基于GPRS模塊溫室小氣候預警查詢系統設計

宮志宏++李春++薛慶禹

摘要 傳統的電話傳真、廣播電視、網絡、手機短信等氣象信息發布在實際運用中難以針對特定客戶提供設施農業溫室作物長勢和小氣候氣象數據及溫室外天氣狀況的預警查詢服務的問題，研究依托業務運行的天津市設施農業遠程監控系統，以GPRS模塊為基礎，通過VB.NET編程語言，SQL server數據庫平臺，以Client/Server為構架，建立了基于GPRS模塊的設施農業預警查詢系統，通過電話、短信等接入手段，以短信、彩信自動回復方式為媒介，實現了溫室小氣候的實時查詢、災害天氣的多極自動預警、發布一體化，提高了設施農業氣象預警信息的準確率及查詢制作發布的時效性和針對性。

關鍵詞 GPRS；彩信；溫室小氣候；預警查詢；發布

中圖分類號 P409 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）12-0335-03

Study on Warning and Query Based on GPRS Module for Greenhouse Microclimate Information

GONG Zhi-hong LI Chun XUE Qing-yu

（Tianjin Climate Center，Tianjin 300074）

Abstract In view of the time and place shortage of traditional weather information dissemination based on telephone，fax，radio，television，internet and SMS of meteorological observatory，using remote monitoring system of agricultural facilities，based on GPRS module，selected SQL server as database，Client/Server as structure and VB as programming language，the study established a warning and query system based on GPRS module for greenhouse microclimate information.By phone，SMS，MMS，the system has completed the integrated of real-time query of greenhouse microclimate，multi-polar automatic warning of weather disasters and information dissemination.Finally the study has improved the accuracy of weather warning of agricultural facilities and the effectiveness and relevance of services.

Key words GPRS；MMS；greenhouse microclimate；warning and query；dissemination

近年來，設施農業逐漸成為農民增收的重要增長點與突破口。而現有設施農業類型中，日光溫室比例較大，但調控能力有限，受災害性天氣影響風險性大[1-2]，迫切需要有針對性的農業氣象保障[3]。傳統的電話傳真、廣播電視、手機短信等監測預警信息難以針對特定農戶提供設施農業溫室作物長勢和小氣候氣象數據及溫室外天氣狀況的查詢服務[4]。

隨著現代農業的發展，專門針對日光溫室的監測預警方法技術欣然而起。黎貞發等[5]、馬為紅等[6]、關福來等[7]、武永峰等[8]基于B/S或C/S形式發布監測預警信息，梁居寶等[9]通過3G進行溫室小氣候及圖像的監測，常國旭等[10]、徐巧年等[11]、張佐經等[12]、宮志宏等[13]以短消息的方式將信息發送給用戶，于合龍等[14]用Android手機客戶端軟件實現數據接收，劉德義等[4]、徐高威等[15]通過GPRS進行溫室現場LED終端進行預警信息發送。經過幾年積累，目前國內基本已擁有一套從遠程數據采集入庫到桌面、網頁圖形圖像顯示、智能手機及LED信息發布技術。但是仍不能滿足農村用戶沒有電腦、智能手機，或者遠離電腦等情況時需要實時了解溫室狀況的需求。

本研究從提高氣象預警信息的時效性和針對性出發，將災害性天氣多極預警、預警信息快捷制作和高效發布三者緊密結合[16]，根據用戶定制，自動選定手機發布對象，實時發布預警，實現了用戶與監測預警系統平臺的雙向通訊[17]。以期能夠解決時間、地點的限制性，滿足用戶移動性需求，提高日光溫室災害性天氣監測預警能力。

1 系統結構

1.1 設備組成

主要包括硬件部分（溫室自動站、GPRS模塊和用戶手機端）和軟件部分（支撐數據庫平臺及設施農業預警查詢軟件系統）。

1.1.1 溫室自動采集站。溫室自動采集站主要包括溫室小氣候自動站（型號為DZN1）及溫室實景監測自動站（型號為CICI-IGHM-NVS3G-1）。其中，DZN1型自動站主要采集溫室小氣候要素，包括溫室內部空氣溫濕度、土壤溫度、光合有效輻射、二氧化碳濃度。CICI-IGHM-NVS3G-1型實景監測系統主要采集溫室作物長勢長相圖片及溫室外棚室圖片。

1.1.2 GPRS模塊。系統采用WAVECOM GPRS模塊，內嵌工業級通信模塊的雙頻調制解調器（WAVECOM Q2403A 工業型A級），采用寬電壓供電（5～32 V），可以在-20 ℃～+55 ℃運行，通過計算機RS-232串口進行來連接。模塊以彩信（MMS）或短信息（SMS）的方式向用戶發送監控信息，用戶則通過手機短信或電話呼叫的方式對系統發送命令和進行相關設置。endprint

1.1.3 用戶手機端。無特殊要求，可收發短信息，并可接收彩信。

1.1.4 數據庫。具體有：①信息平臺數據庫。平臺數據庫采用SQL網絡數據庫，主要包括用戶表（User）、短信服務表（Sms）、來電服務表（Ring）、自動站點信息表（Station）和日志表（Record）。User表用于設置用戶基本信息及權限，SMS表和Ring表作為用戶短信查詢編碼對應表，與User表中SMS列和Ring列相關聯。Station表為設施農業站點信息表，與User中Station列相關聯。②實時氣象數據庫。系統數據庫平臺主要依托目前已業務運行的天津市設施農業遠程監控系統后臺SQL網絡數據庫，數據庫中包括DZN1型自動站實時遠程傳輸的溫室小氣候要素，CICI-IGHM-NVS3G-1型實景監測系統傳輸的溫室內外圖片以及天津氣象區域自動站采集的溫室外溫度、風速要素。本系統中主要用的2張表，分別為數據庫溫室小氣候要素表（TabtimeData）和溫室內外圖片信息表（ImageData），TabtimeData每隔10 min更新1次，ImageData每隔1 h更新1次。

1.1.5 溫室小氣候預警查詢軟件系統。軟件系統在GPRS模塊和實時更新數據庫的基礎上開發完成，系統采用Vb.net開發。核心界面包括用戶管理、功能瀏覽、系統設置、初始化及發布5個模塊。用戶管理模塊包括不同級別用戶的添加、修改及刪除管理；功能瀏覽包括電話、短信查詢服務代碼（0～9）代表的含義解釋；系統設置包括SQL數據庫路徑及災害預警指標預警頻率的設置；初始化包括GPRS模塊連接及各功能的啟動。發布主要為人工信息發布。

1.2 設備組裝與運行

如圖1所示，系統包括圖中A、B兩部分。其中A部分為數據自動采集，工作原理為溫室自動采集站實時采集數據后通過GPRS和3G網絡的方式將數據傳輸到遠程數據服務器進行監測校準入庫。B部分為客戶端軟件系統，采用Client/Server結構體系[18]。本研究重點為B部分。設備組裝與運行時，首先安裝GPRS模塊電腦驅動，然后將帶有SIM卡的GPRS模塊通過電腦串口[19]安裝于裝有溫室小氣候預警查詢軟件的服務器，啟動軟件進行初始化，等待返回模塊與移動運營商連接信息和數據庫連接信息[20]，如果二者均正確連接，則系統進入偵聽狀態。之后用戶只需要通過能夠接收文字或圖片的已注冊的移動設備與系統GPRS模塊聯系即可及時得到自己所需要的信息，不存在時間、地點限制。

2 系統功能設計

2.1 短期自動預警

基于數據庫服務器實時傳輸的農田小氣候數據和室外環境數據，進行短期預警。具體方式為：設置相應的短期預警指標，實時分析數據，當達到指標值進行預警，包括每年12月1日至次年3月末5 cm地溫小于0 ℃的凍害預警，2～8 d的低溫寡照預警，溫室外風速大于17 m/s的大風預警。

2.2 手機溫室數據查詢反饋

用戶通過撥打電話或發送短信的方式對溫室數據進行查詢，具體操作方式為：GPRS模塊收到指令后，通過RS-232傳到客戶端軟件系統，首先進行身份識別[21]，剔除不合法用戶，之后根據不同用戶的定制需求及指令要求，進行文字短信息或圖片彩信息反饋。反饋信息包括實時空氣溫濕度、實時二氧化碳濃度、溫室內外圖片、日最高最低氣溫及幫助等信息。

2.3 人工信息發布

如遇突發性災害或其他一些需要及時通知農戶的信息，管理員可通過將短信息發送到客戶端系統或直接在客戶端服務系統操作進行群發送或有區別發送，從而達到預警或發布的目的。

3 系統關鍵技術

3.1 軟件與GPRS模塊通信功能實現

由于GPRS模塊具有一個全雙工的串行通信口，因此客戶端PC機與模塊通信采用標準的RS-232串口。建立客戶端系統的通信時，.net中的SerialPort串口類實現了該功能，通過確定通信協議中的端口號（COM1）、串口通信波特率（9600）、數據位（8）、奇偶校驗（0）、停止位（1）、讀超時（1000）等信息[21]，與GPRS模塊建立連接。系統通過SerialPort類中的DataRecieved事件，監控串口的接口緩沖，實現一旦有數據進來，應用SerialPort類提供的ReadReadLine等函數立刻處理。數據的發送應用SerialPort類中Write和WriteLine實現。

3.2 數據的接收與反饋

用戶想要得到系統的反饋，需通過管理員進行注冊，注冊方式為管理員直接在電腦客戶端軟件注冊或通過手機進行遠程注冊，之后用戶可以根據權限接收預警信息或進行查詢獲取反饋信息，例如，當你撥打電話或發送短信代號時系統會根據用戶定制進行反饋。這些功能的實現在系統后臺通過4個關聯表來完成，分別為User、Ring、Sms和Station表。以發送短信息為例，如圖2所示，當用戶編輯指令發送到客戶端GPRS模塊后，系統偵聽到戶手機號碼、通信方式或發送指令，并和User表中的用戶進行比較，如不存在該用戶，過濾非法連接；如存在此用戶，查看指令內容，如果指令為管理員，為用戶注冊信息，查看Uers表中Permissions列的代碼（0—普通用戶，1—管理員），匹配且指令格式正確，注冊成功并反饋注冊成功信息，否則返回幫助信息；如果為要素查詢，查看User表中Sms列是否有服務代碼（0為無服務，1～8為功能，9為幫助），如果有服務，查看User表中Station列，并關聯到SMS及Station表，進行相關服務分析，并進行反饋。如果為撥打電話查詢則關聯到Ring表。

4 系統應用示例

基于GPRS模塊溫室小氣候預警查詢系統依托已業務運行的天津市設施農業遠程監控系統后臺數據庫，在天津市寶坻區圣人莊，西青區青凝侯、武清農科院創新基地，開展了溫室黃瓜和西紅柿等溫室蔬菜瓜果小氣候要素及其環境圖像信息的監測，初步實現了溫室小氣候的手機電話、短信智能查詢和溫室災害短期預警。endprint

經過2年的運行，結果顯示，系統性能穩定，及時性較強。溫室實時溫度、濕度、CO2濃度及環境圖像等要素的反饋及短期災害預警能夠較為充分滿足農戶對溫室大棚內外環境的及時、準確了解。

基于GPRS模塊設施農業監測預警系統主界面如圖3所示。用戶發送溫室內環境圖片服務代碼后反饋的圖片如圖4所示，可較清晰地反映圖像中黃瓜的生長狀況。

5 結論

系統的應用情況顯示，基于GPRS模塊設施農業預警查詢系統性能穩定、及時性強，通過電話、短信、彩信等方式，不僅實現了實時空氣溫濕度、實時二氧化碳濃度、溫室內外圖片、日最高最低氣溫及幫助等信息的自動反饋，而且實現了溫室短期災害自動預警監測預警及信息發布，最終實現了溫室小氣候的實時查詢、災害天氣的多極自動預警、發布一體化。

研究突破了傳統電話傳真、廣播電視、手機短信等氣象信息發布在時間、空間的局限性，可以全天24 h，無論用戶身在何方，只需帶有能夠接收文字和圖片的移動設備，即可及時查詢溫室環境并接收預警信息及農用天氣預報信息發布。

應用本系統可有效地對設施農業災害性天氣進行實時預警，提高了針對特定客戶提供設施農業溫室作物長勢和小氣候氣象數據及溫室外天氣狀況的查詢服務，提高了設施農業氣象預警信息及查詢制作發布的時效性和針對性。

系統也存在一定的問題，由于應用單卡GPRS模塊，當用戶達到一定數量時，系統在信息反饋時，會發生時間的滯后，后期可與運營商協商，購置相應的服務從而進行改進。

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