基于GSM/GPRS的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃 培，徐立鴻，王樂達(dá)，蔚瑞華

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海201804）

為合理利用農(nóng)業(yè)資源，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，將現(xiàn)代電子﹑計(jì)算機(jī)﹑通信和自動控制等技術(shù)引進(jìn)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必由之路。在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢下，由于部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境地點(diǎn)偏僻、位置分散等因素的制約，采用有線的方式對其進(jìn)行監(jiān)控面臨眾多的瓶頸問題，例如以太網(wǎng)接入不便、RS-485總線傳輸距離有限等。

近年來興起了很多無線組網(wǎng)技術(shù)，如將ZigBee技術(shù)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測[1]、溫濕度數(shù)據(jù)采集[2]等。 但是ZigBee技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在很多缺點(diǎn)，例如易受干擾、通信距離短、不適合遠(yuǎn)程監(jiān)控等。移動公網(wǎng)GSM/GPRS通信技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益受到人們的關(guān)注。GSM/GPRS有覆蓋域廣﹑接入迅速﹑按量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸中具有很好的優(yōu)勢。

本文通過采用GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種對溫室群進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)，使操作者可通過GSM網(wǎng)絡(luò)提供的SMS短消息業(yè)務(wù)或GPRS兩種方式獲取溫室現(xiàn)場狀態(tài)和下發(fā)控制命令。溫室現(xiàn)場具備緊急情況下自動控制的功能。系統(tǒng)由于加入了通過手機(jī)短消息進(jìn)行監(jiān)控的方法，為溫室遠(yuǎn)程控制提供了一種更為靈活的方式。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)分為三部分：控制端(分為控制中心Server和移動控制端)、GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸層和溫室現(xiàn)場終端?？刂浦行腟erver負(fù)責(zé)溫室現(xiàn)場環(huán)境參量的顯示和存儲，并可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)下發(fā)命令。移動控制端指操作者通過手機(jī)短消息實(shí)施監(jiān)控的方式，若操作者不在控制中心，可通過手機(jī)發(fā)短消息查詢溫室環(huán)境參量，并下發(fā)控制指令，保證遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)施的靈活性。溫室現(xiàn)場終端負(fù)責(zé)3個方面的任務(wù)：(1)溫室現(xiàn)場環(huán)境參量的采集和無線發(fā)送；(2)控制端指令的接收和執(zhí)行；(3)終端內(nèi)運(yùn)行溫室控制算法，擁有對部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直接控制權(quán)，執(zhí)行緊急情況下自動控制的功能。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

控制中心Server具有固定公網(wǎng)IP地址。上位機(jī)界面基于Visual C++開發(fā)，具備數(shù)據(jù)實(shí)時顯示和存儲的功能，通過ADO技術(shù)連接Access數(shù)據(jù)庫，方便操作人員查詢歷史數(shù)據(jù)。溫室現(xiàn)場終端和控制中心Server工作于C/S模式，Server端建立一個監(jiān)聽Socket，在Socket上建立消息響應(yīng)函數(shù)來接收溫室現(xiàn)場終端的連接請求，并用來接收GPRS數(shù)據(jù)。當(dāng)兩者TCP連接建立后，Server端通過掃描指定端口，讀取溫室現(xiàn)場終端上傳的溫室環(huán)境參量信息。

2 硬件設(shè)計(jì)

由于溫室環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，在溫室現(xiàn)場終端硬件設(shè)計(jì)中需要考慮如下兩個因素：

(1)控制終端是整個系統(tǒng)信息交互的中心，既要定時上傳傳感器數(shù)據(jù)，又要接受遠(yuǎn)程指令的查詢和控制，數(shù)據(jù)流量較大，對MCU的內(nèi)存和處理速度有一定要求。

(2)被控溫室在無人值守的情況下，為應(yīng)對異常情況的出現(xiàn)，溫室控制終端需具備自動復(fù)位的能力。

基于這兩種因素，終端MCU選用STC12C單片機(jī)，STC12C是單時鐘/機(jī)器周期(1 T)單片機(jī)，速度比普通8051快8～12倍。內(nèi)置看門狗復(fù)位電路，當(dāng)看門狗沒有被定時清零時，將引起復(fù)位，從而防止程序陷入死循環(huán)。終端硬件設(shè)計(jì)采用嵌入式技術(shù)，MCU搭載傳感器、GPS模塊和GPRS模塊等。終端硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫室現(xiàn)場終端硬件架構(gòu)圖

MCU通過串口分別連接GPS模塊和GPRS模塊。GPS模塊采用Ubolx公司的高精度UbloxNEO6M。通過GPS模塊在服務(wù)器端顯示溫室的位置信息，同時截取GPS幀里的時間戳，為每一幀上傳至服務(wù)器的傳感器數(shù)據(jù)加上時間標(biāo)記。

傳感器用于監(jiān)測溫室內(nèi)重要的環(huán)境參量，包括溫度、濕度、光照、二氧化碳等。其中溫濕度傳感器采用單總線數(shù)字式傳感器DHT11。DATA引腳用于微處理器與DHT11之間的通信和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，工作后可以一次完整傳輸40 bit溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和。

GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM300，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，支持AT指令集。該模塊負(fù)責(zé)無線通信鏈路的建立，它通過串口與MCU通信，串口工作于模式 1，波特率設(shè)置為9 600 b/s。當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)或者需要發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生串口中斷，MCU響應(yīng)中斷執(zhí)行相應(yīng)處理程序。GPRS模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)上傳和遠(yuǎn)程指令接收兩方面的工作。MCU將傳感器數(shù)據(jù)按通信協(xié)議封裝成幀，交付GPRS模塊定時發(fā)送。GPRS模塊接收到手機(jī)短消息指令或控制中心Server指令時，交付MCU進(jìn)行解析。

溫室現(xiàn)場終端通過GPIO口，驅(qū)動繼電器或電機(jī)執(zhí)行溫室天窗開關(guān)、遮陽網(wǎng)開關(guān)、卷簾收放等動作。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圍繞兩個核心問題：傳感器數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和遠(yuǎn)程指令的接收并執(zhí)行。基于這一思路，采取模塊化的程序設(shè)計(jì)以保證良好的可維護(hù)性。系統(tǒng)任務(wù)由各子程序模塊配合協(xié)作完成。例如分別有模塊執(zhí)行GPRS網(wǎng)絡(luò)TCP通信鏈路的建立、溫室控制算法、通信協(xié)議的執(zhí)行以及短消息指令的分析等。圖3為系統(tǒng)工作流程圖。

3.1 TCP無線通信鏈路建立

GPRS是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中增加GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN和GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)SGSN來實(shí)現(xiàn)的[3]。圖4為通過AT指令使溫室現(xiàn)場終端的GPRS模塊和控制中心Server建立TCP連接的過程。

這一過程的實(shí)現(xiàn)用到的AT指令如下：

控制中心Server需具有公網(wǎng)IP地址，當(dāng)成功建立TCP連接后，可用AT+CIPSEND發(fā)送數(shù)據(jù)到Server。如果要關(guān)閉TCP連接可用AT+CIPCLOSE命令。

3.2 通信協(xié)議和優(yōu)先級

由于控制對象是一個溫室群，每個溫室布置有多種類型傳感器，系統(tǒng)制定了完整的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制來保證控制中心Server和溫室現(xiàn)場終端的正確握手。

為每個被控溫室分配一個獨(dú)有的一級ID，溫室內(nèi)的各個傳感器分配獨(dú)有的二級ID，每幀上傳數(shù)據(jù)的格式為：幀頭 0x21+溫室ID+時間標(biāo)記+傳感器ID+傳感器數(shù)據(jù)+CRC+幀尾 0xFF。

圖3 系統(tǒng)工作流程

圖4 GPRS模塊TCP連接流程圖

由于為溫室提供了SMS和GPRS兩種遠(yuǎn)程控制方法，溫室終端也嵌入了溫室控制算法，使終端擁有對部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制權(quán)，以進(jìn)行緊急情況的判斷處理。為了避免操作的沖突性，系統(tǒng)為每種控制方式分配了不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級從高到低依次為：溫室終端、控制中心Server和移動控制端。當(dāng)出現(xiàn)重復(fù)操作指令時，以優(yōu)先級最高的為準(zhǔn)。不符合通信協(xié)議的指令和數(shù)據(jù)將被直接過濾，避免誤操作和重復(fù)操作情況的發(fā)生。

3.3 溫室控制算法

如果將全部的控制權(quán)交由控制端 (Server端和移動控制端)發(fā)出，對整個系統(tǒng)而言是十分危險的。例如光照傳感器測出當(dāng)前溫室內(nèi)光照強(qiáng)度過大，而此時控制端命令發(fā)生傳輸延遲或命令丟失的情況，這就會導(dǎo)致溫室現(xiàn)場端因?yàn)榈却坏竭h(yuǎn)程命令而不作為的情況。植物很可能因此被強(qiáng)烈的陽光灼傷。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，溫室現(xiàn)場終端擁有對部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直接控制權(quán)，終端內(nèi)運(yùn)行溫室控制算法，將選定的重要溫室環(huán)境參量輸入溫室控制算法進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果判斷是否動作相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)緊急情況下自動控制的功能。

以溫室控制算法中的遮陽網(wǎng)控制算法為例，現(xiàn)場終端得到光照傳感器測得的光照值后，會將其與程序內(nèi)設(shè)定的適合作物生長的光照值做比較，如果實(shí)際值高于設(shè)定值，終端會驅(qū)動電機(jī)關(guān)閉遮陽網(wǎng)，反之驅(qū)動電機(jī)打開遮陽網(wǎng)。圖5所示為溫室遮陽網(wǎng)控制算法的流程圖。

3.4 短消息指令分析

SMS(短消息)是GSM系統(tǒng)提供的一種業(yè)務(wù)，由于采用了短消息中心的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，保證了較高的可靠性[4-5]。下面為基本SMS設(shè)置的精簡程序。

圖5 溫室遮陽網(wǎng)控制算法

GPRS模塊上電啟動后，通過AT指令進(jìn)行基本SMS的設(shè)置，如“AT+CSCS=UCS2”設(shè)置所使用字符集為UCS2，“AT+CMGF=0”設(shè)置使用 PDU模式。

對于移動控制端指令，需統(tǒng)一消息幀頭，以方便溫室終端的提取和分析。本系統(tǒng)中所有的短消息指令都以“wenshictr”開頭。如果操作者發(fā)短消息“wenshictr+hum=？”至某溫室詢問濕度值，該溫室現(xiàn)場終端收到后，MCU通過AT+CMGR指令讀出消息幀，去除幀的時間標(biāo)記等內(nèi)容，將控制指令提取出來，然后將實(shí)時濕度值經(jīng)過UCS2編碼，打包成 PDU幀的格式通過“AT+CMGS”指令回復(fù)給操作者。當(dāng)指定參量超出閾值，通過“ATD＜電話號碼>”指令可實(shí)現(xiàn)電話報(bào)警的功能。

本系統(tǒng)在溫室現(xiàn)場經(jīng)過驗(yàn)證，運(yùn)行良好，GPRS傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，實(shí)時性較好。但由于移動公司的限制，發(fā)送數(shù)據(jù)的周期最好設(shè)置在幾分鐘以內(nèi)。因?yàn)橐欢〞r間內(nèi)如果通信鏈路沒有產(chǎn)生流量，移動公司會取消分配給GPRS模塊的網(wǎng)內(nèi)IP。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是針對偏僻分散溫室群的監(jiān)控，但也可用于其他需要遠(yuǎn)距離監(jiān)控的場合，具有良好的可移植性。

[1]宦娟，劉星橋，程立強(qiáng)，等.基于ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2012，39(1)：34-38.

[2]李永成，凌青，吳剛，等.基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)無線采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(7)：61-63.

[3]盧偉，楊建華，袁雪堯.基于GPRS的嵌入式數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)傳系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011，27(1)：12-13.

[4]朱萬貴，鄭國君，顧新建，等.基于SMS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2003，25(12)：32-34.

[5]周國祥，周俊，苗玉彬，等.基于GSM的數(shù)字農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(6)：87-91.