基于GPRS的荔枝園防盜遠程監測系統

唐 宇，駱少明，黃偉鋒，張培鋒，王克強

(仲愷農業工程學院 自動化學院，廣州 510225)

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基于GPRS的荔枝園防盜遠程監測系統

唐 宇，駱少明，黃偉鋒，張培鋒，王克強

(仲愷農業工程學院 自動化學院，廣州 510225)

針對種植規模大的荔枝園勞動力短缺以致安保管理困難的問題，提出了一種基于GPRS網絡的防盜遠程監測系統。該系統由單片機控制模塊、GPRS通信模塊、傳感器模塊、顯示模塊、報警模塊及遠程數據中心6部分組成，借助GPRS數據業務，實時地將荔枝園現場的防盜信息發送至遠程數據中心，實現對異常情況的報警。測試結果表明：系統的平均數據傳輸時間為29.91s，6種傳感器相鄰安裝模式中能正常報警的模式有兩種。一種模式是傳感器間距為3cm且夾角為30°，人到傳感器距離為40cm；另一種模式是傳感器間距為6cm且夾角為30°，人到傳感器距離為70cm。該系統安全性高，使用靈活，相比傳統的監控系統更有優勢。

遠程監測；AT89S52；防盜；GPRS；荔枝園

0 引言

近年來，隨著農機電子產品自動化的快速發展，農業生產對電子設備的需求領域逐漸變寬，越來越多的人們選擇大面積的果園進行水果種植[1-2]，我國嶺南地區的荔枝園產業規模化明顯。由于荔枝種植業具有地域分散[3]、對象多樣和環境因子不確定等特點，園內盜竊案經常發生[4-6]。傳統的防盜報警產品多采用四周布線方式，應用斷線報警原理，達到防盜目的，其布線工作量大且容易暴露，斷線成本迅速提高。因此，設計一種安裝拆卸方便、體積小和性價比高且具有一定實用價值的無線防盜報警系統將對于農業生產具有一定的現實意義。

GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業務)是目前基于時分多址技術的移動通訊體制中比較成熟、完善、應用最廣泛的一種系統[7]。它采用蜂窩式小區結構，在用戶密集的地區采用小區制，提高了頻率利用率，容量也不存在問題[8-9]，主要提供語音、短信息及數據等多種業務。基于GPRS的數據傳輸功能可做成各種檢測、監控數據信號和控制命令的數據通信系統，能廣泛用于遠程監控[10]、定位導航及個人通信終端等。

本文設計了一種基于GPRS網絡的荔枝園防盜遠程監測系統，包括信號采集處理、GPRS無線發送接收及報警顯示部分。紅外熱釋電傳感器采集人體紅外信號后，輸入給處理器，通過GPRS數據業務進行無線信息傳輸和報警，把報警地點的具體位置發送到荔枝園安保人員的手機屏幕上，使安保人員實時監控果園狀態，從而解決荔枝園的防盜問題。

1 系統方案設計

報警系統由處理器模塊、人體紅外感應模塊、GPRS模塊、顯示模塊、報警模塊和遠程數據中心等6部分組成，如圖1所示。處理器模塊以AT89S52單片機為核心，通過異步串行口(UART)與GPRS模塊連接，實現遠程數據通信；通過普通I/O口控制其它模塊的工作，實現系統的全部軟硬件功能。

荔枝園現場的盜情信息被傳感器實時采集后，通過GPRS 分組數據包進行協議轉換，然后把這些分組數據包傳送到遠端的TCP/IP 網絡。SGSN(Serving GPRS Support Node，GPRS服務支持節點) 和GGSN(Gateway GPRS Support Node，網關GPRS支持節點)利用GPRS隧道協議(GTP) 對IP分組進行封裝，并以端到端方式實現數據分組的發送和接收數據。

1.1 單片機與GPRS模塊的接口設計

AT89S52單片機以RXD、TXD和GND三線形式的異步串行口與Motorola公司的GPRS模塊G20進行數據雙向全雙工通信[11-12]，發送指令，使G20模塊完成聯網掛接、注冊登錄和短消息收發等相應操作，同時監聽接口，接收來自G20的回傳數據。由于AT89S52與G20模塊分別采用DC+5V和DC+3.3V供電，兩者的I/O電平不一致，不能直接與電氣連接，需通過電平轉換電路進行數據通信。轉換電路如圖2所示。電路的核心是EL817C高速光耦，實現兩端電氣隔離與信息耦合傳輸。AT89S52的TXD口電流輸出能力較弱，需經過7404同相驅動器才能正常點亮光耦中的發光二極管。G20開發板具有通信接口電平切換、通信接口選擇、來電顯示和信號顯示等功能，其TXD口通過一個8050NPN型三極管實現邏輯反相和驅動電流增強。

圖1 系統組成結構

圖2 單片機與GPRS模塊接口

1.2 單片機與人體感應模塊的接口設計

AT89S52通過普通I/O口P1.0接收人體感應模塊HC-SR501的感測信息，其接口如圖3所示。HC-SR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備，尤其是干電池供電的自動控制產品，可實現全自動感應、光敏控制、溫度補償和雙模式觸發等功能，具有工作電壓范圍寬、功耗低和輸出電平通用性強等特點。

圖3 單片機與人體感應模塊接口

1.3 單片機與顯示模塊的接口設計

LCD1602顯示屏是顯示模塊的核心，可顯示阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等信息，系統采用該模塊的“2行16個字”的模式顯示相關檢測數據和報警信息，顯示模塊與單片機的接口電路如圖4所示。

圖4 單片機與顯示模塊接口

1.4 報警電路設計

系統中的報警電路核心為直流蜂鳴器，采用直流電壓驅動，結構簡單，通過執行相關程序使單片機驅動蜂鳴器實現報警，具體電路如圖5所示。

圖5 報警電路

2 系統的軟件設計

荔枝園防盜遠程報警系統的果園端軟件采用C語言編寫，分為單片機主程序和子程序兩大部分。主程序主要完成系統中各功能單元的初始化工作，并不斷循環檢測人體感應模塊輸出的檢測信息，一旦發現異常便啟動報警并發送警示短信，如圖6所示；子程序實現系統的各個子功能，主要包括傳感器信息采集程序、液晶顯示程序和報警模塊程序等。

圖6 主程序流程圖

2.1 傳感器信息采集子程序

系統中的傳感器為HC-SR501和DS18B20兩種，HC-SR501的輸出信號只有高、低電平兩種狀態，信息讀取較為簡單；DS18B20采用串行總線的硬件結構和軟件協議，需按步驟進行初始化和讀、寫操作。DS18B20 的操作中，延時分兩種：短時間延時和較長時間延時。單片機系統所用的晶振頻率為12 MHz，根據DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫3個子程序：初始化子程序、寫命令或數據子程序和讀數據子程序，所有的數據讀寫均由最低位開始。單片機讀取溫度信息控制程序流程如圖7所示。

圖7 溫度采集子程序流程圖

2.2 顯示子程序設計

系統中采用的顯示器件LCD1602液晶內部的字符發生存儲器(CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，單片機發出指令通過字符尋址的方法將要顯示的字符點陣分布信息讀出并顯示出來，其程序流程如圖8所示。

圖8 顯示子程序流程圖

2.3 報警模塊程序設計

系統的報警功能以發送GPRS遠程數據信息[17]和奏響本地蜂鳴器兩種方式實現。第一種方式中，通過單片機向G20發送以ASCII字符代碼組成的標準格式的AT指令實現，步驟如下(使用UDP協議)：

1)“at+mipcall=1,cmnet” 建立一個GPRS無線鏈接。

2)發送指令“at+mipopen=1,2000,”219.222.

73.240”,6800,1”打開一個端口(Socket)。

3)發送指令“at+mipsend=,”將要發送的數據壓入G20的發送堆棧。這里的是前面已經打開的端口序號，設定為1；是所要發送的數據，設定為報警信息字符串“Theft alarm！”的ASCII碼。

4)發送指令“at+mippush=1”使G20將既定數據信息發送出去。

5)發送指令“at+mipclose=1”，關閉端口。

6)發送指令“at+mipcall=0”，關閉GPRS網絡連接。

報警子程序流程如圖9所示。

圖9 報警子程序流程圖

3 系統運行測試

將調試好的系統程序固化到AT89S52的EEPROM后通電，等待所有模塊初始化完畢后，進行全系統運行測試。人為多次觸發感應模塊，發現系統均能及時響應并做出警示：發送短消息和奏響蜂鳴器。通過在不同時段對系統進行15次發送報警的發送時間與接收時間間隔記錄，其結果如表1所示。測試結果表明：發送接收時間間隔最大值為32.2s，最小值為28.5s，平均發送接收時間間隔29.19s。

表1 傳輸測試數據

位于廣州市從化區街口鎮的從化華隆果菜保鮮有限公司的荔枝園出入口現場的人體感應模塊探頭為陣列式分布(見圖10)，相鄰的兩個探頭之間的距離、夾角和人到傳感器之間的距離對監測結果有影響，通過試驗找出安裝參數的適當組合，如表2所示。測試結果表明：當相鄰兩個探頭靠的太近時，無法正常報警。6種傳感器相鄰安裝模式中能正常報警的模式有兩種：一種模式是傳感器間距為3cm且夾角為30°，人到傳感器距離為40cm；另一種模式是傳感器間距為6cm且夾角為30°，人到傳感器距離為70cm。

圖10 人體感應傳感器安裝示意圖

傳感器間距/cm夾角/(°)人到傳感器的距離/cm測試結果31540報警不正常33040報警正常34540報警不正常61550報警不正常63070報警正常64590報警不正常

4 結論

基于GPRS的荔枝園防盜遠程監測系統克服了傳統有線傳輸方式布線的限制和無線電電臺數傳方式的局限性，實現了對荔枝園現場安保環境的監測。測試結果表明：該系統結構模型合理，軟硬件設計可行，具有靈活的擴充性和伸縮性，能較好地滿足荔枝園及其它果園遠程監視報警的需要。系統安裝方便，易于擴展，成本較低，不僅能應用在果園防盜領域，還可以推廣到樓宇、倉庫和貨港等場合，應用前景廣闊。

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A Remote Alarm System Against Theft for Litchi Orchard Based on GPRS

Tang Yu， Luo Shaoming， Huang Weifeng， Zhang Peifeng， Wang Keqiang

(College of Automation, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Aiming at the security management difficulties in large-scale litchi orchards with labors shortage, a remote anti-theft alarm system based GPRS was proposed in this paper. The system was composed of single chip microcomputer module，GPRS communication module，sensor module，display module and alarm module. The human body infrared induction probe was adopted to monitor orchard information in real time.The GPRS communication module was used to send abnormal location information to the users’ mobile phones. Results showed that average data transmission time was 29.19s.Two modes could normally alarm in adjacent installation mode of six sensors. One mode was that the sensor spacing was 3cm with 30°sensor angle and 40cm-distance between the people to the sensor. Another mode was that the sensor spacing was 6cm with 30° sensor angle and 70cm-distance between the people to the sensor. This system was safe and agile，and it has more advantages over traditional monitoring systems.

remote monitoring; AT89S52; guard against theft; GPRS; litchi orchard

2016-08-26

國家星火計劃項目(2015GA780054)；廣東省公益研究與能力建設專項(2015A020209175，2015A020209179，2016 B020202008)；廣東省協同創新與平臺環境建設專項(2016 A040402044)

唐 宇(1982-),男，江西萍鄉人，副教授，博士后，青年珠江學者，(E-mail) tangyu_mycauc@163.com。

S126

A

1003-188X(2017)07-0098-05