基于GPRS短消息的溫室環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)

王加麗，仇潤鶴

0 引言

溫室是一種能夠?yàn)橹参锷L創(chuàng)造最佳環(huán)境，避免外界四季變化和惡劣氣候的人工場所。溫室利用采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其他不適宜陸地植物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)能夠調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量[1]。溫室環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)是否符合規(guī)定，直接關(guān)系到溫室中作物的生產(chǎn)效率，因此對溫室的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控成為一個(gè)非常重要的問題。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的在于提出一種基于GPRS短消息的溫室環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)，是將實(shí)時(shí)采集到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)無線發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，從而實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以便及時(shí)將溫室環(huán)境調(diào)整為最適合植物生長的狀態(tài)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)首先使用溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等定時(shí)采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成一定范圍的模擬電壓信號，然后利用S3C2440微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并做相應(yīng)處理，存儲在S3C2440微處理器片內(nèi)RAM中；GPRS模塊與S3C2440微處理器通過RS232串口相連接，微處理器控制GPRS將存儲在片內(nèi)RAM中的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送到手機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，如圖1所示:

圖1 基于GPRS短消息的溫室環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的硬件選型及設(shè)計(jì)

2.1 傳感器

溫室傳感器技術(shù)是溫室控制中首要的，也是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，通過傳感器實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)，將環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)化為電信號，并傳送給AD轉(zhuǎn)換器。

惠邦公司生產(chǎn)的LT系統(tǒng)傳感器是專門針對溫室數(shù)據(jù)測量的傳感器，包括溫度、濕度、光照度傳感器等，均采用先進(jìn)的電路模塊技術(shù)開發(fā)變送器，用于實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的測量，輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓信號。當(dāng)接入12V電源時(shí)，溫度的量程是-20-80℃，濕度的量程是0-100%，光照強(qiáng)度的量程是0-10萬lux。輸出都是0-5V的模擬電壓信號。溫濕度傳感器和光照度傳感器的接線圖，如圖2所示:

圖2 （a）溫濕度傳感器接線圖

圖2 （b）光照強(qiáng)度傳感器接線圖

2.2 微處理器

負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、存儲和處理的嵌入式ARM9微控制器是整個(gè)溫室監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分。本系統(tǒng)采用了S3C2440處理器為系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺的微控制器。

S3C2440微處理器擁有10位CMOS ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器），該模塊是一個(gè)8通道模擬輸入的再循環(huán)類型設(shè)備。它可將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為10位二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)字編碼，最大轉(zhuǎn)換速率為2.5MHz。A/D轉(zhuǎn)換器支持片上采樣-保持功能和掉電模式的操作。輸入的模擬信號可以是外加電壓信號，也可以是由觸摸屏發(fā)來的坐標(biāo)信號。

ADC和觸摸屏接口功能方框圖，如圖3所示:

圖3 ADC和觸摸屏接口功能方框圖

當(dāng)使用觸摸屏設(shè)備時(shí)，觸摸屏接口的XM或YM只連接到地；當(dāng)未使用觸摸屏設(shè)備時(shí)，XM或YM被連接到模擬輸入信號給普通ADC轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中將A[0:2]作為輸入引腳。

將傳感器的輸出引腳接入微處理器的ADC模塊的A[0:2]引腳，分別對應(yīng)溫度、濕度和光照強(qiáng)度的采集值，再啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，即可實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換的參數(shù)以及傳感器所測數(shù)據(jù)與模擬電壓的線性關(guān)系可以由采集到的數(shù)字信號推算出原本的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光照強(qiáng)度）。數(shù)據(jù)的存儲和處理均可在S3C2440微處理器中完成。

S3C2440微處理器的通用異步收發(fā)器（UART）配有3個(gè)獨(dú)立異步串行I/O端口，每個(gè)都可以是基于中斷或基于DMA模式的操作。換句話說，UART可以通過產(chǎn)生中斷或DMA請求來進(jìn)行CPU和UART之間的數(shù)據(jù)傳輸。其中一個(gè)UART通道轉(zhuǎn)換成RS232接口可與支持串口通信的模塊相連接。在對S3C2440微處理器進(jìn)行串口驅(qū)動(dòng)后，可以通過串口線與GPRS無線模塊相連并控制其發(fā)送數(shù)據(jù)給手機(jī)或遠(yuǎn)程控制中心。

2.3 GPRS的無線收發(fā)模塊

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[2]。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。

本系統(tǒng)采用了百億公司生產(chǎn)的GPRS模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。它的功能結(jié)構(gòu)，如圖4所示:

圖4 GPRS模塊的功能結(jié)構(gòu)圖

在GPRS中插入手機(jī)的SIM卡，并將GPRS與S3C2440微處理器通過串口線相連接，微處理器可以通過發(fā)送AT指令控制GPRS模塊發(fā)送溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。首先設(shè)定目標(biāo)手機(jī)號碼，然后將溫室環(huán)境數(shù)據(jù)加載到短消息內(nèi)容中，最后控制GPRS發(fā)送短消息。數(shù)據(jù)可以以短消息的形式發(fā)送到手機(jī)上，也可以發(fā)送給另一個(gè)遠(yuǎn)程的GPRS，該GPRS模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過串口線相連接，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心上建立超級終端后同樣可以通過發(fā)送AT指令讀取收到的短消息內(nèi)容。由此便實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。

GPRS模塊發(fā)送短消息的AT指令如下[3]:

AT+CMGF=1 //設(shè)置短消息格式為TEXT

OK

AT+CMGF=13917600768 //設(shè)置接收短消息的目標(biāo)號碼

>hello! //輸入短消息內(nèi)容，按Ctrl+Z發(fā)送

GPRS模塊接收短消息的AT指令如下:

AT+CMGF=1 //設(shè)置短消息格式為TEXT

OK

AT+CMNI=2,1 //設(shè)置來短消息提示

OK

+CMTI:"SIM"，1 //來短消息提示:短消息

序列號為1，存儲在SIM中

AT+CMGR=1 //讀第一條短消息

+CMGR:"REC UNREAD","+8613917500768","11/04/30.

13:40:27+32"

hello！ //讀出的短消息

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)基于微處理器完成。程序采用ADS軟件開發(fā)并通過USB接口線下載至微處理器運(yùn)行。

#include"2440addr.h"

#include"2440lib.h"

#include"2440slib.h"

#include"LCD_TFT.h"

#include"mmu.h" //聲明頭文件

extern void LCD_Test(void);

extern void KeyScan_Test(void);

extern void Test_Touchpanel(void);//聲明外部函數(shù)，用于調(diào)用同一工程其他文件中的函數(shù)

void Main(void)

{

Board_Init();//開發(fā)板初始化

UART_Init_Device();//串口初始化

LCD_Test();//圖片顯示程序

Test_Touchpanel();//觸摸屏控制程序

KeyScan_Test();//按鍵掃描程序，數(shù)據(jù)發(fā)送和顯示的程序編寫在按鍵中斷中

}

主程序流程圖，如5所示:

圖5:主程序流程圖

4 系統(tǒng)的調(diào)試

系統(tǒng)各部分模塊正常連接后，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試。首先傳感器接12V電源使其正常工作，從而輸出模擬電壓信號。輸出引腳接入S3C2440微處理器的AD轉(zhuǎn)換模塊輸入引腳。微處理器啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在寄存器中，然后對數(shù)字信號加以處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，再由GPRS模塊發(fā)送出去。當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)不符合設(shè)定的安全范圍時(shí)，發(fā)送一條警報(bào)消息，當(dāng)終端發(fā)現(xiàn)有警報(bào)消息時(shí)即可采取相應(yīng)措施。

遠(yuǎn)程的GPRS與終端PC相連接，當(dāng)收到新消息時(shí)，自動(dòng)顯示提示，并通過AT指令控制GPRS顯示新信息，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制中心對溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。另外，通過改變目標(biāo)手機(jī)號碼，也可以將短消息發(fā)送給任意的手機(jī)用戶。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于GPRS短消息的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:可實(shí)時(shí)收發(fā)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，使得相關(guān)人員能在第一時(shí)間掌握溫室環(huán)境狀況；采用GPRS短消息的無線傳輸方式，極大地簡化了通信協(xié)議，且功耗低，安裝方便；數(shù)據(jù)的發(fā)送目標(biāo)不僅可以是遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，還可以是移動(dòng)智能終端（手機(jī)），使監(jiān)測更加輕松便捷；界面可視化，人性化，易于操作，因此具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

[1]李慧,劉毅,溫室控制技術(shù)的發(fā)展方向[J].林業(yè)機(jī)械和木工設(shè)備,2004(5),4-7

[2]李洪波,趙建平.基于LPC2138和GPRS技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)[J].電子技術(shù),2009(7),56-60

[3]邵延華,吳斌等,基于LPC2292和μC/OS-II的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息化縱橫,2009(16),86-88