一種基于GPRS的森林防火遠程數據傳輸系統

惠鵬飛，姚仲敏，陶佰睿，苗鳳娟

(齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

責任編輯:薛 京

近幾年來，國內外發生的多起重大森林火災，給生態環境帶來嚴重破壞，也嚴重威脅著人們的生命和財產安全，做好森林防火工作對保護生態環境和國家的可持續發展具有重大意義。傳統的森林火災的監測措施主要以探測火源和預防為主，采用地面巡防、航空巡防等方法，這些方法難以反映森林的溫度、濕度、空氣中二氧化碳含量等氣象因素動態變化的情況，從而導致監測信息實時性較差，監測效果并不十分理想，實際應用情況受到限制［1－2］。

本文基于單片機和GPRS技術，設計了森林防火預警遠程數據傳輸系統，該系統能夠對森林各位置的數據進行實時監測，并及時將相關數據發送到數據中心，通過對森林各項指標的分析，了解森林各地點的信息情況，做到防患于未然，在第一時間消除隱患，減小人力、物力的浪費以及經濟損失。設計結果表明，該系統可在森林防火領域廣泛推廣，具有重要的理論參考價值和實用價值。

1 系統硬件電路設計

1.1 總體設計方案

傳輸系統包括硬件和軟件兩部分，數據采集端的系統硬件以單片機和GPRS模塊為核心。軟件設計包括上位機軟件、下位機軟件以及數據庫。單片機通過使用AT命令控制GPRS模塊工作，將森林內的信息數據傳輸出去，實現數據傳輸的過程，對森林的各項信息進行實時監測，數據存儲在數據庫內，可以對數據庫內的數據進行查詢。

利用串口實現單片機與GPRS模塊的互聯，GPRS模塊采用SIMCON公司開發的具有GSM/GPRS雙頻特性的SIM300模塊。GPRS無線通信已經被模塊化，用戶只需要負責GPRS模塊與自己的處理器之間的通信，即可實現GPRS無線通信［3－4］。上位機軟件設計主要以 Borland C++Builder6.0界面編程軟件為開發平臺，利用Socket套接接口組件實現網絡通信，利用ADO控件實現與SQL Server 2000數據庫進行連接。在下位機軟件設計中，主要包括系統程序的設計和AT指令的發送，采用Keil4編寫單片機程序，從而實現單片機發送AT指令，控制GPRS模塊工作。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

1.2 GPRS和單片機串口通信

SIM300模塊擁有天線連接器和天線焊點兩種RF天線接口，內部集成了TCP/IP協議棧，同時擴展了TCP/IPAT指令［5］。SIM300模塊的雙串行通信接口，包括串口1和串口2，其中串口1的接口具有7根數據、狀態線，可以用作GPRS服務和發送控制模塊AT命令，同時可以使用多路復用功能，此功能不能和串口2同時使用，默認比特率為115 200 bit/s［6］。串口2的接口只有TXT和RXD兩根數據線，沒有狀態和控制線，此外，串口2只能用來傳輸AT命令。

以MCU為控制端的無線通信模塊應用開發，通常是用單片機直接與模塊的串口連接，然后在MCU中編寫程序來控制模塊，SIM300模塊的串口管腳工作電平是TTL電平，單片機的串口管腳的工作電平也是TTL電平，因此，SIM300模塊的串口線直接與單片機的串口線進行連接。

1.3 電源電路

SIM300的供電采用LM2576芯片。LM2576芯片是一款高電流、高精度、低壓差穩壓器，能提供降壓開關穩壓器的各種功能，能驅動3 A的負載，有優異的線性和負載調整能力，在固定輸出電壓和輸出負載條件下保證輸出電壓 +4%誤差［7］。SIM300 模塊的工作電壓是3.4 ～4.5 V，模塊在發送是電流約2 A，會因線路阻抗產生壓降使VBAT電壓不穩，因此，對模塊的供電不大于2 A流量。電源電路圖如圖2所示。

圖2 電源電路圖

電源對模塊非常重要，一旦電源上產生擾動、干擾，都可能造成模塊的死機，因此在電源管腳上應放置電容，并行連接。

2 系統軟件設計

2.1 上位機軟件設計

本系統選擇BorlandC++Builder 6.0作為軟件界面設計的工具。系統主界面主要包括GSM、GPRS和查詢窗口3個部分，使用者通過點擊按鈕進入軟件管理。主菜單界面添加MainMenu組件，添加GSM、GPRS和查詢3個按鍵，當登錄軟件界面后，打開主菜單界面，點擊按鍵，可進行信息查詢。

通過主菜單進入到GPRS界面，當程序執行后將顯示網絡連接到的本地IP地址，以及程序中設置的PC端口等信息，同時當點擊“IP_Get”按鈕后，將獲取到公網IP地址。GRPS界面主要包括公網地址IP、本地地址IP、對方IP、GPRS發送和GPRS接收等編輯顯示框。

查詢界面設計包括對對森林溫度、濕度、空氣中二氧化碳含量、風速以及監測地點的數據顯示。在ComboBox編輯框內可以搜索Temperature，Humanity等信息，通過點擊Button組件的“搜索”按鍵，顯示數據庫中所存儲的數據變化情況，從而及時了解影響森林火災發生的數據信息，查詢部分界面設計主要用于實現對數據庫信息的查詢和顯示功能。調整組件布局后GPRS界面如圖3所示。

2.2 數據庫設計

圖3 GPRS界面(截圖)

選擇SQL Server 2000作為數據庫平臺，數據庫全面支持Web，可以利用Web分析、處理、查詢數據，因此，這種數據庫解決方案是完全支持Web的。它具有的客戶機/服務器(C/S)體系結構，采用了Transact－SQL語言在客戶機與服務器之間傳遞客戶機的請求與服務器的處理結果。數據庫表根據實體屬性定義各個字段名稱，設置主鍵可以避免表內容的重復沖突，表中要根據列名來定義不同的數據類型，如溫度和相對濕度等可以定義為char型，二氧化碳含量和風速定義為char型，并且可以設置不同的長度來滿足需求。以下是根據需求設計的部分數據庫表格。監測信息表如表1所示。

表1 監測信息表

2.3 網絡通信的實現

Socket實際在計算機中提供了一個通信端口，能夠利用這個端口與其他任何擁有Socket接口的計算機進行通信。應用程序在網絡上傳輸和接收的信息都是利用Socket接口實現的。實現網絡通信的過程需要4個條件:1)通信協議相同;2)通信端口相同;3)遠程IP地址和實際物理IP地址相同;4)當傳輸端發送數據的時候，上位機處于端監聽狀態。當上位機端的服務開啟以后，首先建立連接，監聽終端的Listen Port端口，Accept接受連接請求并發出確認，三次握手完成，雙方即可實現通信，網絡通信程序框圖如圖4所示。

2.4 下位機軟件設計

圖4 網絡通信流程框圖

單片機提供一系列AT命令來完成TCP/IP協議的功能，以簡化應用集成的流程。AT命令是一套用于調制解調器控制的命令，通常以“AT”開頭。相關的命令可以建立或取消UDP和TCP協議，控制GPRS PDP Context(用于數據傳輸的連接)的建立，傳送數據，檢查IP的狀態信息。

系統程序利用C51編寫，運用模塊化的設計思想，主要分為系統初始化、建立連接、數據傳輸以及斷開連接模塊4部分。單片機初始化部分串口設置為工作方式1，即8位數據位和1位停止位;定時器選用定時器1的工作方式2，即8位自動重裝定時器，波特率設為119 200 baud，所以定時器1初值分為TH1=0xFD，TL1=0xFD。初始化時先將串口終端關閉，在與上位機建立連接后打開。

主函數對硬件設備的初始化，進入無限循環，在循環體內部反復執行鍵盤輪詢，串口事件處理和鍵盤事件處理。函數MsgEvent()為串口事件處理函數，按鍵按下之后會發送相應的AT指令，控制GPRS模塊進行工作。GPRS模塊接收到AT指令后會執行相應的操作，同時返回操作結構，本函數就是根據GPRS返回的操作結果判斷模塊是否正常運行，并顯示相應的信息。

3 系統功能測試

3.1 GPRS模塊基本功能測試

在進行硬件調試之前，應該先對GPRS模塊進行基本功能的測試。在測試過程中，首先應將SIM300模塊上插入SIM卡，將模塊的外圍擴展電路板和天線連接好，打開電源，此時顯示SIM300模塊的工作指示燈將亮起，將SIM300模塊的UART1口和計算機的串口通過串口電纜連接起來，選擇通信端口“COM1”，按“打開串口”鍵，界面指示燈顯示為綠色，說明串口連接成功，可以進行數據發送，此時，輸入AT指令即可進行SIM300模塊的基本功能調試。

在發送數據窗口發送AT，按下“發送數據”按鈕，在接收數據窗口返回OK，表明測試成功。發送AT+CMGF=0指令，短信模式設置，返回值OK;發送AT+CMGR=1，讀取SIM卡內的第一條短信，按下“發送數據”按鍵，顯示接收數據，為Unicode碼，通過漢字Unicode碼轉換工具，即可將數據轉換為漢字，讀取信息。

3.2 數據傳輸和查詢測試

單片機通過發送AT指令控制SIM300模塊，對模塊接收執行指令后的返回值，并進行相應校驗。單片機的串口實質上是以位為單位進行接收和發送的，利用協議預定義的起始位、校驗位以及停止位來決定數據幀的封裝格式。

用單片機發送AT指令，在發送指令的過程中，AT指令的字符格式要通過ASCII編碼進行轉換，轉換成二進制數之后，將指令存儲在ROM中，從而利用串口進行接收和發送，AT指令是以字節的形式進行發送的，按回車按鍵表示一條指令發送結束。當模塊收到一條指令之后，GPRS模塊開始執行這條指令。此外，在單片機發送指令的過程中，字節之間可以出現間隔。當模塊執行完指令之后，模塊的返回值以“OD”、“OA”字符開始和結束。

在測試過程中，將SIM卡放入到GPRS模塊中，通過單片機按鍵，實現單片機發送AT指令，控制GPRS模塊，以短信的形式發送數據，實現遠程數據傳輸。單片機與GPRS模塊進行串口通信如圖5所示。

圖5 單片機與GPRS模塊進行串口通信(照片)

在SQL Server2000數據庫中對可以對到森林溫度、濕度、空氣中二氧化碳含量、風速等信息進行查詢，同時在數據庫可以顯示森林監測信息的地點和監測日期。系統程序啟動，進入系統主菜單界面后，點擊“查詢”按鍵，可以對數據庫內所存儲的溫度、濕度、風速、空氣中二氧化碳含量等信息進行查詢，同時在界面中顯示出數據庫內所存數據一段時間內的數據變化曲線，以便更加具體、直觀地反映森林數據信息的變化情況。

此外，數據曲線對比編輯框內，為了清晰、方便地進行數據信息查詢，可同時對溫濕度、風速等信息顯示，因此，如圖6所示分別使用不同的曲線進行數據信息顯示。其中，曲線④代表溫度變化情況，曲線②代表空氣中二氧化碳含量變化情況，曲線①代表濕度變化情況，曲線③代表風速變化情況。

圖6 信息變化曲線圖(截圖)

3.3 下位機數據傳輸測試

在設計過程中，為了實現遠程數據傳輸的過程，采用短信的形式進行發送，為了彌補這一缺陷，利用C++Builder軟件及軟件的Socket控件模擬下位機進行數據傳輸測試，在單機模擬中，當模擬界面與上位機傳輸連接成功后，即可進行數據傳輸。在通信的過程中，在模擬界面內，可以實現將數據發送到上位機GPRS數據接收系統中。同樣，在GPRS界面中，上位機同樣可發送數據到模擬界面，實現雙方通信。數據發送實現結果如圖7所示。

圖7 發送數據結果顯示圖(截圖)

4 小結

本文針對傳統森林防火巡防方式信息化水平低且無法實現實時監測等問題。設計了基于GPRS技術的森林防火遠程數據傳輸系統，采用單片機和GPRS技術以及Microsoft SQL Server 2000與Borland C++Builder 6.0界面編程軟件相結合實現系統設計，采用單片機和GPRS模塊進行串口通信方式，通過單片機發送AT指令控制GPRS模塊，從而搭建系統的硬件框架，以短信的形式將數據發送至主控中心，實現對數據庫中森林各項數據信息的實時監測，能夠在一定程度上預防森林火災的發生。該系統可在森林防火領域廣泛推廣，具有重要的理論參考價值和實用價值。

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