基于GPRS的荔枝園防盜遠程監(jiān)測系統(tǒng)

唐 宇，駱少明，黃偉鋒，張培鋒，王克強

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動化學(xué)院，廣州 510225)

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基于GPRS的荔枝園防盜遠程監(jiān)測系統(tǒng)

唐 宇，駱少明，黃偉鋒，張培鋒，王克強

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動化學(xué)院，廣州 510225)

針對種植規(guī)模大的荔枝園勞動力短缺以致安保管理困難的問題，提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的防盜遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機控制模塊、GPRS通信模塊、傳感器模塊、顯示模塊、報警模塊及遠程數(shù)據(jù)中心6部分組成，借助GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，實時地將荔枝園現(xiàn)場的防盜信息發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)對異常情況的報警。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)的平均數(shù)據(jù)傳輸時間為29.91s，6種傳感器相鄰安裝模式中能正常報警的模式有兩種。一種模式是傳感器間距為3cm且夾角為30°，人到傳感器距離為40cm；另一種模式是傳感器間距為6cm且夾角為30°，人到傳感器距離為70cm。該系統(tǒng)安全性高，使用靈活，相比傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)更有優(yōu)勢。

遠程監(jiān)測；AT89S52；防盜；GPRS；荔枝園

0 引言

近年來，隨著農(nóng)機電子產(chǎn)品自動化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對電子設(shè)備的需求領(lǐng)域逐漸變寬，越來越多的人們選擇大面積的果園進行水果種植[1-2]，我國嶺南地區(qū)的荔枝園產(chǎn)業(yè)規(guī)?；黠@。由于荔枝種植業(yè)具有地域分散[3]、對象多樣和環(huán)境因子不確定等特點，園內(nèi)盜竊案經(jīng)常發(fā)生[4-6]。傳統(tǒng)的防盜報警產(chǎn)品多采用四周布線方式，應(yīng)用斷線報警原理，達到防盜目的，其布線工作量大且容易暴露，斷線成本迅速提高。因此，設(shè)計一種安裝拆卸方便、體積小和性價比高且具有一定實用價值的無線防盜報警系統(tǒng)將對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實意義。

GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù))是目前基于時分多址技術(shù)的移動通訊體制中比較成熟、完善、應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)[7]。它采用蜂窩式小區(qū)結(jié)構(gòu)，在用戶密集的地區(qū)采用小區(qū)制，提高了頻率利用率，容量也不存在問題[8-9]，主要提供語音、短信息及數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)?；贕PRS的數(shù)據(jù)傳輸功能可做成各種檢測、監(jiān)控數(shù)據(jù)信號和控制命令的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，能廣泛用于遠程監(jiān)控[10]、定位導(dǎo)航及個人通信終端等。

本文設(shè)計了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的荔枝園防盜遠程監(jiān)測系統(tǒng)，包括信號采集處理、GPRS無線發(fā)送接收及報警顯示部分。紅外熱釋電傳感器采集人體紅外信號后，輸入給處理器，通過GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行無線信息傳輸和報警，把報警地點的具體位置發(fā)送到荔枝園安保人員的手機屏幕上，使安保人員實時監(jiān)控果園狀態(tài)，從而解決荔枝園的防盜問題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

報警系統(tǒng)由處理器模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、GPRS模塊、顯示模塊、報警模塊和遠程數(shù)據(jù)中心等6部分組成，如圖1所示。處理器模塊以AT89S52單片機為核心，通過異步串行口(UART)與GPRS模塊連接，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信；通過普通I/O口控制其它模塊的工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的全部軟硬件功能。

荔枝園現(xiàn)場的盜情信息被傳感器實時采集后，通過GPRS 分組數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠端的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)。SGSN(Serving GPRS Support Node，GPRS服務(wù)支持節(jié)點) 和GGSN(Gateway GPRS Support Node，網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點)利用GPRS隧道協(xié)議(GTP) 對IP分組進行封裝，并以端到端方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

1.1 單片機與GPRS模塊的接口設(shè)計

AT89S52單片機以RXD、TXD和GND三線形式的異步串行口與Motorola公司的GPRS模塊G20進行數(shù)據(jù)雙向全雙工通信[11-12]，發(fā)送指令，使G20模塊完成聯(lián)網(wǎng)掛接、注冊登錄和短消息收發(fā)等相應(yīng)操作，同時監(jiān)聽接口，接收來自G20的回傳數(shù)據(jù)。由于AT89S52與G20模塊分別采用DC+5V和DC+3.3V供電，兩者的I/O電平不一致，不能直接與電氣連接，需通過電平轉(zhuǎn)換電路進行數(shù)據(jù)通信。轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。電路的核心是EL817C高速光耦，實現(xiàn)兩端電氣隔離與信息耦合傳輸。AT89S52的TXD口電流輸出能力較弱，需經(jīng)過7404同相驅(qū)動器才能正常點亮光耦中的發(fā)光二極管。G20開發(fā)板具有通信接口電平切換、通信接口選擇、來電顯示和信號顯示等功能，其TXD口通過一個8050NPN型三極管實現(xiàn)邏輯反相和驅(qū)動電流增強。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

圖2 單片機與GPRS模塊接口

1.2 單片機與人體感應(yīng)模塊的接口設(shè)計

AT89S52通過普通I/O口P1.0接收人體感應(yīng)模塊HC-SR501的感測信息，其接口如圖3所示。HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品，可實現(xiàn)全自動感應(yīng)、光敏控制、溫度補償和雙模式觸發(fā)等功能，具有工作電壓范圍寬、功耗低和輸出電平通用性強等特點。

圖3 單片機與人體感應(yīng)模塊接口

1.3 單片機與顯示模塊的接口設(shè)計

LCD1602顯示屏是顯示模塊的核心，可顯示阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等信息，系統(tǒng)采用該模塊的“2行16個字”的模式顯示相關(guān)檢測數(shù)據(jù)和報警信息，顯示模塊與單片機的接口電路如圖4所示。

圖4 單片機與顯示模塊接口

1.4 報警電路設(shè)計

系統(tǒng)中的報警電路核心為直流蜂鳴器，采用直流電壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，通過執(zhí)行相關(guān)程序使單片機驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)報警，具體電路如圖5所示。

圖5 報警電路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

荔枝園防盜遠程報警系統(tǒng)的果園端軟件采用C語言編寫，分為單片機主程序和子程序兩大部分。主程序主要完成系統(tǒng)中各功能單元的初始化工作，并不斷循環(huán)檢測人體感應(yīng)模塊輸出的檢測信息，一旦發(fā)現(xiàn)異常便啟動報警并發(fā)送警示短信，如圖6所示；子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的各個子功能，主要包括傳感器信息采集程序、液晶顯示程序和報警模塊程序等。

圖6 主程序流程圖

2.1 傳感器信息采集子程序

系統(tǒng)中的傳感器為HC-SR501和DS18B20兩種，HC-SR501的輸出信號只有高、低電平兩種狀態(tài)，信息讀取較為簡單；DS18B20采用串行總線的硬件結(jié)構(gòu)和軟件協(xié)議，需按步驟進行初始化和讀、寫操作。DS18B20 的操作中，延時分兩種：短時間延時和較長時間延時。單片機系統(tǒng)所用的晶振頻率為12 MHz，根據(jù)DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫3個子程序：初始化子程序、寫命令或數(shù)據(jù)子程序和讀數(shù)據(jù)子程序，所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始。單片機讀取溫度信息控制程序流程如圖7所示。

圖7 溫度采集子程序流程圖

2.2 顯示子程序設(shè)計

系統(tǒng)中采用的顯示器件LCD1602液晶內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，單片機發(fā)出指令通過字符尋址的方法將要顯示的字符點陣分布信息讀出并顯示出來，其程序流程如圖8所示。

圖8 顯示子程序流程圖

2.3 報警模塊程序設(shè)計

系統(tǒng)的報警功能以發(fā)送GPRS遠程數(shù)據(jù)信息[17]和奏響本地蜂鳴器兩種方式實現(xiàn)。第一種方式中，通過單片機向G20發(fā)送以ASCII字符代碼組成的標準格式的AT指令實現(xiàn)，步驟如下(使用UDP協(xié)議)：

1)“at+mipcall=1,cmnet” 建立一個GPRS無線鏈接。

2)發(fā)送指令“at+mipopen=1,2000,”219.222.

73.240”,6800,1”打開一個端口(Socket)。

3)發(fā)送指令“at+mipsend=,”將要發(fā)送的數(shù)據(jù)壓入G20的發(fā)送堆棧。這里的是前面已經(jīng)打開的端口序號，設(shè)定為1；是所要發(fā)送的數(shù)據(jù)，設(shè)定為報警信息字符串“Theft alarm！”的ASCII碼。

4)發(fā)送指令“at+mippush=1”使G20將既定數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。

5)發(fā)送指令“at+mipclose=1”，關(guān)閉端口。

6)發(fā)送指令“at+mipcall=0”，關(guān)閉GPRS網(wǎng)絡(luò)連接。

報警子程序流程如圖9所示。

圖9 報警子程序流程圖

3 系統(tǒng)運行測試

將調(diào)試好的系統(tǒng)程序固化到AT89S52的EEPROM后通電，等待所有模塊初始化完畢后，進行全系統(tǒng)運行測試。人為多次觸發(fā)感應(yīng)模塊，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)均能及時響應(yīng)并做出警示：發(fā)送短消息和奏響蜂鳴器。通過在不同時段對系統(tǒng)進行15次發(fā)送報警的發(fā)送時間與接收時間間隔記錄，其結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明：發(fā)送接收時間間隔最大值為32.2s，最小值為28.5s，平均發(fā)送接收時間間隔29.19s。

表1 傳輸測試數(shù)據(jù)

位于廣州市從化區(qū)街口鎮(zhèn)的從化華隆果菜保鮮有限公司的荔枝園出入口現(xiàn)場的人體感應(yīng)模塊探頭為陣列式分布(見圖10)，相鄰的兩個探頭之間的距離、夾角和人到傳感器之間的距離對監(jiān)測結(jié)果有影響，通過試驗找出安裝參數(shù)的適當(dāng)組合，如表2所示。測試結(jié)果表明：當(dāng)相鄰兩個探頭靠的太近時，無法正常報警。6種傳感器相鄰安裝模式中能正常報警的模式有兩種：一種模式是傳感器間距為3cm且夾角為30°，人到傳感器距離為40cm；另一種模式是傳感器間距為6cm且夾角為30°，人到傳感器距離為70cm。

圖10 人體感應(yīng)傳感器安裝示意圖

傳感器間距/cm夾角/(°)人到傳感器的距離/cm測試結(jié)果31540報警不正常33040報警正常34540報警不正常61550報警不正常63070報警正常64590報警不正常

4 結(jié)論

基于GPRS的荔枝園防盜遠程監(jiān)測系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)有線傳輸方式布線的限制和無線電電臺數(shù)傳方式的局限性，實現(xiàn)了對荔枝園現(xiàn)場安保環(huán)境的監(jiān)測。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型合理，軟硬件設(shè)計可行，具有靈活的擴充性和伸縮性，能較好地滿足荔枝園及其它果園遠程監(jiān)視報警的需要。系統(tǒng)安裝方便，易于擴展，成本較低，不僅能應(yīng)用在果園防盜領(lǐng)域，還可以推廣到樓宇、倉庫和貨港等場合，應(yīng)用前景廣闊。

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A Remote Alarm System Against Theft for Litchi Orchard Based on GPRS

Tang Yu， Luo Shaoming， Huang Weifeng， Zhang Peifeng， Wang Keqiang

(College of Automation, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Aiming at the security management difficulties in large-scale litchi orchards with labors shortage, a remote anti-theft alarm system based GPRS was proposed in this paper. The system was composed of single chip microcomputer module，GPRS communication module，sensor module，display module and alarm module. The human body infrared induction probe was adopted to monitor orchard information in real time.The GPRS communication module was used to send abnormal location information to the users’ mobile phones. Results showed that average data transmission time was 29.19s.Two modes could normally alarm in adjacent installation mode of six sensors. One mode was that the sensor spacing was 3cm with 30°sensor angle and 40cm-distance between the people to the sensor. Another mode was that the sensor spacing was 6cm with 30° sensor angle and 70cm-distance between the people to the sensor. This system was safe and agile，and it has more advantages over traditional monitoring systems.

remote monitoring; AT89S52; guard against theft; GPRS; litchi orchard

2016-08-26

國家星火計劃項目(2015GA780054)；廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(2015A020209175，2015A020209179，2016 B020202008)；廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)境建設(shè)專項(2016 A040402044)

唐 宇(1982-),男，江西萍鄉(xiāng)人，副教授，博士后，青年珠江學(xué)者，(E-mail) tangyu_mycauc@163.com。

S126

A

1003-188X(2017)07-0098-05