基于GPRS技術(shù)在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘 要： 在果園的規(guī)劃和管理中，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)起著關(guān)鍵性作用。只有了解環(huán)境因素才能更好地應(yīng)對環(huán)境變化對產(chǎn)量的影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，在果園中建立無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)變得越來越重要，可以節(jié)省人力和時(shí)間。在此設(shè)計(jì)了一種模擬果園環(huán)境的無線監(jiān)測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集和分析方面的研究具有獨(dú)創(chuàng)性，以STC89C52為主芯片，采用GPRS技術(shù)，即基于模擬果園環(huán)境采集溫度和光強(qiáng)，由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)測終端數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測終端數(shù)據(jù)的采集和分析，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸，在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測環(huán)境溫度和光強(qiáng)。通過對電路和代碼進(jìn)行修改，整個(gè)系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 環(huán)境監(jiān)測； GPRS； LabVIEW； 果園管理

中圖分類號(hào)： TN919?34； TP393.1；TP873 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0060?03

中國擁有大面積的果樹種植地，水果產(chǎn)量居世界第一。在南方種植地多為山區(qū)和丘陵地帶，臺(tái)風(fēng)和降雨量的環(huán)境變化都會(huì)影響果園的產(chǎn)量。因此，只有了解環(huán)境因素才能更好地應(yīng)對環(huán)境變化對產(chǎn)量的影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，在果園中建立無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)變得越來越重要[1?3]，可以節(jié)省人力和時(shí)間。

目前，我國的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)量還很少，大部分果園還是以傳統(tǒng)的方法來進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集[4]。在各個(gè)領(lǐng)域的果園監(jiān)測中，數(shù)據(jù)的采集大多是通過傳感器，采集的精度可以根據(jù)選取的傳感器而定。環(huán)境監(jiān)測中選擇通信技術(shù)是工作中的重要內(nèi)容[5]。在現(xiàn)代通信技術(shù)中，由GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的GPRS技術(shù)也成為我國主流的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。由于GPRS技術(shù)有實(shí)時(shí)在線和費(fèi)用低廉的特點(diǎn)，所以在很多領(lǐng)域都用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)絡(luò)。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，GPRS網(wǎng)絡(luò)作為常用的通信方式，很多機(jī)構(gòu)都在利用GPRS做系統(tǒng)研究[6?8]。

1 系統(tǒng)總體功能

本系統(tǒng)通過監(jiān)測模擬果園環(huán)境實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測終端采集數(shù)據(jù)后通過通信模塊發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)從GPRS網(wǎng)絡(luò)到Internet網(wǎng)絡(luò)后由服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)再由LabVIEW編寫的上位機(jī)分析和處理，并根據(jù)相關(guān)要求顯示出來。其中監(jiān)測終端分為GPRS通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要是傳感器，測量參數(shù)決定了傳感器的選擇。數(shù)據(jù)處理模塊即控制芯片，把傳感器采集的數(shù)據(jù)分析和處理之后通過通信模塊發(fā)送。通信模塊的作用是把數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS的網(wǎng)絡(luò)中。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端電路總體框圖如圖1所示。通過總體設(shè)計(jì)方案和如下所述模塊選型，可在Altium Designer 10環(huán)境下畫出系統(tǒng)電路圖。

2.1 電源電路模塊

果園環(huán)境監(jiān)測是無人化的監(jiān)測端，前期電路研究中使用計(jì)算機(jī)USB供電和移動(dòng)電源供電的方式。實(shí)際情況下，用市電220 V作為供電電源更為合理。主要供給兩個(gè)電路：數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)處理端、SIM900A的通信模塊。數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)處理端由7805供電。在變壓器輸出端接了2W10的整流橋轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電，后經(jīng)過一個(gè)4 700 μF的大電容和104小電容濾波，再接一個(gè)7805穩(wěn)壓。SIM900模塊在GPRS數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，瞬間電流可能高達(dá)2 A@4 V，考慮到此種情況，采用開關(guān)穩(wěn)壓器LM2596。LM2596是一款降壓型電源管理集成電路，最大可以輸出3 A的電流，輸出電壓誤差小，有自我保護(hù)電路，本研究中使用的是5 V固定輸出。LM2596的開關(guān)頻率為150 kHz，電路中只用了通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，使用這種開關(guān)電源簡化了電路。在該研究中，用到的LM2596是5腳TO?263表貼封裝（SMD）。由于本系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求不高，控制電路模塊即控制芯片采用的是STC89C52。

2.2 傳感器模塊電路模塊

傳感器模塊中，采集溫度的傳感器采用DS18B20。DS18B20中間I/O是控制管腳，加一個(gè)4.7 kΩ的上拉電阻，DS_OUT可接STC89C52的任意一個(gè)I/O口。光敏電阻是利用光電效應(yīng)制作出來的半導(dǎo)體，它的阻值在不同的光強(qiáng)下會(huì)發(fā)生變化。光強(qiáng)增大時(shí)，電阻會(huì)減小，光強(qiáng)減小時(shí)，電阻會(huì)增大。在本研究中，光敏電阻直接和一個(gè)電阻串聯(lián)，可把電流變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，ADC_IN接PCD8591的AIN0端。PCF8591是一款單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8 b CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。它有4個(gè)模擬輸入和1個(gè)模擬輸出，本研究電路只用到了一個(gè)A/D通道，這款芯片只有8位AD輸入，但已經(jīng)符合模擬系統(tǒng)的要求。芯片采用I2C總線通信協(xié)議，在PCF8591上輸入/輸出地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過IIC總線以串行方式傳輸?shù)?。電路中SCL接STC89C52的P1.5端口，SDA接STC89C52的P1.6端口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端的軟件設(shè)計(jì)代碼分為庫函數(shù)代碼和主函數(shù)代碼。庫函數(shù)包含lcd1602.c，pcf8591.c，ds18b20.c，gprs.c和其相關(guān)的頭文件。

程序開始執(zhí)行后初始化LCD1602、串口和SIM900A模塊的GPRS功能。初始化之后嘗試連接服務(wù)器，當(dāng)服務(wù)器連接成功后進(jìn)入while循環(huán)，在while循環(huán)中讀取PCF8591和DS18B20數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在LCD1602中和發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)中。

本系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸采用的是SIM900A模塊。本研究模擬的果園監(jiān)測系統(tǒng)的通信模塊為SIM900A，它是一款雙頻的GSM/GPRS模塊，在功能方面只需要用它的GPRS功能。在指令方面，它支持AT指令和SIMCom的AT指令，只需用普通的AT指令即可完成功能。

整個(gè)系統(tǒng)測試的重點(diǎn)是GPRS部分，由于其GPRS網(wǎng)絡(luò)在不同地點(diǎn)和不同時(shí)間穩(wěn)定性不同，網(wǎng)絡(luò)速度也不同，所以給測試帶來很多麻煩。還需要了解TCP/IP協(xié)議作上位機(jī)。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)連接部分需要一個(gè)公網(wǎng)的IP，本模擬系統(tǒng)采用的是通過中介服務(wù)器的方法。具體方法是：申請動(dòng)態(tài)域名，通過PING命令得到動(dòng)態(tài)域名的IP。動(dòng)態(tài)域名可以通過一些網(wǎng)站免費(fèi)申請，前提是申請的動(dòng)態(tài)域名具有類似內(nèi)網(wǎng)端口映射的功能。

3.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

面向?qū)ο筌浖伎梢跃帉懮衔粰C(jī)。C++，C#，Java等語言的集成環(huán)境提供了很多控件和庫供用戶調(diào)用。在本系統(tǒng)中，并沒有用到上述語言，而是用LabVIEW來編寫上位機(jī)。它是用圖形化編輯語言，不同于基于文本形式的開發(fā)環(huán)境，可以很快地編寫出一款適合的上位機(jī)。用LabVIEW開發(fā)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)處理軟件有很高的效率，LabVIEW自身已經(jīng)提供了有關(guān)TCP/IP的控件，可以直接通過添加的方式插入，更快地設(shè)計(jì)出合適的上位機(jī)。在編寫上位機(jī)之前需要了解接收到的數(shù)據(jù)是何形式。由于TCP/IP傳送的格式是string，所以在監(jiān)測終端需要對數(shù)據(jù)做一定的處理，使處理后的數(shù)據(jù)滿足：可以進(jìn)行可靠的傳輸；可以分析出溫度和光強(qiáng)。

由于在監(jiān)測終端的GPRS模塊提供的AT指令中，在服務(wù)器端需要解析的數(shù)據(jù)也將是字符串的格式。溫度和光強(qiáng)采集回來的數(shù)據(jù)是int型，轉(zhuǎn)換成字符串的方法和上述lcd1602軟件研究中提到的方法一樣。至于實(shí)際傳送的內(nèi)容，為了使服務(wù)器分辨出哪些字符是溫度、哪些字符是光強(qiáng)，可以在溫度和光強(qiáng)的字符串中間加標(biāo)志字符。比如要傳送的溫度數(shù)值是25，要傳送的光強(qiáng)是150，標(biāo)志字符是k，那么實(shí)際傳送的字符串就是“25k150”，即GPRS模塊發(fā)送到服務(wù)器的字符串是“25k150”，這樣，服務(wù)器接收到“25k150”的字符串后通過分析和處理即可得到數(shù)值的溫度和光強(qiáng)。為了更好地比較在一定時(shí)間內(nèi)溫度和光強(qiáng)的變化情況，在上位機(jī)中加入了波形圖表，每當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)到來，會(huì)記錄在波形圖表上。這樣在監(jiān)測果園環(huán)境的同時(shí)，可以知道環(huán)境在某一段時(shí)間內(nèi)的變化，從而做出相應(yīng)的處理。圖2是LabVIEW上位機(jī)整體的程序框圖。

4 測 試

4.1 監(jiān)測終端硬件和軟件測試

硬件測試主要是利用萬用表測穩(wěn)壓芯片的輸出電壓。由整流橋輸出接4 700 μF的電容，所以電流符合要求。而7805穩(wěn)壓芯片后穩(wěn)定電壓為5.1 V，符合要求。LM2596開關(guān)電源后穩(wěn)定電壓為5.08 V，同樣符合要求。所以電路電源部分電路符合測試要求。接著測試STC89C52是否正常起振，用萬用表測得晶振兩管腳電壓均在2.12 V左右，說明可以正常起振。然后測試下載功能，下載軟件用的是stc?isp v6.57，先用任意一個(gè)hex文件來測試下載，下載成功。圖3為測試下載成功圖。測試數(shù)據(jù)采集模塊，首先測試LCD1602的驅(qū)動(dòng)，可以正常顯示字符，說明LCD1602可以工作。添加ds18b20和pcf8591的驅(qū)動(dòng)后，采集數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過分析和處理顯示在LCD1602上，得到模擬環(huán)境的光強(qiáng)和溫度。測試結(jié)果與當(dāng)時(shí)環(huán)境的數(shù)據(jù)相近，說明數(shù)據(jù)采集模塊可以正常工作。

4.2 服務(wù)器端上位機(jī)測試

編寫上位機(jī)后，需要對上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信功能進(jìn)行測試，需要用到網(wǎng)絡(luò)測試助手。在網(wǎng)絡(luò)測試助手中，把協(xié)議類型設(shè)置成TCP Client，服務(wù)器IP地址設(shè)置成127.0.0.1，即本機(jī)地址，端口設(shè)置成10006。先打開上位機(jī)進(jìn)行TCP偵聽，然后再打開網(wǎng)絡(luò)測試助手的連接，連接成功后發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到上位機(jī)中，檢測是否分析出正確的數(shù)據(jù)、是否在波形圖表中正確顯示、是否可以設(shè)置警告溫度和光強(qiáng)。

同3.2節(jié)所述，用‘k’作為分隔符，發(fā)送不同的模擬數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中，測試查看LabVIEW是否收到數(shù)據(jù)，上位機(jī)中左上方“接收的數(shù)據(jù)”即是收到的網(wǎng)絡(luò)中最原始數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明LabVIEW上位機(jī)能正確接收從網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送來的數(shù)據(jù)。之后，測試警告燈的邏輯是否正確，是否會(huì)在超出警告范圍時(shí)報(bào)警。

圖4為測試服務(wù)器端上位機(jī)圖。本系統(tǒng)在某一時(shí)間段間隔5 min測試數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

GPRS技術(shù)應(yīng)用較廣，利用GPRS技術(shù)解決實(shí)際問題更加方便易行。本文研究了模擬果園環(huán)境的無線監(jiān)測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集和分析方面的研究具有獨(dú)創(chuàng)性，在芯片選型方面采用合理、廉價(jià)的方案。通過LabVIEW的上位機(jī)對模擬果園環(huán)境采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，合理并有效地對電路和代碼進(jìn)行修改，使整個(gè)系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

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