM電流≤6 μA，響應(yīng)時(shí)間6 μs，LPM電流≤1 μA，1個(gè)UART口連接總線網(wǎng)，設(shè)定P3.1、P3.2口連接傳感器芯片的I2C雙總線（SCL時(shí)鐘線、SDA數(shù)據(jù)線）適用于低功耗的小型化傳感器。每個(gè)大棚分別安裝大氣溫濕度、光照度、CO2、土壤溫度水分等4個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)，可測6項(xiàng)參數(shù)，傳感器性能指標(biāo)如表2所示。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)上位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，在VC6.0和SQL Server2008平臺(tái)上共同構(gòu)建農(nóng)業(yè)大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控的控制程序和軟件界面，上位機(jī)監(jiān)控程序通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，采用P2P方式與主機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、限位值報(bào)警、環(huán)境參數(shù)調(diào)控等遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，上位機(jī)監(jiān)控中心的軟件界面如圖6所示。

3.2 GPRS通信協(xié)議

上位機(jī)和主機(jī)進(jìn)行GPRS通信之前通過AT指令對(duì)SIM900A模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定通信速率、IP地址、GPRS、INTERNET等連接參數(shù)，主要有以下幾個(gè)設(shè)置：

①AT+IPR =9 600，設(shè)置GPRS模塊通信速率為9 600 bps；

②AT+CGDCONT = 1，"IP"，"CMNET"，將GPRS接入網(wǎng)關(guān)設(shè)置為中國移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)；

③AT+CGCLASS ="B"，將 GPRS 模塊設(shè)置為單一GPRS業(yè)務(wù)運(yùn)行模式；

④AT+CGACT = 1，在SIM 卡開通GPRS業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上激活GPRS功能，若返回SEND OK，則GPRS連接成功；

⑤AT+CLPORT="TCP"，"2000"，設(shè)定本地偵聽的TCP的PORT；

⑥AT+CIPSTART="TCP"，"219.247.35.178"，"8086"，設(shè)置公網(wǎng)IP和PORT，建立TCP連接，模塊返回OK，說明TCP連接成功。

3.3 軟件流程圖

主機(jī)完成與上位機(jī)和從機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊、檢測大棚的環(huán)境參數(shù)及控制環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

基于GPRS和風(fēng)電能源的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)是針對(duì)新疆農(nóng)業(yè)大棚的特色化監(jiān)控技術(shù)，利用新疆風(fēng)力資源和成熟的風(fēng)電技術(shù)揚(yáng)長避短地解決了大棚遠(yuǎn)程電力供應(yīng)，利用GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控，顯著地降低監(jiān)控成本。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路，通過模塊化結(jié)構(gòu)提高監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，是一套智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，既可應(yīng)用在各種溫室大棚，還可以擴(kuò)展西北地區(qū)的太陽能源和其他從機(jī)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于新疆的棉花農(nóng)場和畜牧大棚的監(jiān)控，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張新友.新疆開發(fā)利用風(fēng)能資源的思考[J].實(shí)事求是，2011（3）：62-63.

[2] 謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：79-111.

[3] 王戰(zhàn)備.基于GPRS的茶園土壤溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，6（6）：186-189.

[4] 陳樹成，楊志勇.低功耗農(nóng)業(yè)大棚溫濕度測量儀設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，8（8）：62-65.

[5] 王婉，李笑倩.利用小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建綠色環(huán)保小區(qū)[J].現(xiàn)代電力，2009，12（26）：54-57.

[6] 周偉.新疆風(fēng)力資源分布狀況及風(fēng)力發(fā)電前景展望[J].新疆農(nóng)機(jī)，2009，2（1）：61-63.