基于GPRS的大棚智能监控系统

　近年来，温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境因子对作物的生产有很大的影响。传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情。

针对目前大棚发展的趋势，提出了一种大棚智能监控系统的设计。根据大棚智能监控的特殊性，需要传输大棚现场参数给管理者，并把管理者的命令下发到现场执行设备，同时又要使上级部门可随时通过互连网或者手机信息了解区域大棚的实时状况。基于 GPRS的智能大棚监控系统使这些成为可能。

1 GPRS系统简介

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称。它允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据， GPRS的理论带宽可达171.2Kbps，实际应用带宽大约在20～100Kbps之间,在此信道上提供了TCP/IP连接，可以用于INTERNET 连接、数据传输等，本身就是一个分组型数据网。此外，GPRS还具有实时在线、快捷登陆、按量计费、高速传输等优点，特别适用于间断、突发性、频繁和少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量的传输。

GPRS的网络构建是在原有的GSM网络的基础上新增了两个节点(GPRS业务支持节点SGSN和GPRS网关节点GGSN)以及这两个新增节点与其他硬件设备相连接的接口。基于GPRS网的数据传输系统如图1 所示。具体的数据传输流程为：

(1)GPRS终端通过接口从客户系统中取出用户数据；

(2)处理后以GPRS分组数据的形式发送到基站(BSS)；

(3)分组数据经GPRS封装后发送到GPRS IP骨干网；

(4)若分组数据是发送到另一GPRS终端,则先发送到目的SGSN, 再经BSS发送到GPRS终端;若分组数据是发送到外部网络如INTERNET,则将分组数据包经GGSN进行协议转换后发送到外部网络。

2 系统的总体设计方案

大棚现场的温度、湿度、CO2、风速等参数通过不同的传感器采集后，通过传输线送入单片机，经微处理器的处理后通过GPRS模块根据需要发送到农场监控室的PC机或者是管理者所携带的手机上，同时单片机对数据与原设数据进行比较分析，启动现场的执行系统如电机、喷药喷肥、报警系统等，完成大棚的灌溉、自然灾害的预防等控制功能。另外，通过GPRS所具有的网络连接功能，上级部门由GPRS模块所获得的动态 IP地址随时对大棚进行抽样调查，了解某区域的农作物生长环境情况，还可以将该地区的以往的高产经验环境参数发送给农场管理者参考。

3 系统的总体结构

基于GPRS大棚智能监控系统的总体结构框架如图2所示。系统由下位机和传感器执行机构检测控制、上位机监控、GPRS无线数据传输、移动终端和互联网等五部分组成。现场监控的下位机系统由单片机作为微处理器，而上位机为中心的监控管理部门则采用PC机作为主控机。管理者只需要使用现有的高级语言编程模块，在监控室内部或持有手机等无线终端就可以随时了解现场状态，完成控制。

基于GPRS的大棚智能监控系统

系统各部分说明：

(1)微处理器采用了工业级单片机P89C51RD2，它是

80C51系列单片机中的佼佼者，具有1KB的片上RAM和64KB的非易失FLASH程序存储器。环境较差时，可以安装机箱来防尘防水。微处理器是系统核心，主要完成采集参数的处理、执行系统控制以及与监控者的通信等功能。

(2)GPRS无线通讯模块采用SIEMENS的MC35I，该模块兼容了TC35 GSM模块的功能，支持语音通信和短信息通讯，并且支持网络连接及无线上网、数据传递的功能。

　(3)现场的设备参数采集传感器如图2中所列，若想扩展智能监控系统的采集功能，还可以接入其他传感器；执行系统包括电动机、自动喷药喷肥、报警系统等，本部分主要实现现场数据采集及数据输出控制。

(4)监控部门是由农场监控室及携带移动终端的管理者以及上级部门组成。

(5)网络使用移动通信网和INTERNET网。

监控功能：

(1)测试大棚内的瞬时温度、空气湿度及土壤湿度、气体浓度、光照强度并显示。

(2)根据检测到的各参数与设定值的偏差以及偏差变化率对电炉、喷泵及滴泵等设备进行控制,实现对棚内的温湿度、气体浓度、光照的调节。

(3)如果三项参数中有一项参数偏离给定值太多,系统将发出报警并反复检测参数并显示。

(4)自诊断、自恢复及报警电路用于检测系统运行是否正常,如果出现异常,例如“死循环”或“乱飞”，则报警并使系统自动复位。

4 微处理器与通讯模块

P89C51RD2与GPRS模块之间的连接如图3所示。因为要实现网络连接，又因为GPRS技术是一种基于分包的传输技术，因此数据在传输之前必须进行TCP/IP技术的封装处理，这个任务由TCP/IP协议处理芯片E5112完成，而短信的收发主要通过AT指令完成。GPRS在此嵌入式系统中有两种应用方式，一是利用GPRS模块实现SMS短信的收发，二是利用GPRS模块实现微处理器的无线上网。

基于GPRS的大棚智能监控系统

当农业大棚现场系统与持有手机终端的管理者交流时，通过收发SMS短信，协议处理芯片E5112为模块提供的是透明通道；上级部门分配动态IP地址，实现无线上网时，数据需要先通过E5112打包成TCP/IP数据。

4.1 GPRS模块与AT指令

AT 指令是GPRS 模块的底层指令，用来控制GPRS 进行无线通信。 硬件连接完成后,在GPRS 接入网络操作之前，首先要对GPRS 模块进行一定的设置,如通信波特率、接入网关、设置移动终端的类别等，然后便可以通过AT 命令来完成需要的功能。“AT” 或 “at” 前缀一定是放置在每条指令行最前面。通过输入一个回车〈CR〉来结束一个指令行。

MC35I中常使用的硬件初始化指令如下：

(1)AT+CGATT=1激活GPRS功能命令。如果返回OK，则说明开通了GPRS功能。

(2)AT+CGDCONT=1,“IP”，“CMNET”命令用于设置GPRS网关，其中，CMNET是中国移动梦网的接入网关。返回OK，说明接入网关成功，否则接入失败。

(3)ATD*99***1#用于拨通连接手机的GPRS网络，操作通过返回CONNECT。此时MC35I进入PPP模式，不再响应其他AT命令。

(4)AT+CMGF=0用于选择短消息格式，1为文本格式，0为PDU格式，操作通过MC35I返回OK，确定系统采用PDU格式。

(5)AT+CMGS=“手机号码”用于发送短信息，操作成功MC35I返回OK。

4.2 协议处理器芯片

微处理器通过GPRS模块上网，首先要对模块进行一定的设置，使模块MC35I处于数据通信的状态。通信状态设置后，数据在传输之前必须进行 TCP/IP技术的封装处理，这个任务由TCP/IP协议处理芯片E5112完成。E5112协议处理芯片采用通用的MCU Core，内嵌经过精简的TCP/IP软件，它兼有服务器和客户机的双重功能，使用它的系统之间只要知道对方的IP地址和端口号，即可完成 INTERNET的网络连接。首先单片机P89C51RD2与E5112通过串/并转换芯片16C550实现数据串行/并行转换,然后E5112通过 RS232串口与无线GPRS Modem通信。P89C51RD2 与E5112的连接如图4所示。E5112为模块提供透明和非透明两种通道方式，在透明方式下E5112对用户数据不做处理，直接接收发送数据。帧是单片机与E5112进行通信与控制的载体，E5112的帧分为输入与输出两大类，每种帧都有特定的功能，其帧格式如图5所示。

值得注意的是，E5112接口是5V逻辑，而MC35I是3V逻辑，两者连接起来使用必须经过电平转换。

5 系统软件设计

系统控制程序可用C51语言实现，与汇编语言相比，C51具有开发速度快、软件质量高、结构化强、可维护性好的优点。监控部门主要采用现有的高级语言程序模块。下位机系统的控制需人为随时改变，整体框架不变。

如图6所示，开机上电后，先对单片机进行初始化，再对通信模块初始化。初始化包括设置串口工作方式、波特率，以及初始化变量参数和标志位。
 

本系统以单片机和GPRS通信技术为核心，适应现代农业发展的要求，实现了现代农业大棚的智能化监控。该系统既解决了大棚现场数据信息的自动获取问题，又可以远程智能监控农场的执行系统，满足了管理的要求，通过GPRS模块实现无线上网，为上级管理者提供方便，节省了大量的人力物力。设计成本适中，实用性强，对同类设计有重要的借鉴作用。