基于GPRS的作物信息無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于GPRS的作物信息無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：為了解決作物水分信息的快速獲取和無線遠(yuǎn)程傳輸問題。本文以PTM-48M作為數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測系統(tǒng)，基于GPRS無線傳輸技術(shù)，通過系統(tǒng)集成，提出了的作物信息無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)測定和遠(yuǎn)程傳輸功能。闡述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。并從軟硬件兩方面描述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：傳感器；GPRS；作物信息無線監(jiān)測系統(tǒng)1、引言對(duì)作物水分狀況進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、可靠的評(píng)價(jià)，是以實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷與作物水分狀況密切相關(guān)的作物水分信息為基礎(chǔ)的。因此作物信息無線監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)施灌溉決策和管理的重要基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系和精量灌溉工程系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。而先進(jìn)、可靠的作物水分信息采

2、集技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和采集設(shè)備則是精準(zhǔn)、快速、連續(xù)獲取作物水分信息的基礎(chǔ)保障。目前作物水分的數(shù)據(jù)采集、傳輸多為有線方式，而無線的數(shù)據(jù)傳輸方式相對(duì)較少。本文所闡述的作物水分無線遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)測系統(tǒng)即作物水分信息通過傳感器采得信號(hào)，經(jīng)PTM一48M處理后。通過GPRSDTU及GPRS、Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)中心根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策。實(shí)現(xiàn)了作物水分信息的無線實(shí)時(shí)傳輸，為實(shí)時(shí)診斷作物水分狀況提供了依據(jù)和保證。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，以及國家對(duì)三農(nóng)的的高度重視，特別是國家2012農(nóng)業(yè)國家一號(hào)文件頒發(fā)后。國家科技園、各大農(nóng)業(yè)園區(qū)、農(nóng)場等農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)企業(yè)積極尋求在良種培育、節(jié)本降耗、節(jié)水灌溉、農(nóng)機(jī)裝

3、備、新型肥藥、疫病防控、加工貯運(yùn)、循環(huán)農(nóng)業(yè)、海洋農(nóng)業(yè)、農(nóng)村民生等方面的高新技術(shù)，力求突破現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)技術(shù)瓶頸，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。 浙江托普儀器有限公司和浙江大學(xué)合作積極響應(yīng)科技興農(nóng)政策突出農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重點(diǎn)，研發(fā)出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過通過射頻識(shí)別（rfid）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備等新型技術(shù)將農(nóng)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)連接起來提大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率和精細(xì)管理，避免了“瘦肉精”、 “毒辣椒粉”、“紅心鴨蛋”等問題的再次發(fā)生，保證了食品的安全和產(chǎn)量。目前此物聯(lián)系統(tǒng)已在全國多家科技園、示范園區(qū)、農(nóng)場、科研所、院校等區(qū)域成功運(yùn)行，技術(shù)穩(wěn)定成熟，功能齊全。為在農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜牧養(yǎng)

4、殖業(yè)等領(lǐng)域的生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立智能化控制、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施將大大提高國家推進(jìn)科技創(chuàng)新增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的步伐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將開啟農(nóng)業(yè)生產(chǎn)騰飛的新篇章。 托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)品均屬于自有品牌，自主研發(fā)生產(chǎn)。 托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括三個(gè)層次：感知層：采用各種傳感器（如溫濕度、光照、CO2、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、土壤溫濕度等）獲取植物的各類信息。傳輸層：信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和信息路由設(shè)備傳到控制中心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自由配對(duì)、任意監(jiān)控、互不干擾。應(yīng)用層：根據(jù)WSN獲取植物實(shí)時(shí)生長環(huán)境。圖溫濕度、光照參數(shù)等，收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)和管理實(shí)現(xiàn)整個(gè)測試點(diǎn)的信息動(dòng)態(tài)顯示

5、，并根據(jù)各類信息進(jìn)行自動(dòng)灌溉、施肥、噴藥、降溫補(bǔ)光等控制、對(duì)異常信息進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。加裝攝像頭可以對(duì)每個(gè)大棚和整個(gè)園區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。2 GPRS的概述及技術(shù)優(yōu)勢GPRS(GeneralPacket Radio Service通用無線分組業(yè)務(wù))作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)GSM向第三代移動(dòng)通信(3G)的過渡技術(shù)，是一種基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，面向用戶提供移動(dòng)分組的IP或者X25連接。GPRS在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級(jí)。形成了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體，提供端點(diǎn)到端點(diǎn)的、廣域的無線IP連接。GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)。它以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，用戶

6、通過GPRS可以在移動(dòng)狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括收發(fā)Email、進(jìn)行Internet瀏覽等。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信 通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到數(shù)據(jù)中心(如圖2所示)。道又可以由多個(gè)用戶共享。資源被有效的利用。使用GPRS，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量、時(shí)間計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本胡。GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。GPRS的技術(shù)優(yōu)勢如下：(1)GPRS一個(gè)最“招人”的特點(diǎn)就是“永遠(yuǎn)在線”。GPRS采用的是分組交換技術(shù)，不需要像Modem那樣撥號(hào)連接用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)才占用資源。(2)支持中、高速率數(shù)據(jù)傳輸，可為每個(gè)用戶提供90517

7、12kbits的數(shù)據(jù)傳輸速率。(3)GPRS網(wǎng)絡(luò)接人速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。(4)GPRS的設(shè)計(jì)使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。GPRS能在O51秒之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)的重新傳輸。(5)GPRS的安全功能同現(xiàn)有的GSM安全功能一樣。不過GPRS使用的密碼算法是專為分組數(shù)據(jù)傳輸所優(yōu)化過的。(6)用戶數(shù)據(jù)在MS和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間透明地傳輸。它使用的方法是封裝和隧道技術(shù)。(7)覆蓋較好，與現(xiàn)有無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(集群、雙向傳呼、CDPD、CDMA)相比，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋是最好的。3 系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)由上位機(jī)(數(shù)據(jù)中心)、下位機(jī)(PTM一48M)、通信系統(tǒng)(GPRS DTU、

8、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Intemet、校園網(wǎng))三部分組成。主要是通過PTM-48M所攜帶的土壤水分等各類傳感器采集的數(shù)據(jù)信息通過串口通訊RS一232到GPRS DTU然后GPRS DTU將數(shù)據(jù)打成IP包，經(jīng)GPRS空中接口接入無線GPRS網(wǎng)絡(luò)。由移動(dòng)服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet。到教育網(wǎng)一校園網(wǎng)。最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到數(shù)據(jù)中心(如圖2所示)。4整體系統(tǒng)構(gòu)成41數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測主要使用PTM一48光合作用監(jiān)測儀又叫生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。以及其攜帶的適配傳感器。411 PTM48光合作用監(jiān)測儀的工作原理 PTM_48光合作用監(jiān)測儀是自動(dòng)監(jiān)測葉片CO：氣體交換及蒸騰作用的四通道系統(tǒng)。此系統(tǒng)帶有一套

9、四個(gè)獨(dú)創(chuàng)的自動(dòng)開合葉室。葉室逐一運(yùn)轉(zhuǎn)。在開放的光合系統(tǒng)中，CO：的交換由CO：輸出濃度(Cout)的降低量決定，次濃度的降低量是與引入的周圍環(huán)境空氣(Cm)相比較得出的。CO：交換率可以由以下公式計(jì)算：E=kx(CinCoutxF(1)其中，F(xiàn)是空氣流速，K是環(huán)境岡素系數(shù)，由空氣溫度及壓力決定系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算此系數(shù)。蒸騰速率可按下列公式計(jì)算：Tr=(HoutHin)xF (2)其中。H是空氣中蒸氣的絕對(duì)濃度。為縮短測量周期。Hout在葉室關(guān)閉后20秒到30秒之問的穩(wěn)定期進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算Hout時(shí)也考慮到了葉室內(nèi)部濕度的增加。因此也測定了周圍空氣濕度的初始蒸發(fā)速率。412操作模式分手動(dòng)模式和自動(dòng)模式

10、。手動(dòng)模式僅用于測試及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在此模式中系統(tǒng)可通過系統(tǒng)控制臺(tái)面板上的控制面板控制也可由終端模擬程序控制。自動(dòng)模式是主要操作模式。通過終端模擬程序即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集初始化。413傳感器選配PTM-48光合監(jiān)測儀有11個(gè)通道可連接選配傳感器。激發(fā)電壓有：+15Vdc，一15Ddc，+5Vdc。最大負(fù)載電流為03A。輸入電壓：025Vdc。PIR一1光合作用輻射傳感器。1IR_4總輻射傳感器，ATH一2空氣溫濕度傳感器，SMS一2土壤濕度傳感器，LT一2M葉片溫度傳感器SF4M、SF一5M莖流相對(duì)速率傳感器，SD一5M或SD一6莖干微變化傳感器。DE一1M電子點(diǎn)位測樹器，F(xiàn)ILM、F1一MM、F1一

11、XSM水果生長傳感器，SA一2或薩一20莖干生長測量計(jì)。42數(shù)據(jù)終端及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)本文選用的GF一2008AW型GPRS I)TU GPRS無線數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品，內(nèi)置西門子MC39i模塊。模塊在使用時(shí)需要安裝已經(jīng)開通GPRS功能的SIM卡和手機(jī)一樣在移動(dòng)網(wǎng)中具有唯一的ID。該設(shè)備采用安全、透明的傳輸機(jī)制能適用于各行業(yè)用戶的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)特別適用于間斷性的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，該設(shè)備還可提供命令狀態(tài)下的TCPUDP傳輸方式。用戶采用命令方式只需對(duì)下位機(jī)進(jìn)行少量簡單的軟件編程開發(fā)就可實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的Intemet聯(lián)網(wǎng)該模式為用戶提供了一種更為靈活的串口設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的方法。該產(chǎn)品具有使用成本

12、低、準(zhǔn)確性高、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好、易于安裝、易于維護(hù)等特點(diǎn)，能夠?yàn)橛脩籼峁└咚?、永遠(yuǎn)在線、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和虛擬專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。421 GF一2008AW型 GPRS DTU具有的功能(1)支持GSM雙頻網(wǎng)絡(luò)和GPRS數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)等25代無線網(wǎng)絡(luò)。(2)易于安裝、維護(hù)；使用方便、靈活、可靠，即插即用。(3)強(qiáng)大的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)控制器，具備完整的TCMP協(xié)議棧及功能強(qiáng)大的透明傳輸保障機(jī)制，支持基于DDNS的動(dòng)態(tài)域名解析功能。(4)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)多種方式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；掉線自動(dòng)重新聯(lián)網(wǎng)功能。(5)不依賴于運(yùn)營商交換中心的數(shù)據(jù)接口設(shè)備，直接通過Intemet網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的構(gòu)建覆蓋全國范圍內(nèi)

13、的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。(6)內(nèi)嵌Watchdog芯片，提供多種復(fù)位機(jī)制，可軟件控制。(7)遠(yuǎn)程訪問服務(wù)功能，為用戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)提供了可靠的手段。422 DTU主要參數(shù)的設(shè)置(1)AT+IISP1=*99*1，接入網(wǎng)絡(luò)的特服號(hào)，通過特服號(hào)接人GPRS.(2)AT+IUSRN=WAP接入網(wǎng)絡(luò)的用戶名。(3)Ar+IPWD=WAP，接人網(wǎng)絡(luò)的密碼。(4)AT+IMIS=AT+CGDCONT-1，IP，cmnet，接入intemet。(5)AT+IHSRV=：端口號(hào)；由于數(shù)據(jù)中心(服務(wù)器)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，屬于內(nèi)網(wǎng)連接，服務(wù)器IP地址：2102794176。到校網(wǎng)絡(luò)中心開通的端口號(hào)為：6006。(6)A

14、T+IIPRT=端口號(hào)(6006)，設(shè)置了DTU的監(jiān)聽端口，用來等待監(jiān)聽遠(yuǎn)端客戶端跟其建立連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。(7)AT+ISTYP=0，該參數(shù)設(shè)置了通信協(xié)議類型TCP。(8)AT+ISNSI=串口參數(shù)的設(shè)置，其中波特率設(shè)為9 600bps，波特率不能設(shè)置太高，否則容易丟失數(shù)據(jù)。43數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心主要有PC機(jī)和操作軟件組成。主要有刪-48M光合作用監(jiān)測儀的操作軟件(PTM_48Mphotosynthesis and Transpiration Monitor)和虛擬軟件VSPM。虛擬軟件VSPM的設(shè)置如圖3所示。虛擬串口選擇了COM4和PTM一48選擇同樣的串口，2102794176為數(shù)據(jù)中心(服務(wù)器)的IP地址，6006是映射