基于GPRS的農業蔬菜大棚監測系統設計

張捐凈　王敏　郎紅

摘要：為降低蔬菜大棚監測系統的成本，開發基于GPRS無線通信技術的智能監測控制系統。介紹系統的總體結構及軟件、硬件設計思路，并對系統的性能進行測試。試驗結果表明：系統可以很好的滿足數據采集和傳輸實時性要求，具有可靠性高、可擴展性強、操作方便等特點。

關鍵詞：監測系統；GPRS；設計；傳感器；控制器

中圖分類號：TP393.17 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）04-0034-04

科學研究和生產實踐表明，蔬菜大棚的產量直接受環境因素影響，將智能無線監測控制系統應用于蔬菜大棚意義重大。所謂智能化主要是指對蔬菜大棚的溫度、光照、濕度、含氧量、CO2含量等因素進行監測和自動控制，從而建立適合蔬菜生長的環境，提高蔬菜產量。智能化系統大多需要裝設成本較高的通訊線纜，無法滿足大部分農民的需求。隨著農業研究的深入，開發移動環境下的環境信息采集系統成為熱點。采用GSM和GPRS無線通信網作為通信方式，在分布式數據采集系統中有著無可比擬的性價比優勢。GPRS是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端、廣域的無線IP連接。其具有諸多明顯優勢，可以很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。因此，采用基于GPRS的無線通信技術，針對農業蔬菜大棚的實際生產情況，設計一種智能蔬菜大棚的環境因子監測系統。此系統具有可靠性高、可擴展性強、操作方便等特點，并可根據區域特點進行定制安裝，推廣應用前景十分廣闊。

1 監測系統總體結構

系統由單片機控制的溫濕度和光照強庫采集系統、PTR2000數據傳輸系統和GPRS無線發送PC機組成。分布式采集系統作為監測系統的前端，負責感知棚內的環境因子；PTR2000數據傳輸系統負責傳輸分布式監測站點相互之間的數據；GPRS無線發送PC機負責接收數據并通過移動互聯網絡傳輸到外網，然后傳輸到PC機客戶端，便于用戶數據查詢和命令控制。系統結構框圖如圖1所示。

2 監測系統設計方案

2.1 溫濕度傳感器的選擇

傳統傳感器具有以下特點：1） 輸出的是模擬信號，而微處理器只能處理數字信號，因此必須對輸出信號進行A/D轉換。為進行A/D轉換，必須加裝前置放大器、采樣保持器、A/D轉換器等，導致測量電路復雜，且信號容易受到干擾。2） 長期穩定性差，容易受外部條件影響。由于老化和漂移等問題，長期工作后誤差較大，同時精度受電源精度、穩定度的影響較大。為保證精度，對電源的要求較高，增加成本。3） 一致性較差。模擬電路通道（例如檢波電路）不一致，批量生產較為困難，必須進行曲線擬和標定。4） 為進行標定，用戶需要配備復雜而昂貴的標定設備及基準，增加了工作難度和成本投入。

SHT11單片集成傳感器是由Sensirion公司推出的一種全量程標定兩線數字輸出、且可同時測量濕度、溫度和露點的傳感器，它不需外圍元件，直接輸出經過標定的相對濕度、溫度及露點的數字信號，可以有效彌補傳統溫濕度傳感器的不足。

SHT-11內部集成了濕度敏感元件、溫度敏感元件、放大器、A/D轉換器標定數據存儲器（14 b）、數字總線接口以及穩壓電路。溫度傳感器和濕度傳感器在硅片上緊靠在一起，可以準確地測定露點，不會因為兩者之間的溫度差而引入誤差；直接通過A/D轉換成數字量，有效減少模擬傳輸中的干擾；輸出經過標定的數字信號，使傳感器的性能指標一致性和穩定性好，且成本低、使用方便。SHT-11溫濕度傳感器的芯片如圖2所示。

2.2 控制器的選擇

C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片，內部電路包括CIP-51微控制器內核及RAM、ROM、I/O口、定時/計數器、ADC、DAC、SPI和SMBus等部件，即把計算機的基本組成單元以及模擬、數字外設集成在一個芯片上，構成一個完整的片上系統（SoC）。它采用流水線結構，單周期指令運行速度是C8050F系列的12倍，處理速度較快，但價格比較昂貴。

AT89C51單片機是一種帶4 K字節閃爍可編程、可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory），其為低電壓、高性能CMOS8位微處理器，有4 K字節可編程閃爍存儲器、32可編程I/O線、2個16位定時器/計數器、5個中斷源、可編程串行通道、片內振蕩器和時鐘電路。雖然處理速度慢，但價格比較便宜。

在溫度采集不需要高速度的情況下，根據性價比選擇AT89C51單片機作為處理器。

3 監測系統硬件設計

3.1 溫濕度傳感器電路

選用SHT-11作為溫濕度采集芯片，其芯片及其外圍電路構成了傳感器監測電路（如圖3所示）。

3.2 PTR2000無線傳送模塊

此部分由2個PTR2000無線發射接收模塊組成，實現監測點數據的無線傳輸，其原理如圖4所示。

3.3 GPRS無線傳送模塊

單片機控制GPRS模塊負責將數據傳輸到用戶端，其組成以及外圍電路如圖5所示。

4 監測系統軟件設計

基于GPRS的農業蔬菜大棚監測系統對大棚內環境因子進行監測和控制，從而為作物生長提供合適環境，保證高產高效。通常情況下，大棚內一天的氣候變化不是太大，不需要一直關注實時信息。為控制發送流量、提高性價比，客戶端采用查詢機制獲取數據。其主要工作原理為：當監測點接收到查詢命令后，通過單片機1把采集數據發送給單片機2，單片機2接收數據后將其傳送給GPRS模塊，由GPRS模塊通過移動網絡將數據傳送到客戶端，以便與用戶觀察棚內的數據信息。采用分布式監測結構，可以布置很多監測點（類似單片機1），只需一個攜帶GPRS模塊的中心監測點（如單片機2）就可以獲取棚內全方位信息。主程序流程如圖6所示。

GPRS模塊位于監測系統的中心點，主要負責將數據傳輸到用戶端，為系統設計的核心。其工作原理是：單片機2將采集數據傳輸給GPRS模塊后，由GPRS通過移動無線網絡傳輸到用戶端。其工作流程如圖7所示。

5 監測系統性能測試

選取基層農業蔬菜大棚試點進行現場測試，試驗過程中使用了溫濕度傳感器和光照傳感器。光照傳感器為集成的便攜式結構，直接連接系統即可使用。經過測試，系統可以實現以下功能：1） 能夠對溫濕度傳感器以及照度傳感器進行數據采集。2） 通過PTR2000無線傳輸模塊實現多節點傳輸。3） 通過GPRS模塊對數據進行無線發送。采集數據如圖8所示。

6 結論

基于GPRS的農業蔬菜大棚監測系統采用分布式采集結構，每一個單片機僅完成有限的數據采集和處理任務，對單片機的硬件電路要求不高，可用低檔硬件組成高性能系統，并且當一個數據采集節點出現故障時，不影響其他節點的工作。通過單片機系統對溫濕度和照度傳感器測出的溫濕度值和光照強度進行采集，并將采集數據實時通過插有SIM卡的GPRS模塊進行無線數據傳輸，發送給監測終端，讓管理人員能夠實時了解棚內的環境情況。系統在提高性能的同時，更加注重性價比和傳送信息準確性，是傳統農業環境因子監測系統的一次升級，有利于促進農業的高速、高效發展，因此具有廣闊的市場應用前景。

參考文獻

[1] 趙偉，張錫英，高微.單片機原理與應用[M].哈爾濱：東北林業大學出版社，2007.

[2] 楊寧主.單片機與控制技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3] 張紅潤，張亞凡.傳感技術與應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4] 周洪.智能家居控制系統[M].北京：中國電力出版社，2006.

Abstract： In order to reduce the cost of vegetable greenhouse monitoring system， an intelligent monitoring and control system was developed based on GPRS wireless communication technology. This paper deals with the design of the overall structure and its software and hardware. Test was made on the performance of the system. The test results show that the system can satisfy the requirement of real-time data acquisition and transmission with high reliability， scalability， and easy operation etc.

Key words： monitoring system； GPRS； design； sensor； controller

GPRS模塊位于監測系統的中心點，主要負責將數據傳輸到用戶端，為系統設計的核心。其工作原理是：單片機2將采集數據傳輸給GPRS模塊后，由GPRS通過移動無線網絡傳輸到用戶端。其工作流程如圖7所示。

5 監測系統性能測試

選取基層農業蔬菜大棚試點進行現場測試，試驗過程中使用了溫濕度傳感器和光照傳感器。光照傳感器為集成的便攜式結構，直接連接系統即可使用。經過測試，系統可以實現以下功能：1） 能夠對溫濕度傳感器以及照度傳感器進行數據采集。2） 通過PTR2000無線傳輸模塊實現多節點傳輸。3） 通過GPRS模塊對數據進行無線發送。采集數據如圖8所示。

6 結論

基于GPRS的農業蔬菜大棚監測系統采用分布式采集結構，每一個單片機僅完成有限的數據采集和處理任務，對單片機的硬件電路要求不高，可用低檔硬件組成高性能系統，并且當一個數據采集節點出現故障時，不影響其他節點的工作。通過單片機系統對溫濕度和照度傳感器測出的溫濕度值和光照強度進行采集，并將采集數據實時通過插有SIM卡的GPRS模塊進行無線數據傳輸，發送給監測終端，讓管理人員能夠實時了解棚內的環境情況。系統在提高性能的同時，更加注重性價比和傳送信息準確性，是傳統農業環境因子監測系統的一次升級，有利于促進農業的高速、高效發展，因此具有廣闊的市場應用前景。

參考文獻

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[3] 張紅潤，張亞凡.傳感技術與應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4] 周洪.智能家居控制系統[M].北京：中國電力出版社，2006.

Abstract： In order to reduce the cost of vegetable greenhouse monitoring system， an intelligent monitoring and control system was developed based on GPRS wireless communication technology. This paper deals with the design of the overall structure and its software and hardware. Test was made on the performance of the system. The test results show that the system can satisfy the requirement of real-time data acquisition and transmission with high reliability， scalability， and easy operation etc.

Key words： monitoring system； GPRS； design； sensor； controller

GPRS模塊位于監測系統的中心點，主要負責將數據傳輸到用戶端，為系統設計的核心。其工作原理是：單片機2將采集數據傳輸給GPRS模塊后，由GPRS通過移動無線網絡傳輸到用戶端。其工作流程如圖7所示。

5 監測系統性能測試

選取基層農業蔬菜大棚試點進行現場測試，試驗過程中使用了溫濕度傳感器和光照傳感器。光照傳感器為集成的便攜式結構，直接連接系統即可使用。經過測試，系統可以實現以下功能：1） 能夠對溫濕度傳感器以及照度傳感器進行數據采集。2） 通過PTR2000無線傳輸模塊實現多節點傳輸。3） 通過GPRS模塊對數據進行無線發送。采集數據如圖8所示。

6 結論

基于GPRS的農業蔬菜大棚監測系統采用分布式采集結構，每一個單片機僅完成有限的數據采集和處理任務，對單片機的硬件電路要求不高，可用低檔硬件組成高性能系統，并且當一個數據采集節點出現故障時，不影響其他節點的工作。通過單片機系統對溫濕度和照度傳感器測出的溫濕度值和光照強度進行采集，并將采集數據實時通過插有SIM卡的GPRS模塊進行無線數據傳輸，發送給監測終端，讓管理人員能夠實時了解棚內的環境情況。系統在提高性能的同時，更加注重性價比和傳送信息準確性，是傳統農業環境因子監測系統的一次升級，有利于促進農業的高速、高效發展，因此具有廣闊的市場應用前景。

參考文獻

[1] 趙偉，張錫英，高微.單片機原理與應用[M].哈爾濱：東北林業大學出版社，2007.

[2] 楊寧主.單片機與控制技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3] 張紅潤，張亞凡.傳感技術與應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4] 周洪.智能家居控制系統[M].北京：中國電力出版社，2006.

Abstract： In order to reduce the cost of vegetable greenhouse monitoring system， an intelligent monitoring and control system was developed based on GPRS wireless communication technology. This paper deals with the design of the overall structure and its software and hardware. Test was made on the performance of the system. The test results show that the system can satisfy the requirement of real-time data acquisition and transmission with high reliability， scalability， and easy operation etc.

Key words： monitoring system； GPRS； design； sensor； controller