融合物聯(lián)感知與GSM的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

安 康，方凱磊，李 靜

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江杭州310012）

融合物聯(lián)感知與GSM的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

安 康，方凱磊，李 靜

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江杭州310012）

針對傳統(tǒng)果苗生長環(huán)境信息獲取科學(xué)度低、時效性差等不足，將物聯(lián)感知與GSM技術(shù)應(yīng)用到果苗生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中.通過采集果苗生長所需的空氣和土壤溫濕度信息，利用GSM TC35i模塊以短消息的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸，實時將采集的信息發(fā)送到果農(nóng)手機端.測試結(jié)果表明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，有利于減輕果農(nóng)勞動強度、提高果苗生長品質(zhì).

果苗；環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)感知；GSM

我國果樹園林業(yè)正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期.果苗生長所需的土壤水分直接影響到果苗生長代謝的各個方面，但目前果農(nóng)對果苗生長所需空氣和土壤溫濕度信息的獲取大多憑借經(jīng)驗和直覺推測，科學(xué)度低、時效性差，難以保證監(jiān)測的實時性和有效性，導(dǎo)致只能被動地實現(xiàn)保溫、降溫、遮陽和防雨而不能主動調(diào)節(jié)溫、水、肥等生長參數(shù)信息，最終成為限制果苗優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的主要障礙.因而果苗生長環(huán)境參數(shù)（空氣溫濕度、土壤溫濕度）的監(jiān)測對果苗的生長發(fā)育、栽培技術(shù)的實施產(chǎn)生極其重要的影響［1－5］.

本文構(gòu)建了一個果園環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)，運用物聯(lián)感知與移動通信技術(shù)實時對果苗生長所需的空氣和土壤溫濕度信息進行采集和監(jiān)測，以現(xiàn)場直觀顯示和遠程短信的方式讓果農(nóng)了解果苗的生長狀況.

1 果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

果園環(huán)境信息遠程監(jiān)測系統(tǒng)主要是對果苗生長參數(shù)（空氣溫濕度和土壤溫濕度）進行遠程監(jiān)測.圖1為該系統(tǒng)原理圖.系統(tǒng)由底層的遠程監(jiān)測采集感知端、中間層移動GSM網(wǎng)絡(luò)和上層移動客戶端3部分構(gòu)成.采集感知端對果苗生長參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，由控制器對數(shù)據(jù)進行處理，利用串口與GSM模塊進行通信，并通過SMS AT指令將數(shù)據(jù)信息依靠移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶終端，用戶端對短信進行PDU解碼，從而使用戶隨時掌握果苗生長參數(shù)信息.

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)工作時，用戶通過移動GSM網(wǎng)絡(luò)，融合物聯(lián)感知技術(shù)遠程監(jiān)測果苗生長參數(shù)信息.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Scheme of system framework

1.2.1 果園環(huán)境信息現(xiàn)場采集感知端

現(xiàn)場端通過傳感器感知果苗生長環(huán)境的空氣溫濕度和土壤溫濕度，并對感知的信息進行實時采集；處理器采用8051單片機對采集的信號進行處理，并將處理的數(shù)據(jù)通過液晶LCD在現(xiàn)場端實時顯示，如果任何一項監(jiān)測指標超過或低于設(shè)定門限值，現(xiàn)場監(jiān)測電路報警，鳴響30 s；同時，感知的數(shù)據(jù)通過GSM通信模塊由移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶端.

1.2.2 移動客戶端

用戶隨時可發(fā)送控制指令到采集感知端，感知端在10～30 s內(nèi)自動向用戶端回傳短消息顯示當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù).如果監(jiān)測指標超出監(jiān)測范圍，將現(xiàn)場報警，同時現(xiàn)場監(jiān)測電路會自動發(fā)送報警短信到授權(quán)的用戶手機端.為了保證監(jiān)測的信息能夠準確地發(fā)送給用戶，預(yù)先設(shè)定5個號碼，逐次向已授權(quán)的5個號碼發(fā)送短信，用戶根據(jù)相應(yīng)短信內(nèi)容實時對果苗生長環(huán)境進行遠程監(jiān)測.

2 果園環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)電路設(shè)計

圖2 現(xiàn)場端數(shù)據(jù)采集電路框圖Fig.2 Scheme of site data acquisition circuit

2.1 數(shù)據(jù)采集端

圖2所示為現(xiàn)場端數(shù)據(jù)采集原理框圖.圖中傳感器DHT11感知果苗生長所需空氣溫濕度數(shù)據(jù)，SLHT5－1感知土壤溫濕度數(shù)據(jù)；單片機P1口和P3口分別讀入感知數(shù)據(jù)并計算空氣和土壤的溫濕度值，其中串行時鐘輸入SCK用于單片機與傳感器之間的通信同步，DATA用于數(shù)據(jù)的讀??；單片機P2口將感知的空氣和土壤溫濕度信息通過液晶LCD在現(xiàn)場端實時顯示；依據(jù)果苗正常生長信息，系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定監(jiān)測數(shù)據(jù)合理的門限值范圍，若傳感器感知的參數(shù)信息超過或者低于門限值，則單片機通過P3口控制報警電路，發(fā)出警情提示.

2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)端

單片機將采集的數(shù)據(jù)通過串行通信口P3.0和P3.1，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路與GSM模塊TC35i相連，控制TC35i對數(shù)據(jù)進行收發(fā)處理（圖3）.

GSM模塊負責(zé)將采集的信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程用戶端.區(qū)別于單片機的供電電壓5 V，GSM模塊的供電電壓為4.2 V.GSM模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息，通過40腳ZIF連接器，實現(xiàn)指令、數(shù)據(jù)及控制信號的雙向傳輸.

由圖3可見，GSM模塊通過ZIF連接器分別外接SIM卡存儲電路、模塊啟動電路和同步指示電路.SIM卡卡座中的引腳分別與TC35i模塊上的ZIF連接器24～29腳相連，引腳將SIM卡中的數(shù)據(jù)讀出供TC35i模塊使用.啟動電路需給ZIF連接器15腳加時長至少為100 ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小于1 ms，系統(tǒng)啟動后ZIF連接器15腳的信號應(yīng)保持高電平.同步指示電路為ZIF的32腳：當(dāng)LED熄滅時，模塊處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當(dāng)LED為600 ms亮／600 ms滅時，表明未插入SIM卡或正在搜索網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)LED為75 ms亮／75 s熄時，表明模塊已登錄網(wǎng)絡(luò)，處于待機狀態(tài)；LED閃爍，表明數(shù)據(jù)傳輸中.

圖3 單片機與GSM模塊接口電路圖Fig.3 Scheme of MCU and GSM interface circuit

3 果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場感知端軟件實現(xiàn)

現(xiàn)場感知端軟件實現(xiàn)的重點在于單片機通過串口向GSM TC35i模塊發(fā)送SMS AT指令實現(xiàn)短消息的發(fā)送和接收，用戶可以不受通信距離的限制實時掌握果苗生長信息.

3.1 短消息發(fā)送

運行GSM模塊時，需對串口進行初始化設(shè)置，單片機P2.7口給GSM ZIF15腳一個大于100 ms的低電平來啟動GSM工作.GSM初始化如下：

單片機通過GSM TC35i模塊發(fā)送AT指令和PDU數(shù)據(jù)包實現(xiàn)短消息的發(fā)送.設(shè)定短消息中心的指令格式“AT＋CSCA＝＋8613800571500”，向用戶發(fā)送短信格式“AT＋CSCA＝＋8615904091469”，短信內(nèi)容“air moisture：60%”，則GSM模塊發(fā)出PDU數(shù)據(jù)包編碼［6］格式“0891683108501705F511000B81510 9041964F90008A7200061006900720020006D006F006900730074007500720065FF1A003600300025”.利用短信業(yè)務(wù)的PDU模式將SMS地址、中心電話號碼、用戶號碼和空氣濕度信息進行Unicode編碼，壓縮為PDU數(shù)據(jù)包進行發(fā)送.字符串發(fā)送代碼如下：

3.2 短消息接收

現(xiàn)場感知端通過設(shè)定AT＋CMGR指令讀取用戶發(fā)送的信息，并對接收到的信息解碼，從短消息的PDU數(shù)據(jù)包中獲得接收所用的服務(wù)中心號碼、用戶號碼、短信發(fā)送時間等.

解析發(fā)送端號碼，判斷發(fā)送號碼是否為授權(quán)用戶，有效則執(zhí)行短信內(nèi)容（如對授權(quán)用戶發(fā)送監(jiān)測信息等），無效則刪除短信.

char Read Tel（） ／／讀取授權(quán)用戶號碼，允許授權(quán)5個

如果在設(shè)定的時間內(nèi)用戶沒有反饋信息，則停止等待回到主程序中.若收到用戶反饋信息，則通過“AT＋CMGR”命令，讀取短信息的PDU數(shù)據(jù)包，依據(jù)解析的代碼執(zhí)行相應(yīng)的AT指令.

4 系統(tǒng)測試過程與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)測試步驟

用手機對采集感知端遠程監(jiān)測，測試步驟如下：

1）授權(quán)號碼測試.為保證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全運行，先授權(quán)合法用戶.輸入“cmd138XXXX8084”，短信回復(fù)“Tel1 is OK！”說明用戶1授權(quán)成功，可繼續(xù)輸入“cmd＋用戶手機號碼”，則短信回復(fù)“Tel2 is OK！”.為了保障用戶可以準確收到感知的果苗生長信息，系統(tǒng)最多可設(shè)置5個授權(quán)用戶.

2）采集空氣和土壤溫濕度信息測試.發(fā)送短信“temp”到采集感知端，短信返回所有感知的果苗參數(shù)信息.其中“Air T”為空氣溫度，“Air RH”為空氣相對濕度，“Soil T”為土壤溫度，“Soil RH”為土壤相對濕度.

圖4 用戶終端指令操作界面Fig.4 Operating interface of user terminal commands

3）報警測試.任一項果苗生長監(jiān)測參數(shù)如不在門限值范圍內(nèi)，除了現(xiàn)場端報警之外，系統(tǒng)同時將警情信號發(fā)送到用戶端，返回短信為“ERROR！The value of XX is too high／low”.其中“XX”可分別代表“air temperature”（空氣溫度）、“air moisture”（空氣濕度）、“soil temperature”（土壤溫度）、“soil moisture”（土壤濕度）.

4）號碼刪除測試.若用戶想更換新的授權(quán)號碼，發(fā)送短信“del”到采集感知端，則返回短信為“All tel removed！”，此時可以重新授權(quán)用戶.

4.2 測試結(jié)果分析

選取一個采集感知端上電運行，用戶依據(jù)上述4個步驟順序操作：對“15904091469”用戶授權(quán)，發(fā)送“temp”指令，將采集感知端監(jiān)測信息以短信方式發(fā)送到用戶端，返回信息如圖4所示.空氣溫度16℃，空氣相對濕度30%，土壤溫度14℃，土壤相對濕度60%，接收該短信時間大約10 s.為便于測試分析，對采集感知端土壤傳感器人工加濕使其相對濕度超過設(shè)定的82%，結(jié)果現(xiàn)場電路報警，持續(xù)時間約25 s，同時警情短信“ERROR！The value of soil moisture is too high”發(fā)送到用戶手機端，告知用戶該項監(jiān)測數(shù)據(jù)超標，測試接收該警情短信時間大約5 s.若重新授權(quán)用戶則輸入“del”命令即可.采集感知端運行系統(tǒng)如圖5所示，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、工作良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確.

5 結(jié) 論

目前國內(nèi)果園生產(chǎn)管理主要靠人工完成，果園環(huán)境參數(shù)、果苗生長狀況大多依靠人為經(jīng)驗獲取.這種生產(chǎn)模式已遠遠跟不上果園生產(chǎn)自動化進程，工作效率低下、監(jiān)測誤差比較大.筆者給出的設(shè)計系統(tǒng)使果農(nóng)在任意時間、任意地點能夠通過手機實現(xiàn)對果苗生長參數(shù)的遠程監(jiān)測，確保果農(nóng)第一時間獲取果苗生長信息并及時處理，從而促進果苗生長，提高果實品質(zhì).該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于農(nóng)村蔬菜種植、花卉園藝等各類溫室大棚中環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，也可接入自動控制設(shè)備，將環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與自動控制聯(lián)合使用，形成一個完整的智能化控制系統(tǒng).

圖5 采集感知端調(diào)試界面Fig.5 Debug interface of acquisition perceived

參考文獻：

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Design of Monitoring System for Orchard Environment Based on IOT Perception and GSM

AN Kang，F(xiàn)ANG Kai－lei，LI Jing
（Qianjiang College，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310012，China）

In view of the poor accuracy and inefficiency of the acquisition of traditional fruit seeding growth environment information，IOT perception and GSM technology were applied to the fruit seeding growth environment monitoring system.The experiment collected the temperature and humidity information of air and soil for fruit seeding growth，achieved remote data transmission by short message with GSM TC35i module，and sent the collected information to the mobile clients.Test results show that the system performance is stability and monitoring data is accurate，the designed system is beneficial to reduce labor intensity and improve the growth quality of fruit seeding.

fruit seeding；environment monitoring；internet of things perception；GSM

TN92

A

1674－232X（2012）03－0269－06

10.3969／j.issn.1674－232X.2012.03.016

2012－03－30

浙江省科技創(chuàng)新新苗人才計劃項目（2011R421021）；2011年杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院科研項目.

安 康（1981—），男，講師，碩士，主要從事無線通信、WSN方面研究.E－mail：398824642＠qq.com