基于GPRS模塊溫室小氣候預(yù)警查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宮志宏++李春++薛慶禹

摘要 傳統(tǒng)的電話傳真、廣播電視、網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)短信等氣象信息發(fā)布在實(shí)際運(yùn)用中難以針對特定客戶提供設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室作物長勢和小氣候氣象數(shù)據(jù)及溫室外天氣狀況的預(yù)警查詢服務(wù)的問題，研究依托業(yè)務(wù)運(yùn)行的天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以GPRS模塊為基礎(chǔ)，通過VB.NET編程語言，SQL server數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，以Client/Server為構(gòu)架，建立了基于GPRS模塊的設(shè)施農(nóng)業(yè)預(yù)警查詢系統(tǒng)，通過電話、短信等接入手段，以短信、彩信自動(dòng)回復(fù)方式為媒介，實(shí)現(xiàn)了溫室小氣候的實(shí)時(shí)查詢、災(zāi)害天氣的多極自動(dòng)預(yù)警、發(fā)布一體化，提高了設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象預(yù)警信息的準(zhǔn)確率及查詢制作發(fā)布的時(shí)效性和針對性。

關(guān)鍵詞 GPRS；彩信；溫室小氣候；預(yù)警查詢；發(fā)布

中圖分類號(hào) P409 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）12-0335-03

Study on Warning and Query Based on GPRS Module for Greenhouse Microclimate Information

GONG Zhi-hong LI Chun XUE Qing-yu

（Tianjin Climate Center，Tianjin 300074）

Abstract In view of the time and place shortage of traditional weather information dissemination based on telephone，fax，radio，television，internet and SMS of meteorological observatory，using remote monitoring system of agricultural facilities，based on GPRS module，selected SQL server as database，Client/Server as structure and VB as programming language，the study established a warning and query system based on GPRS module for greenhouse microclimate information.By phone，SMS，MMS，the system has completed the integrated of real-time query of greenhouse microclimate，multi-polar automatic warning of weather disasters and information dissemination.Finally the study has improved the accuracy of weather warning of agricultural facilities and the effectiveness and relevance of services.

Key words GPRS；MMS；greenhouse microclimate；warning and query；dissemination

近年來，設(shè)施農(nóng)業(yè)逐漸成為農(nóng)民增收的重要增長點(diǎn)與突破口。而現(xiàn)有設(shè)施農(nóng)業(yè)類型中，日光溫室比例較大，但調(diào)控能力有限，受災(zāi)害性天氣影響風(fēng)險(xiǎn)性大[1-2]，迫切需要有針對性的農(nóng)業(yè)氣象保障[3]。傳統(tǒng)的電話傳真、廣播電視、手機(jī)短信等監(jiān)測預(yù)警信息難以針對特定農(nóng)戶提供設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室作物長勢和小氣候氣象數(shù)據(jù)及溫室外天氣狀況的查詢服務(wù)[4]。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，專門針對日光溫室的監(jiān)測預(yù)警方法技術(shù)欣然而起。黎貞發(fā)等[5]、馬為紅等[6]、關(guān)福來等[7]、武永峰等[8]基于B/S或C/S形式發(fā)布監(jiān)測預(yù)警信息，梁居寶等[9]通過3G進(jìn)行溫室小氣候及圖像的監(jiān)測，常國旭等[10]、徐巧年等[11]、張佐經(jīng)等[12]、宮志宏等[13]以短消息的方式將信息發(fā)送給用戶，于合龍等[14]用Android手機(jī)客戶端軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，劉德義等[4]、徐高威等[15]通過GPRS進(jìn)行溫室現(xiàn)場LED終端進(jìn)行預(yù)警信息發(fā)送。經(jīng)過幾年積累，目前國內(nèi)基本已擁有一套從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集入庫到桌面、網(wǎng)頁圖形圖像顯示、智能手機(jī)及LED信息發(fā)布技術(shù)。但是仍不能滿足農(nóng)村用戶沒有電腦、智能手機(jī)，或者遠(yuǎn)離電腦等情況時(shí)需要實(shí)時(shí)了解溫室狀況的需求。

本研究從提高氣象預(yù)警信息的時(shí)效性和針對性出發(fā)，將災(zāi)害性天氣多極預(yù)警、預(yù)警信息快捷制作和高效發(fā)布三者緊密結(jié)合[16]，根據(jù)用戶定制，自動(dòng)選定手機(jī)發(fā)布對象，實(shí)時(shí)發(fā)布預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了用戶與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)的雙向通訊[17]。以期能夠解決時(shí)間、地點(diǎn)的限制性，滿足用戶移動(dòng)性需求，提高日光溫室災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警能力。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)備組成

主要包括硬件部分（溫室自動(dòng)站、GPRS模塊和用戶手機(jī)端）和軟件部分（支撐數(shù)據(jù)庫平臺(tái)及設(shè)施農(nóng)業(yè)預(yù)警查詢軟件系統(tǒng)）。

1.1.1 溫室自動(dòng)采集站。溫室自動(dòng)采集站主要包括溫室小氣候自動(dòng)站（型號(hào)為DZN1）及溫室實(shí)景監(jiān)測自動(dòng)站（型號(hào)為CICI-IGHM-NVS3G-1）。其中，DZN1型自動(dòng)站主要采集溫室小氣候要素，包括溫室內(nèi)部空氣溫濕度、土壤溫度、光合有效輻射、二氧化碳濃度。CICI-IGHM-NVS3G-1型實(shí)景監(jiān)測系統(tǒng)主要采集溫室作物長勢長相圖片及溫室外棚室圖片。

1.1.2 GPRS模塊。系統(tǒng)采用WAVECOM GPRS模塊，內(nèi)嵌工業(yè)級(jí)通信模塊的雙頻調(diào)制解調(diào)器（WAVECOM Q2403A 工業(yè)型A級(jí)），采用寬電壓供電（5～32 V），可以在-20 ℃～+55 ℃運(yùn)行，通過計(jì)算機(jī)RS-232串口進(jìn)行來連接。模塊以彩信（MMS）或短信息（SMS）的方式向用戶發(fā)送監(jiān)控信息，用戶則通過手機(jī)短信或電話呼叫的方式對系統(tǒng)發(fā)送命令和進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。endprint

1.1.3 用戶手機(jī)端。無特殊要求，可收發(fā)短信息，并可接收彩信。

1.1.4 數(shù)據(jù)庫。具體有：①信息平臺(tái)數(shù)據(jù)庫。平臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用SQL網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，主要包括用戶表（User）、短信服務(wù)表（Sms）、來電服務(wù)表（Ring）、自動(dòng)站點(diǎn)信息表（Station）和日志表（Record）。User表用于設(shè)置用戶基本信息及權(quán)限，SMS表和Ring表作為用戶短信查詢編碼對應(yīng)表，與User表中SMS列和Ring列相關(guān)聯(lián)。Station表為設(shè)施農(nóng)業(yè)站點(diǎn)信息表，與User中Station列相關(guān)聯(lián)。②實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)主要依托目前已業(yè)務(wù)運(yùn)行的天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)SQL網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中包括DZN1型自動(dòng)站實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸?shù)臏厥倚夂蛞兀珻ICI-IGHM-NVS3G-1型實(shí)景監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)臏厥覂?nèi)外圖片以及天津氣象區(qū)域自動(dòng)站采集的溫室外溫度、風(fēng)速要素。本系統(tǒng)中主要用的2張表，分別為數(shù)據(jù)庫溫室小氣候要素表（TabtimeData）和溫室內(nèi)外圖片信息表（ImageData），TabtimeData每隔10 min更新1次，ImageData每隔1 h更新1次。

1.1.5 溫室小氣候預(yù)警查詢軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)在GPRS模塊和實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上開發(fā)完成，系統(tǒng)采用Vb.net開發(fā)。核心界面包括用戶管理、功能瀏覽、系統(tǒng)設(shè)置、初始化及發(fā)布5個(gè)模塊。用戶管理模塊包括不同級(jí)別用戶的添加、修改及刪除管理；功能瀏覽包括電話、短信查詢服務(wù)代碼（0～9）代表的含義解釋；系統(tǒng)設(shè)置包括SQL數(shù)據(jù)庫路徑及災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)預(yù)警頻率的設(shè)置；初始化包括GPRS模塊連接及各功能的啟動(dòng)。發(fā)布主要為人工信息發(fā)布。

1.2 設(shè)備組裝與運(yùn)行

如圖1所示，系統(tǒng)包括圖中A、B兩部分。其中A部分為數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，工作原理為溫室自動(dòng)采集站實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)后通過GPRS和3G網(wǎng)絡(luò)的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)測校準(zhǔn)入庫。B部分為客戶端軟件系統(tǒng)，采用Client/Server結(jié)構(gòu)體系[18]。本研究重點(diǎn)為B部分。設(shè)備組裝與運(yùn)行時(shí)，首先安裝GPRS模塊電腦驅(qū)動(dòng)，然后將帶有SIM卡的GPRS模塊通過電腦串口[19]安裝于裝有溫室小氣候預(yù)警查詢軟件的服務(wù)器，啟動(dòng)軟件進(jìn)行初始化，等待返回模塊與移動(dòng)運(yùn)營商連接信息和數(shù)據(jù)庫連接信息[20]，如果二者均正確連接，則系統(tǒng)進(jìn)入偵聽狀態(tài)。之后用戶只需要通過能夠接收文字或圖片的已注冊的移動(dòng)設(shè)備與系統(tǒng)GPRS模塊聯(lián)系即可及時(shí)得到自己所需要的信息，不存在時(shí)間、地點(diǎn)限制。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 短期自動(dòng)預(yù)警

基于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)時(shí)傳輸?shù)霓r(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)和室外環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行短期預(yù)警。具體方式為：設(shè)置相應(yīng)的短期預(yù)警指標(biāo)，實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到指標(biāo)值進(jìn)行預(yù)警，包括每年12月1日至次年3月末5 cm地溫小于0 ℃的凍害預(yù)警，2～8 d的低溫寡照預(yù)警，溫室外風(fēng)速大于17 m/s的大風(fēng)預(yù)警。

2.2 手機(jī)溫室數(shù)據(jù)查詢反饋

用戶通過撥打電話或發(fā)送短信的方式對溫室數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，具體操作方式為：GPRS模塊收到指令后，通過RS-232傳到客戶端軟件系統(tǒng)，首先進(jìn)行身份識(shí)別[21]，剔除不合法用戶，之后根據(jù)不同用戶的定制需求及指令要求，進(jìn)行文字短信息或圖片彩信息反饋。反饋信息包括實(shí)時(shí)空氣溫濕度、實(shí)時(shí)二氧化碳濃度、溫室內(nèi)外圖片、日最高最低氣溫及幫助等信息。

2.3 人工信息發(fā)布

如遇突發(fā)性災(zāi)害或其他一些需要及時(shí)通知農(nóng)戶的信息，管理員可通過將短信息發(fā)送到客戶端系統(tǒng)或直接在客戶端服務(wù)系統(tǒng)操作進(jìn)行群發(fā)送或有區(qū)別發(fā)送，從而達(dá)到預(yù)警或發(fā)布的目的。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 軟件與GPRS模塊通信功能實(shí)現(xiàn)

由于GPRS模塊具有一個(gè)全雙工的串行通信口，因此客戶端PC機(jī)與模塊通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串口。建立客戶端系統(tǒng)的通信時(shí)，.net中的SerialPort串口類實(shí)現(xiàn)了該功能，通過確定通信協(xié)議中的端口號(hào)（COM1）、串口通信波特率（9600）、數(shù)據(jù)位（8）、奇偶校驗(yàn)（0）、停止位（1）、讀超時(shí)（1000）等信息[21]，與GPRS模塊建立連接。系統(tǒng)通過SerialPort類中的DataRecieved事件，監(jiān)控串口的接口緩沖，實(shí)現(xiàn)一旦有數(shù)據(jù)進(jìn)來，應(yīng)用SerialPort類提供的ReadReadLine等函數(shù)立刻處理。數(shù)據(jù)的發(fā)送應(yīng)用SerialPort類中Write和WriteLine實(shí)現(xiàn)。

3.2 數(shù)據(jù)的接收與反饋

用戶想要得到系統(tǒng)的反饋，需通過管理員進(jìn)行注冊，注冊方式為管理員直接在電腦客戶端軟件注冊或通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程注冊，之后用戶可以根據(jù)權(quán)限接收預(yù)警信息或進(jìn)行查詢獲取反饋信息，例如，當(dāng)你撥打電話或發(fā)送短信代號(hào)時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶定制進(jìn)行反饋。這些功能的實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)后臺(tái)通過4個(gè)關(guān)聯(lián)表來完成，分別為User、Ring、Sms和Station表。以發(fā)送短信息為例，如圖2所示，當(dāng)用戶編輯指令發(fā)送到客戶端GPRS模塊后，系統(tǒng)偵聽到戶手機(jī)號(hào)碼、通信方式或發(fā)送指令，并和User表中的用戶進(jìn)行比較，如不存在該用戶，過濾非法連接；如存在此用戶，查看指令內(nèi)容，如果指令為管理員，為用戶注冊信息，查看Uers表中Permissions列的代碼（0—普通用戶，1—管理員），匹配且指令格式正確，注冊成功并反饋?zhàn)猿晒π畔?，否則返回幫助信息；如果為要素查詢，查看User表中Sms列是否有服務(wù)代碼（0為無服務(wù)，1～8為功能，9為幫助），如果有服務(wù)，查看User表中Station列，并關(guān)聯(lián)到SMS及Station表，進(jìn)行相關(guān)服務(wù)分析，并進(jìn)行反饋。如果為撥打電話查詢則關(guān)聯(lián)到Ring表。

4 系統(tǒng)應(yīng)用示例

基于GPRS模塊溫室小氣候預(yù)警查詢系統(tǒng)依托已業(yè)務(wù)運(yùn)行的天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，在天津市寶坻區(qū)圣人莊，西青區(qū)青凝侯、武清農(nóng)科院創(chuàng)新基地，開展了溫室黃瓜和西紅柿等溫室蔬菜瓜果小氣候要素及其環(huán)境圖像信息的監(jiān)測，初步實(shí)現(xiàn)了溫室小氣候的手機(jī)電話、短信智能查詢和溫室災(zāi)害短期預(yù)警。endprint

經(jīng)過2年的運(yùn)行，結(jié)果顯示，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，及時(shí)性較強(qiáng)。溫室實(shí)時(shí)溫度、濕度、CO2濃度及環(huán)境圖像等要素的反饋及短期災(zāi)害預(yù)警能夠較為充分滿足農(nóng)戶對溫室大棚內(nèi)外環(huán)境的及時(shí)、準(zhǔn)確了解。

基于GPRS模塊設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主界面如圖3所示。用戶發(fā)送溫室內(nèi)環(huán)境圖片服務(wù)代碼后反饋的圖片如圖4所示，可較清晰地反映圖像中黃瓜的生長狀況。

5 結(jié)論

系統(tǒng)的應(yīng)用情況顯示，基于GPRS模塊設(shè)施農(nóng)業(yè)預(yù)警查詢系統(tǒng)性能穩(wěn)定、及時(shí)性強(qiáng)，通過電話、短信、彩信等方式，不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)空氣溫濕度、實(shí)時(shí)二氧化碳濃度、溫室內(nèi)外圖片、日最高最低氣溫及幫助等信息的自動(dòng)反饋，而且實(shí)現(xiàn)了溫室短期災(zāi)害自動(dòng)預(yù)警監(jiān)測預(yù)警及信息發(fā)布，最終實(shí)現(xiàn)了溫室小氣候的實(shí)時(shí)查詢、災(zāi)害天氣的多極自動(dòng)預(yù)警、發(fā)布一體化。

研究突破了傳統(tǒng)電話傳真、廣播電視、手機(jī)短信等氣象信息發(fā)布在時(shí)間、空間的局限性，可以全天24 h，無論用戶身在何方，只需帶有能夠接收文字和圖片的移動(dòng)設(shè)備，即可及時(shí)查詢溫室環(huán)境并接收預(yù)警信息及農(nóng)用天氣預(yù)報(bào)信息發(fā)布。

應(yīng)用本系統(tǒng)可有效地對設(shè)施農(nóng)業(yè)災(zāi)害性天氣進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，提高了針對特定客戶提供設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室作物長勢和小氣候氣象數(shù)據(jù)及溫室外天氣狀況的查詢服務(wù)，提高了設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象預(yù)警信息及查詢制作發(fā)布的時(shí)效性和針對性。

系統(tǒng)也存在一定的問題，由于應(yīng)用單卡GPRS模塊，當(dāng)用戶達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)在信息反饋時(shí)，會(huì)發(fā)生時(shí)間的滯后，后期可與運(yùn)營商協(xié)商，購置相應(yīng)的服務(wù)從而進(jìn)行改進(jìn)。

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