基于GSM 技術的農(nóng)業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)

孫 倩，何 文，于 忠 得

（大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

農(nóng)業(yè)溫室是蔬菜、花卉等具有較高經(jīng)濟價值農(nóng)作物的種植場所。對溫室的溫度、濕度、光照度參數(shù)進行遠程監(jiān)控，實時了解溫室的環(huán)境參數(shù)，實時進行遠程調整，不僅有利于農(nóng)作物的優(yōu)質高產(chǎn)，而且節(jié)省人力成本［1］。

目前，國內在農(nóng)業(yè)溫室遠程控制中，大都采用基于WSN（無線傳感網(wǎng)絡）結合ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［2］。但是ZigBee技術在實際應用中存在很多缺點，例如易受干擾、通信距離短、不適合遠程監(jiān)控等。移動網(wǎng)絡（GSM）覆蓋域廣、接入迅速、按量計費，在遠程數(shù)據(jù)傳輸中具有很好的優(yōu)勢。

作者將嵌入式技術和GSM 技術相結合，用于農(nóng)業(yè)溫室的就地與遠程監(jiān)控，實現(xiàn)了參數(shù)的自動采集和遠程傳輸，降低了采集工作量，提高了數(shù)據(jù)采集精度和信息處理能力。

1 硬件系統(tǒng)設計

硬件系統(tǒng)組成如圖1所示，主要實現(xiàn)就地監(jiān)控與遠程監(jiān)控兩項功能。

圖1 硬件系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the hardware system

1.1 就地監(jiān)控

就地監(jiān)控由數(shù)據(jù)采集處理、微處理器和存儲器構成的主機、控制信號輸出及人－機接口幾部分組成。

數(shù)據(jù)采集部分，選取溫室內比較敏感的3個點，安裝溫度、濕度以及光照度傳感器，采集3種傳感器輸出的數(shù)據(jù)。

溫度傳感器選用Pt100，其長期穩(wěn)定性、測量精度滿足溫室溫度檢測的需求。在前向通道中，設計了惠斯登電橋電路實現(xiàn)R／V 轉換；設計了自穩(wěn)零放大電路，對電橋電路輸出的微弱電壓信號進行放大，達到S3C2440 內部A／D 轉換器要求的模擬電壓輸入范圍［3］。

濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT11，它將濕度傳感器、信號放大調理、A／D 轉換、I2C總線接口集成于一個芯片中。測量范圍：0～100% RH，測量精度：3% FS。輸出數(shù)字信號，可以直接接到S3C2440的I2C接口上。

光照傳感器選用美國TAOS 公司生產(chǎn)的TSL2561光強度傳感器，具有標準I2C 總線接口，涵蓋1～1 000 000lx的光照度范圍，適合農(nóng)業(yè)溫室光照強度的測量。

ARM 微處理器與存儲器構成硬件系統(tǒng)的主機電路，選用韓國三星公司生產(chǎn)的S3C2440作為微處理器。選用了4 MB 的NOR FLASH 作為程序存儲器，32 MB 的SDRAM 作為數(shù)據(jù)存儲器；128 MB的NAND FLASH，作為大容量數(shù)據(jù)存儲器。

選用遮陽網(wǎng)作為光照度參數(shù)的執(zhí)行器，選用加熱器作為溫度參數(shù)的執(zhí)行器，選用加濕器作為濕度參數(shù)的執(zhí)行器，三類執(zhí)行器均采用兩位式控制。采集的實時參數(shù)與設定值比較，出現(xiàn)偏差經(jīng)過相應的控制運算后，經(jīng)后向通道功率放大，開啟或關閉執(zhí)行器。

設計了帶有觸摸按鍵的彩色LCD 顯示屏作為監(jiān)控系統(tǒng)的人機接口，實現(xiàn)設置參數(shù)、觀察實時參數(shù)、歷史記錄數(shù)據(jù)和人工控制輸出的功能。

1.2 遠程監(jiān)控

采用西門子公司生產(chǎn)的TC35系列GSM 模塊，實現(xiàn)將采集到的實時數(shù)據(jù)通過GSM 網(wǎng)絡，以短信方式發(fā)送到指定的手機，并接收指定手機發(fā)出的遠程控制命令，啟動或關閉溫室內的控制設備，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

TC35系列GSM 模塊內部由GSM 基帶處理器，GSM 射頻模塊，供電模塊，閃存模塊，ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）連接器，天線接口組成。它與ARM 系統(tǒng)之間的通信是通過RS－232 串 行 接 口 進 行 的，通 信 速 率 為112.5 MB／s，采用8 位異步通訊方 式，1 個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位。

2 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)設計包括系統(tǒng)軟件移植、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制輸出、GUI界面設計和遠程通信設計。

系統(tǒng)軟件移植包括BootLoader移植、Linux內核移植、GTK 軟件移植和文件系統(tǒng)構建等。

數(shù)據(jù)采集主要是通過Linux系統(tǒng)的底層驅動來控制ARM 微處理器的I／O 口，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的讀取。

數(shù)據(jù)處理采集傳感器輸出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理、封裝、轉換，將數(shù)據(jù)轉化成便于對比和繪制的數(shù)據(jù)格式。

控制輸出是將采集的數(shù)據(jù)和用戶設定值進行比較，根據(jù)比較結果，通過Linux系統(tǒng)底層驅動實現(xiàn)對執(zhí)行器的控制。

2.1 基于GTK＋的用戶操作界面設計

GTK＋（GIMP Toolkit）是一套跨多平臺的圖形工具包，完全采用C 語言開發(fā)的圖形用戶編程接口［5］。

用戶操作界面有當前參數(shù)顯示、越限參數(shù)設置、越限報警提示、歷史數(shù)據(jù)顯示查詢、參數(shù)設置等。

系統(tǒng)主要對溫室中比較敏感的3 個點的溫度、濕度以及光照度進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。根據(jù)實際需要，每10s采集一組數(shù)據(jù)。其中，溫度數(shù)據(jù)采集顯示界面如圖2所示，顯示了不同溫室的溫度變化情況。

圖2 溫度曲線顯示界面Fig.2 The display interface for temperature curve

主要函數(shù)如下：

通過gdk＿cairo＿create函數(shù)創(chuàng)建一個cairo上下文，在該區(qū)域中畫線，最后利用cairo＿stroke＿preserve和cairo＿fill對線條進行輪廓的描繪和區(qū)域的填充。

越限參數(shù)設置的界面如圖3所示。

圖3 越限參數(shù)設置界面Fig.3 Parameters setting interface

參數(shù)設置界面是對溫度、濕度和光照度的期望值進行設置。越限參數(shù)設置界面實現(xiàn)參數(shù)越限值設置，圖3所示為溫室1、2、3點的報警上下限值設置。

主要的函數(shù)如下：

通過gtk＿notebook＿new 創(chuàng)建筆記本構件，將它加入到主窗體中。報警上下限參數(shù)的設置是通過創(chuàng)建option和gtk＿option＿menu＿set＿menu來實現(xiàn)的。

2.2 遠程通信設計

GSM 模塊通過RS－232串行接口與ARM 處理器通信，應用程序通過操作串行接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在遠程通信設計中，主要是串行接口程序設計和GSM 模塊通信程序設計。

2.2.1 串行接口程序設計

串行接口在Linux 系統(tǒng)下被表述為終端設備，用tty表示。以下是打開串口設備代碼：

打開串口設備后，需要進行串口的初始化工作，主要是設置struct termios結構體的各個成員值。如下所示：

系統(tǒng)調用函數(shù)tcsetattr 設置串口的屬性，TCSANOW 參數(shù)可以使設置的屬性立刻生效。根據(jù)實際應用進行參數(shù)設置完成后，通過readdatafromtty函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)，并檢測數(shù)據(jù)的有效性。

2.2.2 GSM 模塊通信程序設計

TC35I有AT 命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真等模式［6］。在軟件編程中，通過向GSM 通信模塊寫入不同的AT 指令，完成相應的功能。常用AT 命令如表1所列。

數(shù)據(jù)傳輸時，需要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行封裝，即按確定的通信協(xié)議實現(xiàn)通信。

查詢某檢測點實測參數(shù)命令如下：Rs#m／n。其中：R 為固定字符，表示查詢實測參數(shù)；s#為檢測點，s＝1、2、3分別表示1、2、3號檢測點；m 為參數(shù)類型，m＝1、2、3 分別表示溫度、濕度、光照度；／n為固定字符，表示結束。如：R1#2／n表示查詢1號檢測點的濕度。

表1 常用AT 命令Tab.1 Common command order of AT

短信查詢流程圖如圖4所示。

圖4 短信發(fā)送流程圖Fig.4 Flow chart of sending messages

短信查詢設計中，系統(tǒng)初始化串口和GSM模塊后使用AT＋CNUM 指令判斷號碼有效性。通過AT＋CMGF＝1 指令設置短信發(fā)送模式；AT＋CMGS＝“＊＊／n”設置短信接收端號碼；系統(tǒng)返回“＞”時，發(fā)送查詢的內容；系統(tǒng)返回“＋CMGS OK”時，表示發(fā)送成功。

系統(tǒng)收到短信查詢時，先判斷是否與設定的號碼一致，再讀取短信內容。設置系統(tǒng)回復格式如下：Ts#m（xx.y）／n。其中：T 為固定字符，表示系統(tǒng)回復；s#為檢測點，s＝1、2、3分別表示1、2、3號檢測點；m 為參數(shù)類型，m＝1、2、3分別表示溫度、濕度、光照度；（xx.y）為參數(shù)值，xx表示2位整數(shù)，y表示1位小數(shù)；／n為固定字符，表示結束。如：T2#1（35.2）／n表示2號檢測點的溫度值是35.2 ℃。

系統(tǒng)還具備遠程預警和控制功能。遠程預警是指檢測到參數(shù)異常時，系統(tǒng)會自主向工作人員發(fā)送報警信息。工作人員通過發(fā)送控制指令，實現(xiàn)溫室遠程控制。

3 結 論

系統(tǒng)在模擬環(huán)境下，進行了遠程監(jiān)控測試，測試結果說明了基于GSM 模塊的遠程雙向通信可靠、穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集、控制輸出部分采用了成熟的技術，其硬件電路方案和相應的軟件處理也經(jīng)實際考核，能夠滿足農(nóng)業(yè)溫室測控環(huán)境要求。

嵌入式系統(tǒng)技術和GSM 技術相結合的監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，創(chuàng)新之處在于農(nóng)業(yè)溫室中利用ARM9控制GSM 模塊，借助手機收發(fā)短信實現(xiàn)遠程監(jiān)控，提高了農(nóng)業(yè)溫室控制水平和監(jiān)控的便利性，降低了人工成本。

［1］楊靜，張磊.農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學，2011（4）：166－167.

［2］PARK D H，PARK J W.Wireless sensor networkbased greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention［J］.Sensors，2011，11（4）：3640－3651.

［3］于忠得，林敏，申華.嵌入式系統(tǒng)基礎教程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009：1－16.

［4］陳莉莉，楊雪瑩，周寧軒.基于ARM 的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.信息技術，2012（4）：36－39.

［5］韋東山.嵌入式Linux應用開發(fā)完全手冊［M］.北京：中國人民郵電出版社，2010：194－205.

［6］何華斌.基于嵌入式GSM 模塊的水文監(jiān)測系統(tǒng)的設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2012，35（8）：8－11.