基于GSM網絡的農田灌溉智能控制系統*

黃文晉 侯時迪 趙聰 李坤 胡安正

（湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北襄陽 441053）

物理·技術·應用

基于GSM網絡的農田灌溉智能控制系統*

黃文晉 侯時迪 趙聰 李坤 胡安正

（湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北襄陽 441053）

針對傳統農田水位遠程控制水平低下和水位信息遠程傳輸方式中布線難、傳輸距離有限、入網許可限制等不足，本文基于GSM網絡技術、超聲波傳感器技術和先進的STC89LE52單片機等技術，設計出農田水位信息采集及信息遠程無線傳輸和農田智能灌溉系統裝置．該系統成本低廉、操作簡單、性能穩定可靠，具有一定的市場推廣價值．

農田灌溉 智能控制 GSM 單片機 超聲波測距

目前，國內市面上的智能農業控制系統僅適用于平原大面積，且系統的環境參數多，信息量多，操作復雜，成本較高，一般農戶難以承擔．農田信息具有距離遠、分布散、難管理等特點，為實時檢測及快速反饋農田環境信息，有必要設計一個遠程檢測及控制系統．從國內外田間信息采集系統的研究現狀和方向來看，傳統的遠程監控系統的傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸兩種．無線傳輸方式遠程監控主要采用電臺進行無線數據傳輸，但由于經濟原因和技術缺陷都不能廣泛應用，而對遠程監控系統增加無線通信功能是一個新的切入點．

本文提出一種新型的基于GSM網絡的農田灌溉智能控制系統［1，2］，它利用移動無線通信網絡［3］，讓農戶實時掌握農田水位情況．

1 農田灌溉智能控制系統

農田灌溉智能控制系統主要包括US- 020超聲波測距模塊［4］、水位顯示裝置、報警裝置、RF1101SE無線數據傳輸模塊、GSM主控中心［5］、水位控制裝置等．RF1101SE無線數據傳輸模塊將US- 020超聲波測距模塊測量的水位信息無線傳輸給GSM主控中心，同時水位顯示裝置將實時顯示水位信息，報警裝置根據實時水位作出相應響應；GSM主控中心根據實時測量的水位信息控制抽水設備，同時通過GSM網絡技術［3］將水位信息發送給農場主手機或其他管理中心，農場主也可根據接收到的水位信息發送指令到GSM控制中心，GSM控制中心根據指令作出相應響應，開啟或者關閉抽水設備．

1．1 模型總體外觀圖

在模型圖中（圖1），左邊的為蓄水池模型，中間的為農田模型，右邊的是中央控制系統模型．無線模塊將超聲波實時檢測的農田水位信息傳輸給中央控制系統，中央控制系統實現對信息分析，并發送指令控制抽水設備完成農田水位的智能控制．

圖1 模型總體外觀圖

2 基于GSM網絡的農田灌溉智能控制系統工作原理

本設計通過單片機［4］控制超聲波測距模塊實時測量農田水位情況［2］，超聲波測距模塊將測得的水位信息通過RF1101SE無線模塊傳送至GSM控制中心［5］，主控MCU對水位信息分析判斷后，開啟或者關閉抽水設備；同時，主控MCU通過串口通信方式控制GSM模塊MC35［3］將水位信息發送至農場主的手機或其他管理中心．農場主也可通過手機發送短信至GSM控制中心，主控MCU將接收到的水位信息進行分析判斷后，將控制命令發送給遠端進行相應的控制，間接控制抽水設備，從而達到水位信息遠程檢測和智能灌溉［2］的目的．系統構成如圖2所示．

圖2 系統構成

3 系統設計

3．1US- 020超聲波測距模塊

US- 020超聲波測距［6］模塊可實現2 cm～7 m的非接觸測距功能，供電電壓為5 V，靜態功耗低于3 m A，支持GPIO通信模式，內帶看門狗，工作穩定可靠．在US- 020模塊的Trig端口輸入一個10 μs以上的高電平，可觸發模塊測距；當測距結束時，US- 020模塊的Echo端口會輸出一個高電平，電平寬度為超聲波往返時間之和，即得出所測距離為（高電平時間t*340 m/s）/2．模塊測距的時序如圖3所示．

圖3S- 020測距時序圖

3．2 GSM模塊與單片機通信設計

TC35i新版西門子工業GSM模塊［3］是一個支持中文短信息的工業級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源的范圍為直流3．3～4．8 V，電流消耗——休眠狀態為3．5 m A，空閑狀態為25 m A，發射狀態為300 m A（平均），峰值2．5 A；可傳輸語音和數據信號，功耗在EGSM900（4類）和GSM1800（1類）分別為2 W和1 W，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線．SIM電壓為3 V/1．8 V，TC35i的數據接口（CM OS電平）通過AT命令可雙向傳輸指令和數據，可選波特率為300 b/s～115 kb/s，自動波特率為1．2 kb/s～115 kb/s．它支持Text和PDU格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通過AT命令或關斷信號實現重啟和故障恢復．

3．3 系統軟件設計

為了確定系統能正常發送短信且縮短GSM模塊發送水位信息短信時間，主程序設計為讓GSM模塊先發送短信至用戶手機．本系統主控MCU STC89LE52通過串口通信方式控制GSM模塊向遠程終端發送數據，利用外部中斷來接收數據，確保數據傳輸的同步性和實時性．每接收一位數據，中斷都會響應一次，接收8位為一個有效數據，接收8個數據為一個數據幀．程序流程圖如圖4．

圖4 程序流程圖

4 結論

本文給出了利用GSM網絡的短消息服務及US- 020超聲波測距技術實現農田灌溉智能控制的一種新的實現方法．所設計的控制系統基于發展成熟的GSM網絡，無需其他網絡支持，成本低、覆蓋面廣且穩定、易維護，所以具有很好的應用前景．

1 龐樹杰，楊青，李莉．基于GPS和GSM短消息的農田信息采集系統．農機化研究，2004（1）：1～3

2 潘崢嶸，徐猛．基于GSM短消息的水渠水位自動測報系統．計算機工程，2007，33（7）：234～236

3 西門子TC3X- AT指令集［EB/OL］．2012- 05- 14

4 村田充弘，湯川克巳，郭秀芬．超聲波傳感器．壓電與聲光，1986（03）

5 劉之光，王星．一種GSM接收機設計與實現．硅谷，2011（12）

6 張海英．基于單片機超聲波測距儀的設計．科技信息，（）

*國家大學生創新創業項目“風速風向智能檢測、無線通訊和管理系統”，項目編號：201410519019；“基于無線網絡的智能農業綜合管理平臺模型研發”，項目編號：201410519005和“基于無線傳感網絡的土壤環境監控系統”資助．

黃文晉（1993- ），男，在讀本科生，主要從事無線通信與自動控制．

指導教師：胡安正（1965- ），男，博士，教授，主要從事電子技術研究．

2014- 05- 17）