山地橘園灌溉機組短信遠程控制系統的設計

摘要：為解決山地柑橘園灌溉控制問題，研發了一種短信遠程控制系統。系統采用模塊化設計，主要由電源模塊、控制模塊、通信模塊、觸發模塊、驅動模塊和指示燈與語音警示模塊等組成，其中控制模塊采用ＭＳＰ４３０，通信模塊采用ＧＳＭ短信模塊，可實現灌溉的遠程控制、語音警示和短信息反饋，適用各類手機或無線電話。收發短信號碼可根據需要隨時改變，可防電話騷擾和刪除已讀短信。該控制系統可方便安裝在現有電動灌溉機組上，具有通用、低成本、擴展性能好、穩定可靠等特點，應用前景良好。

關鍵詞：ＧＳＭ；灌溉；遠程控制

中圖分類號：Ｓ２３７；ＴＮ９１９．７２文獻標識碼：Ｂ文章編號：0439－８114（２０11）11－2343-02

Design of A Message Control System for Irrigation Pump Set in Mountain Citrus Orchards

ＭＡ Ｍｉｎ，ＦＡＮ Ｑｉ－ｚｈｏｕ，ＺＨＯＵ Ｂｏ，ＤＥＮＧ Ｚａｉ－ｊｉｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７０， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｍｏｕｎｔａｉｎ ｃｉｔｒｕｓ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ， ａ ｍｅｓｓａｇｅ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａd ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ waｓ ｍｏｄｕｌａｒ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ． Ｉｔ was ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ ａ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ， ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ， ａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ， ａ ｔｒｉｇｇｅｒ ｍｏｄｕｌｅ， ａ ｄｒｉｖｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ａ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｖｏｉｃｅ ｗａｒｎｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ waｓ ｔｈｅ ＭＳＰ４３０ ｃｈｉｐ． Ａ ＧＳＭ ｍｏｄｕｌｅ waｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｅｒｖｅ ａｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ， ｗｈｉｃｈ ｅｎａｂｌｅd ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｖｏｉｃｅ ａｌｅｒｔｓ ａｎｄ ｍｅｓｓａｇｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ． Ｉｔ ａｌｓｏ ｃｏｕｌｄ be ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅ ｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｈｏｎｅ． Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ ｎｕｍｂｅｒ ｆｏｒ ｍｅｓｓａｇｅ ｓｅｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｈａｎｇｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｎｅｅｄ． Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ａｌｓｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ ｈａｒａｓｓｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｌｅｔｅ ｒｅａｄ ｍｅｓｓａｇｅｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｐｕｍｐ ｓｅｔｓ． Ｗｉｔｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｇｏｏｄ ｖｅｒｓａｔｉｌｉｔｙ， ｌｏｗ ｃｏｓｔ， ｇｏｏｄ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ， ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｈａｖｅ ａ ｇｏｏｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＧＳＭ； ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ； ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ

在丘陵、山區的柑橘園，多與果農居住地相距較遠，普通灌溉機組人工操作費工費力，灌溉時間和灌溉量不易把握，造成灌溉不及時或過量等。引進的國外現代灌溉系統功能較全，但因山地地勢及水源等條件限制，建設與應用成本高，難維護、管理和推廣，幾乎僅限于示范地。結合中國國情，在合理利用現有灌溉系統基礎上，研發一種適合果農使用的低成本、通用、可遠程控制的柑橘園灌溉控制系統顯得十分必要。

ＧＳＭ移動通信網絡應用成熟穩定，在農業設施領域已經展開研究與應用。有開展ＧＳＭ對溫室溫濕度實時控制的應用研究；有利用ＧＳＭ實現谷物產量的實時采集、存儲于無線發送；有設計基于ＧＳＭ的水渠水位自動測報系統，實現水位信息的自動采集、存儲、遠程通信和實時查詢；有展開基于ＧＳＭ的農田氣象信息采集、傳輸和監控系統的應用研究；有開發基于ＧＳＭ短信模塊的農田灌溉控制器，實現對農田灌溉的遠程自動控制［１－５］。試驗在合理利用山地柑橘園現有電動灌溉機組的基礎上，開發了一套基于ＧＳＭ短信模塊的低成本、通用、擴展性能好的柑橘園灌溉遠程控制系統，實現灌溉遠程控制、語音警示和控制狀態的短信息反饋。

１系統構成及功能

試驗設計的柑橘園遠程灌溉系統，由ＧＳＭ短信模塊、單片機、指示燈與語音警示模塊、固態繼電器、觸發模塊、電源模塊、電動水泵機組和手機組成。用戶使用手機發送短信控制指令來控制電動水泵機組工作，進而控制柑橘園的灌溉。系統構成原理圖如圖１所示。ＧＳＭ采用華為公司生產的ＧＴＭ９００Ｃ無線模塊，一款兩頻段ＧＳＭ／ＧＰＲＳ無線模塊，支持標準ＡＴ命令及增強ＡＴ命令，提供豐富的語音、短信、ＧＰＲＳ數據和電路型數據業務以及來電顯示、呼叫轉移、呼叫保持、呼叫等待、三方通話、組呼、廣播和私密呼叫等功能。單片機采用ＴＩ公司生產的ＭＳＰ４３０，一類具有精簡指令集、超低功耗、帶ＦＬＡＳＨ的１６位單片機，可在線對單片機進行調試和下載，且ＪＴＡＧ口直接和ＦＥＴ（ＦＬＡＳＨ ＥＭＵＬＡＴＩＯＮ ＴＯＯＬ）的相連，無需另外的仿真工具，方便實用，在超低功耗模式下工作，對環境和人體的輻射小，可靠性強，防強電干擾，適應工業級的運行環境，性價比和集成度高［６］。指示燈與語音警示模塊采用ＬＥＤ燈與工業化生產的單片語音集成電路，觸發電路采用固態繼電器觸發電路，電源模塊采用１２ Ｖ蓄電池組。

ＧＴＭ９００Ｃ無線模塊串口與ＭＳＰ４３０串口直接連接，ＧＴＭ９００Ｃ無線模塊接收手機短信控制指令，再將短信控制指令發送給ＭＳＰ４３０，單片機依此通過控制固態繼電器（ＳＳＲ）來驅動水泵開啟或關閉，并打開相應語音警示和指示燈，ＧＴＭ９００Ｃ無線模塊再給手機回復短信，指示控制已完成。該系統適用各種手機或無線電話，可防電話騷擾、刪除已讀短信以及更換手機號后亦可實現對新號的默認。

２系統硬件的設計

該系統采取模塊化設計，主要分為電源模塊、控制模塊、通信模塊、觸發模塊、驅動模塊和指示燈與語音警示模塊。

電源模塊為１２ Ｖ蓄電池組，及由Ｌ７８０９、Ｌ７８０５和ＬＭ３１７芯片組成的＋１２ Ｖ電源分別穩壓為＋９ Ｖ、＋５ Ｖ和＋３．３ Ｖ的穩壓電路，為后續幾大模塊供電。控制模塊即ＭＳＰ４３０單片機最小系統核心板，＋５ Ｖ或＋３．３ Ｖ供電，由供電、晶振、上電復位、排針和ＪＴＡＧ接口電路組成，負責處理與ＧＳＭ通信模塊之間的通信以及控制指示燈與語音警示模塊和觸發模塊。通信模塊即ＧＴＭ９００Ｃ短信模塊，＋９ Ｖ供電，主要由ＧＳＭ基帶處理器、ＧＳＭ射頻模塊、供電模塊（ＡＳＩＣ）、閃存、ＺＩＦ連接器、天線接口、ＵＡＲＴ接口和ＳＩＭ卡接口電路組成，主要負責收發手機短信控制指令，以及將控制指令發送給單片機并傳遞單片機返回的信息。控制模塊與通信模塊之間采用ＲＳ２３２串口通信，本系統兩者電平兼容，串口直接相連。驅動模塊采用固態繼電器，觸發模塊主要是固體繼電器觸發電路，原理圖見圖２。指示燈與語音警示模塊主要是由兩路ＬＥＤ燈和兩路單片語音集成電路構成。ＬＥＤ燈電路由１ ｋΩ電阻和ＬＥＤ燈組成，單片機ＩＯ口直接驅動，一路作為單片機開機指示燈，另一路作為短信發送狀態指示燈。語音集成電路由語音集成芯片和揚聲器組成，＋３．３ Ｖ供電，脈沖觸發，一路作為運行指令的語音警示，另一路作為停止指令的語音警示，考慮成本，暫選用市面上已大規模應用的語音模塊，規模化后可批量定制相應語音模塊。

３系統程序的設計

ＧＳＭ移動網絡運營商提供短信業務，一次可傳輸１４０英文字符或７０漢字字符，完全適用柑橘園灌溉短信控制指令。ＧＳＭ收發短信有兩種模式：基于ＡＴ命令的ＴＥＸＴ模式和基于ＡＴ命令的ＰＤＵ模式。華為公司的ＧＴＭ９００Ｃ均支持兩種模式，考慮到ＴＥＸＴ模式易于編程，本系統采用ＴＥＸＴ模式。本系統收發短信分別采用ＡＴ＋ＣＮＭＩ指令和ＡＴ＋ＣＭＧＣ指令。先測試ＧＳＭ與ＰＣ機通信程序，整理出程序框架與流程，再對照編寫ＧＳＭ與單片機通信程序。程序的核心在于對串口接收到的數據的判定。單片機編程使用Ｃ語言，主程序流程圖見圖３。

４小結

該文所論述的山地柑橘園灌溉遠程控制系統主要采用模塊化設計，便于應用到現有柑橘園滴灌系統上，亦可應用到先進的現代灌溉自動控制系統中，建設與應用成本低，后續擴展空間大，已裝成樣機，并申請幾項相關專利。系統在華中農業大學工學院工科基地進行了試驗，效果穩定，達到了預期設計目的。圍繞柑橘園灌溉系統，有大量工作可開展。合理利用現有灌溉系統，綜合運用信息技術、自動控制技術和傳感器技術，采用模塊化設計理念及系統工程的原理，統籌規劃，可減少資金、能源和人力投入，降低生態負荷，營造柑橘生長需要的生態環境，有效施肥，防病蟲害，可促進柑橘產業發展和生態和諧。

參考文獻：

［１］ 句榮輝，沈佐銳．基于短信息的溫室生態健康呼叫系統［Ｊ］．農業工程學報，２００４，２０（３）：２２６－２２８．

［２］ 周國祥，周俊，苗玉彬，等．基于ＧＳＭ的數字農業遠程監控系統研究與應用［Ｊ］．農業工程學報，２００５，２１（６）：８７－９１．

［３］ 潘崢螓，徐猛．基于ＧＳＭ短消息的水渠水位自動測報系統［Ｊ］．計算機工程，２００７，３３（７）：２３４－２３６．

［４］ 郭志偉，張云偉，李霜，等．基于ＧＳＭ的農田氣象信息遠程監控系統設計［Ｊ］．農業機械化學報，２００９，４（３）：１６１－１６６．

［５］ 楊耿煌，郭開榮，李亞偉．基于ＧＳＭ短信平臺的灌溉自動控制器的開發［Ｊ］．沈陽農業大學學報，２００５，３６（６）：７５３－７５５．

［６］ 胡大可．ＭＳＰ４３０系列ＦＬＡＳＨ型超低功耗１６位單片機［Ｍ］．北京：北京航空航天大學出版社，２００１．

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文