基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統

于婷婷，朱龍圖，李名偉，陳怡兵，，黃東巖，

（1. 吉林農業大學信息技術學院，吉林 長春 130118；2. 吉林省土壤肥料總站，吉林 長春 130033；3. 吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，吉林 長春 130025）

基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統

于婷婷1，朱龍圖1，李名偉1，陳怡兵1，2，黃東巖1，3*

（1. 吉林農業大學信息技術學院，吉林 長春 130118；2. 吉林省土壤肥料總站，吉林 長春 130033；3. 吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，吉林 長春 130025）

針對目前水稻遠程灌溉系統存在的硬件資源浪費、系統響應差等弊端，應用了一種“服務器—用戶手機”直接通訊的方式，并設計了一套基于GPRS（General Packet Radio Service）和GSM（Global System for Mobile Communications）的水稻智能灌溉系統。該系統以STC12C5A60S2單片機作為現場終端的核心處理器，通過GPRS DTU無線通信模塊完成現場終端與遠程服務器之間的通訊，利用GSM短消息方式實現用戶手機與遠程服務器之間的信息交互，極大地減少了現場終端的任務處理量，加快了系統的實時性。系統能夠通過液位傳感器獲取田間水位信息，并根據水稻不同時期的需水量完成灌溉或排水操作。同時，系統通過對水稻灌溉監控管理軟件的設計實現了服務器軟件監控和用戶手機監控的雙重監控功能。試驗結果表明，該系統工作穩定，灌溉控制精度在93%以上，能夠達到遠程監控、灌溉的目標。

GPRS；GSM；智能灌溉；現場終端；遠程服務器；用戶手機

于婷婷， 朱龍圖， 李名偉， 陳怡兵， 黃東巖. 基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統［J］. 農業現代化研究， 2016， 37（5）: 988-994.

Yu T T， Zhu L T， Li M W， Chen Y B， Huang D Y. Intelligent irrigation system for rice based on GPRS and GSM［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 988-994.

中國是一個干旱的農業大國，水資源嚴重短缺。水稻作為中國主要糧食之一，其產量對于維護人民安居樂業、社會安定和國家穩定有著重要意義［1-2］。提高水稻產量和效益，建立智能化、自動化和網絡化的水稻生產監控灌溉系統已成為全球水稻生產發展的總趨勢［3-4］。

隨著現代網絡、傳感器技術、無線通信技術以及嵌入式計算機技術的飛速發展，現今我國的農業生產方式較傳統的農業生產方式有了明顯提高［5］。農業生產已融入了多種現代化技術，各種傳感器被應用于種植環境信息的采集，為農業生產監測提供了可靠的參考數據；通信技術為傳遞監控系統信息提供了有效途徑；計算機被作為系統的監控中心［6-7］。如李野等［8］設計的基于ZigBee技術的水稻自動灌溉控制系統，利用GPRS網絡將采集到的數據信息傳送到上位機的監控終端，通過上位機軟件對采集到的數據進行處理與分析，并且對設備進行智能化自動灌溉控制，實現了無人值守的遠程水稻灌溉監控。高軍等［9］應用數據庫技術、遠程無線傳輸技術和嵌入式技術設計了一套農業灌溉遠程控制系統。系統利用GSM網絡實現數據傳輸，根據各地塊需水量進行較為精準的自動灌溉控制，減少了水、電和人力資源的投入。

以上兩種系統所設計的獨立監測中心各有優勢，但均存有弊端。將電腦作為遠程監測中心，具有體積大、重量大，不便于用戶隨身攜帶的弊端；同時，服務器必須保證連接Internet網絡才能夠實現遠程監控。使用手機作為監測中心，雖然手機體積小便于攜帶，可以通過無線網絡，或者利用手機自身流量保證網絡連接，不存電腦所存在的弊端，但由于手機體積小使得其硬件配置資源低，導致系統計算能力差，從而很難達到實時監測效果。

目前，許多遠程監控系統將服務器與用戶手機相結合，但其基本原理是以現場終端作為信息交流對象，即現場終端將數據信息發送給遠程服務器，同時又將相同的數據信息發送給用戶手機。這種設計雖然解決了用戶不能隨時監測現場的問題，但卻加重了現場終端的任務量，浪費了極其珍貴的現場硬件資源，降低了系統實時性。

針對上述問題，本文融合傳感器技術、RS-485總線技術、GPRS無線通信技術和單片機測控技術設計了一套基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統。該系統采用手機與遠程服務器進行直接通信，即用戶手機與現場終端無直接聯系，系統通過遠程服務器作為中間“橋梁”實現對現場的遠程監控。本設計有效回避了現場終端對同一數據信息需要分別向用戶手機和服務器發送的資源浪費行為。同時，利用服務器處理手機接收的信息與發送的命令，用戶手機只作為一個信息輸出和命令輸入的接口工具，減輕了手機的工作量，加快系統的實時性。

1　系統結構及原理

1.1系統結構

基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統主要由現場終端、遠程服務器和用戶手機等部分組成（圖1）。其中，現場終端安裝在農田現場，主要由太陽能供電系統、信息采集模塊、灌溉控制模塊、GPRS DTU模塊和核心處理器組成，用于采集農田信息與實現灌溉控制；遠程服務器主要用于遠程監測現場終端采集到的信息，并據此按照彭曼—蒙特斯（Penman-Monteith）公式計算當前水稻需水量，進而結合當前田間液位進行田間灌溉或排水操作［10］。圖中，現場終端與遠程服務器通過GPRS網絡進行通信，用戶手機與遠程服務器通過GSM短消息實現信息交互。考慮到終端處于農田現場，缺乏供電電網等問題，系統采用太陽能供電系統為整個終端提供電能。

圖1　系統結構圖Fig. 1　System structure

本文設計的遠程服務器灌溉/排水控制模式分為3種，分別為自動控制模式、手動控制模式和短消息控制模式。在自動控制模式下，若水稻供水不足，遠程服務器將通過GPRS網絡向現場終端發送灌溉控制命令；若田間水位偏高，則遠程服務器將發送排水控制命令。遠程服務器發送的控制命令，經微處理器識別、處理后，微處理器將控制相應電磁水閥的開閉，從而實現灌溉或排水功能。在手動控制模式下，用戶可以直接操作服務器軟件來實現灌溉或排水操作；用戶也可以通過短消息控制模式利用手機發送短消息來實現對服務器的控制進而達到灌溉或排水目的。

1.2GPRS通信原理

GPRS網絡是實現現場終端與遠程服務器之間數據交換的橋梁。在現場終端處，核心處理器通過讀取信息采集模塊內各個傳感器所采集的土壤濕度、風速、光照時數以及空氣溫度等信息數據并控制GPRS DTU模塊將傳感數據轉換為GPRS分組數據，并將之發送到GSM基站，分組數據經SGSN（Serving GPRS support nod，服務GPRS支持節點）封裝處理后，將被傳輸到GPRS網絡上，接著，GGSN（Gateway GPRS support node，網關GPRS支持節點）從GPRS網絡獲取對應的封裝數據且對數據進行進一步處理后，即可借助Internet網絡將數據傳輸到遠程服務器端（圖2）［11-13］。

圖2　GPRS通信原理圖Fig. 2　Process of GPRS communication

1.3GSM通信原理

GSM短消息通信是一種獨特的信息交互方式，其可通過相應的服務中心在網絡和手機間傳遞文字、圖形等可視信息［14-15］。本文利用GSM通信模塊以短消息的形式實現服務器與用戶手機之間的通信（圖3）。

圖3　GSM通信原理Fig. 3　Process of GSM communication

其中，選取的GSM模塊為LQ1001 GPRS DTU無線通信模塊，該模塊由靈旗通信公司生產，支持GPRS 實時數據傳輸或者短消息傳輸兩種通信模式，此處設計選用其短信傳輸方式。為實現通信電平匹配，采用U轉RS232串口數據線將無線通信模塊與服務器相連。

此外，由于模塊工作電壓范圍為8-30 V，且服務器所處機房中具有家用交流220 V電壓，故無需再另行購置直流供電電源，設計中使用的是AC/DC電源適配器，該適配器能夠將220 V交流電壓轉換成12 V直流輸出電壓。

2　現場終端的設計

2.1現場終端硬件設計

本系統選用單片機STC12C5A60S2作為核心處理器，該單片機是單時鐘/機器周期（1 T）的單片機，它具有低功耗、高速、超強抗干擾等優點，是新一代8051單片機，可實現對傳感器采集數據的處理和執行遠程服務器的控制指令［16］。系統利用土壤濕度傳感器MS-10測量土壤濕度值，利用光照傳感器SM3560B測量日光照時數值，利用風速傳感器YGC-FS測量日風速值。上述傳感器都是基于RS-485接口的，可以直接連接到RS-485總線上。系統利用空氣溫度傳感器AM2305來測量空氣溫度，選用液位傳感器LLN測量田間液位值，其硬件電路見圖4。

LM7805芯片U1，電容C3和C4，電阻R1構成一個電壓轉換電路，可將12 V輸入電壓轉換成5 V電壓輸出，LM1117-3.3芯片可進一步地將5 V電壓轉換成3.3 V，以便為相應傳感器件提供工作電壓。系統采用MAX232芯片U8來實現單片機的TTL電平與RS-232電平之間的相互轉換，其R1OUT和T1IN引腳分別與單片機的RxD（P3.0）和TxD（P3.1）引腳相連接，J5為9針DC-9連接器，用于連接GPRS DUT模塊。U5即為MAX485接口芯片，用于實現TTL電平和RS-485電平之間的相互轉換，引腳RO、DI分別為MAX485芯片內部接收器的輸出端和驅動器的輸入端，它們分別與STC12C5A60S2單片機的引腳RxD2（P1.2）和TxD2（P1.3）相連接。P1和R5，P2和R4分別構成了空氣傳感器和液位傳感器的接口電路，這兩個傳感器都是通過單總線方式與單片機相連接的。P3、P4、P5為3個入水閥接口，P6、P7、P8為3個排水閥接口，其均通過繼電器、二極管、三極管和電阻等組成的控制電路與單片機的不同I/O相連。系統采用11.0592 MHz的晶振Y1和30 pF電容C1、C2作為單片機外接時鐘電路，為單片機提供時鐘脈沖。此外，本設計利用太陽能電池板為整個硬件系統提供12 V的直流輸入電壓。

2.2現場終端軟件設計

本文選用美國Keil Software公司出產的keil C51開發平臺作為現場終端軟件開發平臺，該平臺采用C語言作為開發語言，可實現信息的采集、處理和傳輸控制等操作。圖5為現場終端工作流程圖，圖中TimeFlag為傳感數據定時讀取標志。

系統上電后，分別對相應的模塊進行初始化設置，包括GPRS DTU模塊初始化、定時器T0的初始化和間隔采集時間的設置等，待GPRS DTU無線通信模塊網絡鏈接成功后，程序對現場終端接收器發來的灌溉或排水命令進行識別。若接收的是灌溉命令，則自動開啟相對應的入水閥，開始灌溉操作，直至達到相應水位值；若接收到的是排水命令，則自動開啟排水閥，直至達到相應水位值。若現場終端沒有收到灌溉或排水命令，單片機將按照設定的采樣間隔讀取各個傳感器的測量值，并將之以數據包的形式發送到服務器。

圖4　現場信息采集終端硬件電路圖Fig. 4　Diagram of information collection circuit

3　服務器軟件設計

服務器軟件利用Visual Basic 6.0開發環境，結合VB語言開發了一套水稻灌溉監控管理系統，通過網絡通信控件Winsok實現上位機與多個現場終端之間的數據傳輸，利用ADO技術完成對數據庫的訪問與存儲［17-18］。本研究所開發的水稻灌溉監控管理系統，包含系統管理、實時監測、灌溉控制、數據分析和歷史數據查詢等功能界面（圖6）。系統管理主要實現用戶信息的登錄和權限驗證管理；實時監測功能界面用于實時監測并顯示現場終端所采集的各類信息，包括土壤溫濕度、風速、日照時數、氣溫和液位等信息；灌溉控制主要用于實現水稻的遠程智能灌溉功能，其包括手動控制、自動控制和短消息控制模式；歷史數據查詢與分析界面具有從數據庫中調取歷史數據以及對其進行曲線分析等功能。

3.1數據通信協議

為有效傳輸和識別來自不同終端的指令信息和監測數據，本系統建立通信協議，并定義了通信規則。如表1所示為現場終端與遠程服務器之間的數據包通信協議格式。表中，所有數據包的前導符用“#”表示，起始字節為0；包序號用于標識已發送信息的次序，占用10個字節，能標識的信息條數達90億條以上；采集站名稱表示終端所在的地點，占用8個字節；采集時間表示現場終端發送的數據包時的時間，占用14個字節，其格式為“YYYYMMDDHHMMSS”，如“20150526183028”表示2015年5月26日18時30分28秒；監測數據包括土壤濕度數據、風速數據、日照時數、氣溫數據和液位數據，各占用4個字節；CRC表示數據包采用CRC校驗方法，占用2個字節［19］。

為了實現用戶手機遙控服務器間接進行農田灌溉控制，本設計約定了相關的短消息控制協議，灌溉控制格式為：

“#123#GN1N2N3…NnL4.63MM”；

排水控制格式為：

“#123#PN1N2N3…NnL4.63MM”。

圖5　現場終端工作流程圖Fig. 5　Flow chart of field termination

圖6　水稻灌溉監控管理系統Fig.6　Irrigation Control System

表1　數據包封裝格式Table 1　packet encapsulation format

該通信協議中兩個“#”號間的三個數字為驗證密碼，只有密碼正確服務器在接收到該短信時才會識別該控制指令；字母G、P分別表示灌溉操作和排水操作；N1至Nn表示要控制的閥門；緊跟字母L后的數字表示需要保留的田間水位值；字母MM表示結束符。

3.2SQL數據庫

本系統數據庫由氣象數據、土壤濕度數據和液位數據3大類型數據組成。其中，氣象數據包括風速數據、日照時數和氣溫數據。利用ADO技術對數據的讀寫進行設計開發。ADO技術具有高效訪問和存儲數據庫的特點。圖7為系統數據庫結構圖。

圖7　SQL數據庫結構圖Fig. 7　Structure of the database

SQL數據庫中存有一系列數據表。為便于數據的查詢，將風速數據、日照時數、氣溫數據均存入氣象數據表中，將土壤濕度數據存入土壤濕度數據表中，將田間液位數據存入液位數據表中。其他信息包括土壤類型和土壤參數及現場終端周邊環境等信息也都保存于相應的數據表中。

3.3At指令

用戶手機與監控中心之間采用SIM900A模塊中標準的AT指令（AT commands）完成通信功能。AT指令集多數以一個特定的“指令前綴”啟示，以回車〈CR〉“指令結束標志”結束［20］。軟件設計中將指令AT+CMGF設置為短消息的格式。若AT+CMGF=0，則代表其為文本（TEXT）格式；若AT+CMGF=1，則代表其為協議數據單元（PDU）格式。本系統選用文本（TEXT）格式進行短消息傳輸；利用指令AT+CMGS 發送短消息，例如AT+CMGS=“95580”表示向95580發送短消息；利用指令AT+GSMR對短消息進行讀取操作；利用指令AT+CMGD對已接收的短消息進行刪除操作，從而實現對數據的維護。

4　試驗測試

系統總體測試試驗于2015年在吉林省松原市試驗田進行，試驗面積1.5 hm2，平均每0.3 hm2安裝一個現場終端。試驗前，通過軟件設置現場終端傳感數據的讀取時間間隔為1 min。試驗時，開啟遠程服務器，并等待各個現場終端與遠程服務器通信連接正常。為了測試用戶手機與服務器之間的通信質量，采用手機發送了灌溉控制指令“#123#GN1N2N3L4.63MM”。服務器運行結果如圖8所示，測試試驗結果表明服務器能夠有效地響應用戶手機指令，可以實現手機遙控服務器進行工作。遠程服務器可分別對現場的土壤濕度、風速、日照時數、空氣溫度和液位信息進行監測，并將所有監測結果取平均值（表2）。表中灌溉控制精度是通過將田間實際水量與計算出的需水量作商所得。

圖8　手機遙控服務器測試結果Fig. 8　Test results of mobile phone remote control server

田間試驗結果表明，系統可以實時監測田間的土壤濕度、風速、光照時數以及空氣溫度等信息，能夠實現遠程灌溉控制，且系統的灌溉控制精度能夠達到93%以上，滿足設計要求。

表2　田間試驗結果Table 2　The results of field experimental

5　結論

本文應用“服務器—用戶手機”直接通訊的方式，設計了一套基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統，極大地減少了現場終端的任務處理量，加快了系統的實時性。同時，本文開發了一套水稻灌溉監控管理系統，包括實時監測、灌溉控制、數據分析和歷史數據查詢等多個功能界面。系統能夠實時監測現場終端的傳感器信息，可以實現服務器和手機雙重灌溉控制需求。

試驗結果表明，系統服務器能夠有效地響應用戶手機指令并且能夠完成現場監控任務；系統的灌溉控制精度在93%以上，能夠達到遠程監控、灌溉的目標。

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（責任編輯：童成立）

Intelligent irrigation system for rice based on GPRS and GSM

YU Ting-ting1， ZHU Long-tu1， LI Ming-wei1， CHEN Yi-bing1，2， HUANG Dong-yan1，3
（1. Institute of Information Technology， Jilin Agricultural University， Changchun， Jilin 130118， China； 2. Jilin Station of Soil and Fertilizer， Changchun， Jilin 130033， China； 3. Key Laboratory of Bionics Engineering， Ministry of Education，Jilin University， Changchun， Jilin 130025， China）

Since there are many drawbacks which are the grievous waste of hardware resources and poor responses and so on existing in rice remote irrigation system currently， an intelligent irrigation system for rice based on GPRS and GSM was developed using a direct communication of “Server-User’s phone”. The single chip microcomputer STC12C5A60S2 is used as the core controller of field terminal in this system， using GPRS DTU wireless communication module to communicate between the field terminal and the remote server， utilizing GSM to exchange the information between the user’s mobile phone and the remote server. The new system greatly reduces the capacity of terminal task processing and also improves the real-time performance of the system. Rice water level information could be obtained through level sensors， so irrigation or drainage operation could be done according to water requirements of rice during different periods. In the meantime， the double monitoring function of server software and user’s phone in the system has been carried out by designing the monitor and management software for rice irrigation. The experiment result showed that the system performances well and the control accuracy of irrigation is over 93%， which meets the requirements of remote monitoring and irrigation.

GPRS； GSM； intelligent irrigation； field termination； remote server； user’s phone

National Science and Technology Support Program of China （2011BAD20B09）； Changchun Science and Technology Project（12KG087）； Science and Technology Research Project of Education Department of Jilin Province （201449）.

HUANG Dong-yan， E-mail: cchdy19760829@jlau.edu.cn.

30 March， 2016；Accepted 29 May， 2016

S232.3

A

1000-0275（2016）05-0988-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0061

國家科技支撐計劃項目（2011BAD20B09）；長春市科技計劃項目（14KG087）；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究（201449）。

于婷婷（1991-），女，遼寧莊河人，碩士生，主要從事農業信息化研究，E-mail: 1638610633@qq.com；通訊作者：黃東巖（1976-），男，吉林長春人，教授，碩士生導師，主要從事農業機械自動化研究，E-mail: cchdy19760829@jlau.edu.cn。

2016-03-30，接受日期：2016-05-29