融合物联感知与GSM的果园环境监测系统设计

安 康，方凯磊，李 静

（杭州师范大学钱江学院，浙江杭州310012）

融合物联感知与GSM的果园环境监测系统设计

安 康，方凯磊，李 静

（杭州师范大学钱江学院，浙江杭州310012）

针对传统果苗生长环境信息获取科学度低、时效性差等不足，将物联感知与GSM技术应用到果苗生长环境监测系统中.通过采集果苗生长所需的空气和土壤温湿度信息，利用GSM TC35i模块以短消息的方式实现数据远程传输，实时将采集的信息发送到果农手机端.测试结果表明系统性能稳定，监测数据准确，有利于减轻果农劳动强度、提高果苗生长品质.

果苗；环境监测；物联感知；GSM

我国果树园林业正处于由传统农业向现代农业转变的关键时期.果苗生长所需的土壤水分直接影响到果苗生长代谢的各个方面，但目前果农对果苗生长所需空气和土壤温湿度信息的获取大多凭借经验和直觉推测，科学度低、时效性差，难以保证监测的实时性和有效性，导致只能被动地实现保温、降温、遮阳和防雨而不能主动调节温、水、肥等生长参数信息，最终成为限制果苗优质高产的主要障碍.因而果苗生长环境参数（空气温湿度、土壤温湿度）的监测对果苗的生长发育、栽培技术的实施产生极其重要的影响［1－5］.

本文构建了一个果园环境远程监测系统，运用物联感知与移动通信技术实时对果苗生长所需的空气和土壤温湿度信息进行采集和监测，以现场直观显示和远程短信的方式让果农了解果苗的生长状况.

1 果园环境监测系统方案设计

1.1 系统结构原理

果园环境信息远程监测系统主要是对果苗生长参数（空气温湿度和土壤温湿度）进行远程监测.图1为该系统原理图.系统由底层的远程监测采集感知端、中间层移动GSM网络和上层移动客户端3部分构成.采集感知端对果苗生长参数进行数据采集，由控制器对数据进行处理，利用串口与GSM模块进行通信，并通过SMS AT指令将数据信息依靠移动网络发送到用户终端，用户端对短信进行PDU解码，从而使用户随时掌握果苗生长参数信息.

1.2 系统功能

系统工作时，用户通过移动GSM网络，融合物联感知技术远程监测果苗生长参数信息.

图1 系统结构原理图Fig.1 Scheme of system framework

1.2.1 果园环境信息现场采集感知端

现场端通过传感器感知果苗生长环境的空气温湿度和土壤温湿度，并对感知的信息进行实时采集；处理器采用8051单片机对采集的信号进行处理，并将处理的数据通过液晶LCD在现场端实时显示，如果任何一项监测指标超过或低于设定门限值，现场监测电路报警，鸣响30 s；同时，感知的数据通过GSM通信模块由移动网络发送到用户端.

1.2.2 移动客户端

用户随时可发送控制指令到采集感知端，感知端在10～30 s内自动向用户端回传短消息显示当前监测数据.如果监测指标超出监测范围，将现场报警，同时现场监测电路会自动发送报警短信到授权的用户手机端.为了保证监测的信息能够准确地发送给用户，预先设定5个号码，逐次向已授权的5个号码发送短信，用户根据相应短信内容实时对果苗生长环境进行远程监测.

2 果园环境远程监测系统电路设计

图2 现场端数据采集电路框图Fig.2 Scheme of site data acquisition circuit

2.1 数据采集端

图2所示为现场端数据采集原理框图.图中传感器DHT11感知果苗生长所需空气温湿度数据，SLHT5－1感知土壤温湿度数据；单片机P1口和P3口分别读入感知数据并计算空气和土壤的温湿度值，其中串行时钟输入SCK用于单片机与传感器之间的通信同步，DATA用于数据的读取；单片机P2口将感知的空气和土壤温湿度信息通过液晶LCD在现场端实时显示；依据果苗正常生长信息，系统预先设定监测数据合理的门限值范围，若传感器感知的参数信息超过或者低于门限值，则单片机通过P3口控制报警电路，发出警情提示.

2.2 数据收发端

单片机将采集的数据通过串行通信口P3.0和P3.1，经电平转换电路与GSM模块TC35i相连，控制TC35i对数据进行收发处理（图3）.

GSM模块负责将采集的信息通过GSM网络发送到远程用户端.区别于单片机的供电电压5 V，GSM模块的供电电压为4.2 V.GSM模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息，通过40脚ZIF连接器，实现指令、数据及控制信号的双向传输.

由图3可见，GSM模块通过ZIF连接器分别外接SIM卡存储电路、模块启动电路和同步指示电路.SIM卡卡座中的引脚分别与TC35i模块上的ZIF连接器24～29脚相连，引脚将SIM卡中的数据读出供TC35i模块使用.启动电路需给ZIF连接器15脚加时长至少为100 ms的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1 ms，系统启动后ZIF连接器15脚的信号应保持高电平.同步指示电路为ZIF的32脚：当LED熄灭时，模块处于关闭或睡眠状态；当LED为600 ms亮／600 ms灭时，表明未插入SIM卡或正在搜索网络；当LED为75 ms亮／75 s熄时，表明模块已登录网络，处于待机状态；LED闪烁，表明数据传输中.

图3 单片机与GSM模块接口电路图Fig.3 Scheme of MCU and GSM interface circuit

3 果园环境监测系统现场感知端软件实现

现场感知端软件实现的重点在于单片机通过串口向GSM TC35i模块发送SMS AT指令实现短消息的发送和接收，用户可以不受通信距离的限制实时掌握果苗生长信息.

3.1 短消息发送

运行GSM模块时，需对串口进行初始化设置，单片机P2.7口给GSM ZIF15脚一个大于100 ms的低电平来启动GSM工作.GSM初始化如下：

单片机通过GSM TC35i模块发送AT指令和PDU数据包实现短消息的发送.设定短消息中心的指令格式“AT＋CSCA＝＋8613800571500”，向用户发送短信格式“AT＋CSCA＝＋8615904091469”，短信内容“air moisture：60%”，则GSM模块发出PDU数据包编码［6］格式“0891683108501705F511000B81510 9041964F90008A7200061006900720020006D006F006900730074007500720065FF1A003600300025”.利用短信业务的PDU模式将SMS地址、中心电话号码、用户号码和空气湿度信息进行Unicode编码，压缩为PDU数据包进行发送.字符串发送代码如下：

3.2 短消息接收

现场感知端通过设定AT＋CMGR指令读取用户发送的信息，并对接收到的信息解码，从短消息的PDU数据包中获得接收所用的服务中心号码、用户号码、短信发送时间等.

解析发送端号码，判断发送号码是否为授权用户，有效则执行短信内容（如对授权用户发送监测信息等），无效则删除短信.

char Read Tel（） ／／读取授权用户号码，允许授权5个

如果在设定的时间内用户没有反馈信息，则停止等待回到主程序中.若收到用户反馈信息，则通过“AT＋CMGR”命令，读取短信息的PDU数据包，依据解析的代码执行相应的AT指令.

4 系统测试过程与结果分析

4.1 系统测试步骤

用手机对采集感知端远程监测，测试步骤如下：

1）授权号码测试.为保证系统网络安全运行，先授权合法用户.输入“cmd138XXXX8084”，短信回复“Tel1 is OK！”说明用户1授权成功，可继续输入“cmd＋用户手机号码”，则短信回复“Tel2 is OK！”.为了保障用户可以准确收到感知的果苗生长信息，系统最多可设置5个授权用户.

2）采集空气和土壤温湿度信息测试.发送短信“temp”到采集感知端，短信返回所有感知的果苗参数信息.其中“Air T”为空气温度，“Air RH”为空气相对湿度，“Soil T”为土壤温度，“Soil RH”为土壤相对湿度.

图4 用户终端指令操作界面Fig.4 Operating interface of user terminal commands

3）报警测试.任一项果苗生长监测参数如不在门限值范围内，除了现场端报警之外，系统同时将警情信号发送到用户端，返回短信为“ERROR！The value of XX is too high／low”.其中“XX”可分别代表“air temperature”（空气温度）、“air moisture”（空气湿度）、“soil temperature”（土壤温度）、“soil moisture”（土壤湿度）.

4）号码删除测试.若用户想更换新的授权号码，发送短信“del”到采集感知端，则返回短信为“All tel removed！”，此时可以重新授权用户.

4.2 测试结果分析

选取一个采集感知端上电运行，用户依据上述4个步骤顺序操作：对“15904091469”用户授权，发送“temp”指令，将采集感知端监测信息以短信方式发送到用户端，返回信息如图4所示.空气温度16℃，空气相对湿度30%，土壤温度14℃，土壤相对湿度60%，接收该短信时间大约10 s.为便于测试分析，对采集感知端土壤传感器人工加湿使其相对湿度超过设定的82%，结果现场电路报警，持续时间约25 s，同时警情短信“ERROR！The value of soil moisture is too high”发送到用户手机端，告知用户该项监测数据超标，测试接收该警情短信时间大约5 s.若重新授权用户则输入“del”命令即可.采集感知端运行系统如图5所示，整个系统运行稳定、工作良好，监测数据准确.

5 结 论

目前国内果园生产管理主要靠人工完成，果园环境参数、果苗生长状况大多依靠人为经验获取.这种生产模式已远远跟不上果园生产自动化进程，工作效率低下、监测误差比较大.笔者给出的设计系统使果农在任意时间、任意地点能够通过手机实现对果苗生长参数的远程监测，确保果农第一时间获取果苗生长信息并及时处理，从而促进果苗生长，提高果实品质.该系统也可以应用于农村蔬菜种植、花卉园艺等各类温室大棚中环境参数的监测，也可接入自动控制设备，将环境参数监测与自动控制联合使用，形成一个完整的智能化控制系统.

图5 采集感知端调试界面Fig.5 Debug interface of acquisition perceived

参考文献：

［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］郭志伟，张云伟，李霜，等.基于GSM的农田气象信息远程监控系统设计［J］.农业机械学报，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］夏华.天线通信模块设计与物联网应用开发［M］.北京：电子工业出版社，2011：91－201.

Design of Monitoring System for Orchard Environment Based on IOT Perception and GSM

AN Kang，FANG 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

浙江省科技创新新苗人才计划项目（2011R421021）；2011年杭州师范大学钱江学院科研项目.

安 康（1981—），男，讲师，硕士，主要从事无线通信、WSN方面研究.E－mail：398824642＠qq.com