安 康，方凱磊，李 靜

（杭州師范大學(xué)錢(qián)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安 康，方凱磊，李 靜

（杭州師范大學(xué)錢(qián)江學(xué)院，浙江杭州310012）

針對(duì)傳統(tǒng)果苗生長(zhǎng)環(huán)境信息獲取科學(xué)度低、時(shí)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(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中.通過(guò)采集果苗生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)時(shí)將采集的信息發(fā)送到果農(nóng)手機(jī)端.測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有利于減輕果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高果苗生長(zhǎng)品質(zhì).

果苗；環(huán)境監(jiān)測(cè)；物聯(lián)感知；GSM

我國(guó)果樹(shù)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(shí)期.果苗生長(zhǎng)所需的土壤水分直接影響到果苗生長(zhǎng)代謝的各個(gè)方面，但目前果農(nóng)對(duì)果苗生長(zhǎng)所需空氣和土壤溫濕度信息的獲取大多憑借經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)推測(cè)，科學(xué)度低、時(shí)效性差，難以保證監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和有效性，導(dǎo)致只能被動(dòng)地實(shí)現(xiàn)保溫、降溫、遮陽(yáng)和防雨而不能主動(dòng)調(diào)節(jié)溫、水、肥等生長(zhǎng)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(zhǎng)環(huán)境參數(shù)（空氣溫濕度、土壤溫濕度）的監(jiān)測(cè)對(duì)果苗的生長(zhǎng)發(fā)育、栽培技術(shù)的實(shí)施產(chǎn)生極其重要的影響［1－5］.

本文構(gòu)建了一個(gè)果園環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用物聯(lián)感知與移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)時(shí)對(duì)果苗生長(zhǎng)所需的空氣和土壤溫濕度信息進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)，以現(xiàn)場(chǎng)直觀顯示和遠(yuǎn)程短信的方式讓果農(nóng)了解果苗的生長(zhǎng)狀況.

1 果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

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

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)工作時(shí)，用戶(hù)通過(guò)移動(dòng)GSM網(wǎng)絡(luò)，融合物聯(lián)感知技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)果苗生長(zhǎng)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(chǎng)采集感知端

現(xiàn)場(chǎng)端通過(guò)傳感器感知果苗生長(zhǎng)環(huán)境的空氣溫濕度和土壤溫濕度，并對(duì)感知的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；處理器采用8051單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，并將處理的數(shù)據(jù)通過(guò)液晶LCD在現(xiàn)場(chǎng)端實(shí)時(shí)顯示，如果任何一項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過(guò)或低于設(shè)定門(mén)限值，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)電路報(bào)警，鳴響30 s；同時(shí)，感知的數(shù)據(jù)通過(guò)GSM通信模塊由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶(hù)端.

1.2.2 移動(dòng)客戶(hù)端

用戶(hù)隨時(shí)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(dòng)向用戶(hù)端回傳短消息顯示當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).如果監(jiān)測(cè)指標(biāo)超出監(jiān)測(cè)范圍，將現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)電路會(huì)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信到授權(quán)的用戶(hù)手機(jī)端.為了保證監(jiān)測(cè)的信息能夠準(zhǔn)確地發(fā)送給用戶(hù)，預(yù)先設(shè)定5個(gè)號(hào)碼，逐次向已授權(quán)的5個(gè)號(hào)碼發(fā)送短信，用戶(hù)根據(jù)相應(yīng)短信內(nèi)容實(shí)時(shí)對(duì)果苗生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè).

2 果園環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)端數(shù)據(jù)采集原理框圖.圖中傳感器DHT11感知果苗生長(zhǎng)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(jī)P1口和P3口分別讀入感知數(shù)據(jù)并計(jì)算空氣和土壤的溫濕度值，其中串行時(shí)鐘輸入SCK用于單片機(jī)與傳感器之間的通信同步，DATA用于數(shù)據(jù)的讀取；單片機(jī)P2口將感知的空氣和土壤溫濕度信息通過(guò)液晶LCD在現(xiàn)場(chǎng)端實(shí)時(shí)顯示；依據(jù)果苗正常生長(zhǎng)信息，系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理的門(mén)限值范圍，若傳感器感知的參數(shù)信息超過(guò)或者低于門(mén)限值，則單片機(jī)通過(guò)P3口控制報(bào)警電路，發(fā)出警情提示.

2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)端

單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)處理（圖3）.

GSM模塊負(fù)責(zé)將采集的信息通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程用戶(hù)端.區(qū)別于單片機(jī)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(guò)40腳ZIF連接器，實(shí)現(xiàn)指令、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)的雙向傳輸.

由圖3可見(jiàn)，GSM模塊通過(guò)ZIF連接器分別外接SIM卡存儲(chǔ)電路、模塊啟動(dòng)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(dòng)電路需給ZIF連接器15腳加時(shí)長(zhǎng)至少為100 ms的低電平信號(hào)，且該信號(hào)下降沿時(shí)間小于1 ms，系統(tǒng)啟動(dòng)后ZIF連接器15腳的信號(hào)應(yīng)保持高電平.同步指示電路為ZIF的32腳：當(dāng)LED熄滅時(shí)，模塊處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當(dāng)LED為600 ms亮／600 ms滅時(shí)，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(shí)，表明模塊已登錄網(wǎng)絡(luò)，處于待機(jī)狀態(tài)；LED閃爍，表明數(shù)據(jù)傳輸中.

圖3 單片機(jī)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(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)感知端軟件實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)感知端軟件實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于單片機(jī)通過(guò)串口向GSM TC35i模塊發(fā)送SMS AT指令實(shí)現(xiàn)短消息的發(fā)送和接收，用戶(hù)可以不受通信距離的限制實(shí)時(shí)掌握果苗生長(zhǎng)信息.

3.1 短消息發(fā)送

運(yùn)行GSM模塊時(shí)，需對(duì)串口進(jìn)行初始化設(shè)置，單片機(jī)P2.7口給GSM ZIF15腳一個(gè)大于100 ms的低電平來(lái)啟動(dòng)GSM工作.GSM初始化如下：

單片機(jī)通過(guò)GSM TC35i模塊發(fā)送AT指令和PDU數(shù)據(jù)包實(shí)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(hù)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(huà)號(hào)碼、用戶(hù)號(hào)碼和空氣濕度信息進(jìn)行Unicode編碼，壓縮為PDU數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送.字符串發(fā)送代碼如下：

3.2 短消息接收

現(xiàn)場(chǎng)感知端通過(guò)設(shè)定AT＋CMGR指令讀取用戶(hù)發(fā)送的信息，并對(duì)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(hào)碼、用戶(hù)號(hào)碼、短信發(fā)送時(shí)間等.

解析發(fā)送端號(hào)碼，判斷發(fā)送號(hào)碼是否為授權(quán)用戶(hù)，有效則執(zhí)行短信內(nèi)容（如對(duì)授權(quán)用戶(hù)發(fā)送監(jiān)測(cè)信息等），無(wú)效則刪除短信.

char Read Tel（） ／／讀取授權(quán)用戶(hù)號(hào)碼，允許授權(quán)5個(gè)

如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)用戶(hù)沒(méi)有反饋信息，則停止等待回到主程序中.若收到用戶(hù)反饋信息，則通過(guò)“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(cè)試過(guò)程與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試步驟

用手機(jī)對(duì)采集感知端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，測(cè)試步驟如下：

1）授權(quán)號(hào)碼測(cè)試.為保證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行，先授權(quán)合法用戶(hù).輸入“cmd138XXXX8084”，短信回復(fù)“Tel1 is OK！”說(shuō)明用戶(hù)1授權(quán)成功，可繼續(xù)輸入“cmd＋用戶(hù)手機(jī)號(hào)碼”，則短信回復(fù)“Tel2 is OK！”.為了保障用戶(hù)可以準(zhǔn)確收到感知的果苗生長(zhǎng)信息，系統(tǒng)最多可設(shè)置5個(gè)授權(quán)用戶(hù).

2）采集空氣和土壤溫濕度信息測(cè)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(duì)濕度，“Soil T”為土壤溫度，“Soil RH”為土壤相對(duì)濕度.

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

3）報(bào)警測(cè)試.任一項(xiàng)果苗生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)如不在門(mén)限值范圍內(nèi)，除了現(xiàn)場(chǎng)端報(bào)警之外，系統(tǒng)同時(shí)將警情信號(hào)發(fā)送到用戶(hù)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(hào)碼刪除測(cè)試.若用戶(hù)想更換新的授權(quán)號(hào)碼，發(fā)送短信“del”到采集感知端，則返回短信為“All tel removed！”，此時(shí)可以重新授權(quán)用戶(hù).

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

選取一個(gè)采集感知端上電運(yùn)行，用戶(hù)依據(jù)上述4個(gè)步驟順序操作：對(duì)“15904091469”用戶(hù)授權(quán)，發(fā)送“temp”指令，將采集感知端監(jiān)測(cè)信息以短信方式發(fā)送到用戶(hù)端，返回信息如圖4所示.空氣溫度16℃，空氣相對(duì)濕度30%，土壤溫度14℃，土壤相對(duì)濕度60%，接收該短信時(shí)間大約10 s.為便于測(cè)試分析，對(duì)采集感知端土壤傳感器人工加濕使其相對(duì)濕度超過(guò)設(shè)定的82%，結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)電路報(bào)警，持續(xù)時(shí)間約25 s，同時(shí)警情短信“ERROR！The value of soil moisture is too high”發(fā)送到用戶(hù)手機(jī)端，告知用戶(hù)該項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)，測(cè)試接收該警情短信時(shí)間大約5 s.若重新授權(quán)用戶(hù)則輸入“del”命令即可.采集感知端運(yùn)行系統(tǒng)如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、工作良好，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確.

5 結(jié) 論

目前國(guó)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(zhǎng)狀況大多依靠人為經(jīng)驗(yàn)獲取.這種生產(chǎn)模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上果園生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)程，工作效率低下、監(jiān)測(cè)誤差比較大.筆者給出的設(shè)計(jì)系統(tǒng)使果農(nóng)在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)能夠通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)果苗生長(zhǎng)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，確保果農(nóng)第一時(shí)間獲取果苗生長(zhǎng)信息并及時(shí)處理，從而促進(jìn)果苗生長(zhǎng)，提高果實(shí)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(lèi)溫室大棚中環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，也可接入自動(dòng)控制設(shè)備，將環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制聯(lián)合使用，形成一個(gè)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(xiàn)：

［1］Wang Ning，Zhang Naiqian，Wang Maohua.Wireless sensors in agriculture and food industry：recent development and future perspective［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2006，50（1）：1－14.

［2］Lin Jzau－Sheng，Liu Chunzu.A monitoring system based on wireless sensor network and an SoC platform in precision agriculture［J］.International Conference on Communication Technology，2008，29（1）：101－104.

［3］郭志偉，張?jiān)苽?，李霜，?基于GSM的農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（3）：161－166.

［4］Sahota H，Kumar R，Kamal A，et al.An energy－efficient wireless sensor network for precision agriculture［J］.IEEE Symposium on Computers and Communications，2010，22（7）：347－350.

［5］Xiao Lei，Cuo Lejiang.The realization of precision agriculture monitoring system based on wireless sensor network［J］.Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering，2010，11（9）：89－92.

［6］夏華.天線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：91－201.

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(jì)劃項(xiàng)目（2011R421021）；2011年杭州師范大學(xué)錢(qián)江學(xué)院科研項(xiàng)目.

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