基于GPRS的农业蔬菜大棚监测系统设计

张捐净　王敏　郎红

摘要：为降低蔬菜大棚监测系统的成本，开发基于GPRS无线通信技术的智能监测控制系统。介绍系统的总体结构及软件、硬件设计思路，并对系统的性能进行测试。试验结果表明：系统可以很好的满足数据采集和传输实时性要求，具有可靠性高、可扩展性强、操作方便等特点。

关键词：监测系统；GPRS；设计；传感器；控制器

中图分类号：TP393.17 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）04-0034-04

科学研究和生产实践表明，蔬菜大棚的产量直接受环境因素影响，将智能无线监测控制系统应用于蔬菜大棚意义重大。所谓智能化主要是指对蔬菜大棚的温度、光照、湿度、含氧量、CO2含量等因素进行监测和自动控制，从而建立适合蔬菜生长的环境，提高蔬菜产量。智能化系统大多需要装设成本较高的通讯线缆，无法满足大部分农民的需求。随着农业研究的深入，开发移动环境下的环境信息采集系统成为热点。采用GSM和GPRS无线通信网作为通信方式，在分布式数据采集系统中有着无可比拟的性价比优势。GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端、广域的无线IP连接。其具有诸多明显优势，可以很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。因此，采用基于GPRS的无线通信技术，针对农业蔬菜大棚的实际生产情况，设计一种智能蔬菜大棚的环境因子监测系统。此系统具有可靠性高、可扩展性强、操作方便等特点，并可根据区域特点进行定制安装，推广应用前景十分广阔。

1 监测系统总体结构

系统由单片机控制的温湿度和光照强库采集系统、PTR2000数据传输系统和GPRS无线发送PC机组成。分布式采集系统作为监测系统的前端，负责感知棚内的环境因子；PTR2000数据传输系统负责传输分布式监测站点相互之间的数据；GPRS无线发送PC机负责接收数据并通过移动互联网络传输到外网，然后传输到PC机客户端，便于用户数据查询和命令控制。系统结构框图如图1所示。

2 监测系统设计方案

2.1 温湿度传感器的选择

传统传感器具有以下特点：1） 输出的是模拟信号，而微处理器只能处理数字信号，因此必须对输出信号进行A/D转换。为进行A/D转换，必须加装前置放大器、采样保持器、A/D转换器等，导致测量电路复杂，且信号容易受到干扰。2） 长期稳定性差，容易受外部条件影响。由于老化和漂移等问题，长期工作后误差较大，同时精度受电源精度、稳定度的影响较大。为保证精度，对电源的要求较高，增加成本。3） 一致性较差。模拟电路通道（例如检波电路）不一致，批量生产较为困难，必须进行曲线拟和标定。4） 为进行标定，用户需要配备复杂而昂贵的标定设备及基准，增加了工作难度和成本投入。

SHT11单片集成传感器是由Sensirion公司推出的一种全量程标定两线数字输出、且可同时测量湿度、温度和露点的传感器，它不需外围元件，直接输出经过标定的相对湿度、温度及露点的数字信号，可以有效弥补传统温湿度传感器的不足。

SHT-11内部集成了湿度敏感元件、温度敏感元件、放大器、A/D转换器标定数据存储器（14 b）、数字总线接口以及稳压电路。温度传感器和湿度传感器在硅片上紧靠在一起，可以准确地测定露点，不会因为两者之间的温度差而引入误差；直接通过A/D转换成数字量，有效减少模拟传输中的干扰；输出经过标定的数字信号，使传感器的性能指标一致性和稳定性好，且成本低、使用方便。SHT-11温湿度传感器的芯片如图2所示。

2.2 控制器的选择

C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、I/O口、定时/计数器、ADC、DAC、SPI和SMBus等部件，即把计算机的基本组成单元以及模拟、数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统（SoC）。它采用流水线结构，单周期指令运行速度是C8050F系列的12倍，处理速度较快，但价格比较昂贵。

AT89C51单片机是一种带4 K字节闪烁可编程、可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory），其为低电压、高性能CMOS8位微处理器，有4 K字节可编程闪烁存储器、32可编程I/O线、2个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、片内振荡器和时钟电路。虽然处理速度慢，但价格比较便宜。

在温度采集不需要高速度的情况下，根据性价比选择AT89C51单片机作为处理器。

3 监测系统硬件设计

3.1 温湿度传感器电路

选用SHT-11作为温湿度采集芯片，其芯片及其外围电路构成了传感器监测电路（如图3所示）。

3.2 PTR2000无线传送模块

此部分由2个PTR2000无线发射接收模块组成，实现监测点数据的无线传输，其原理如图4所示。

3.3 GPRS无线传送模块

单片机控制GPRS模块负责将数据传输到用户端，其组成以及外围电路如图5所示。

4 监测系统软件设计

基于GPRS的农业蔬菜大棚监测系统对大棚内环境因子进行监测和控制，从而为作物生长提供合适环境，保证高产高效。通常情况下，大棚内一天的气候变化不是太大，不需要一直关注实时信息。为控制发送流量、提高性价比，客户端采用查询机制获取数据。其主要工作原理为：当监测点接收到查询命令后，通过单片机1把采集数据发送给单片机2，单片机2接收数据后将其传送给GPRS模块，由GPRS模块通过移动网络将数据传送到客户端，以便与用户观察棚内的数据信息。采用分布式监测结构，可以布置很多监测点（类似单片机1），只需一个携带GPRS模块的中心监测点（如单片机2）就可以获取棚内全方位信息。主程序流程如图6所示。

GPRS模块位于监测系统的中心点，主要负责将数据传输到用户端，为系统设计的核心。其工作原理是：单片机2将采集数据传输给GPRS模块后，由GPRS通过移动无线网络传输到用户端。其工作流程如图7所示。

5 监测系统性能测试

选取基层农业蔬菜大棚试点进行现场测试，试验过程中使用了温湿度传感器和光照传感器。光照传感器为集成的便携式结构，直接连接系统即可使用。经过测试，系统可以实现以下功能：1） 能够对温湿度传感器以及照度传感器进行数据采集。2） 通过PTR2000无线传输模块实现多节点传输。3） 通过GPRS模块对数据进行无线发送。采集数据如图8所示。

6 结论

基于GPRS的农业蔬菜大棚监测系统采用分布式采集结构，每一个单片机仅完成有限的数据采集和处理任务，对单片机的硬件电路要求不高，可用低档硬件组成高性能系统，并且当一个数据采集节点出现故障时，不影响其他节点的工作。通过单片机系统对温湿度和照度传感器测出的温湿度值和光照强度进行采集，并将采集数据实时通过插有SIM卡的GPRS模块进行无线数据传输，发送给监测终端，让管理人员能够实时了解棚内的环境情况。系统在提高性能的同时，更加注重性价比和传送信息准确性，是传统农业环境因子监测系统的一次升级，有利于促进农业的高速、高效发展，因此具有广阔的市场应用前景。

参考文献

[1] 赵伟，张锡英，高微.单片机原理与应用[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2007.

[2] 杨宁主.单片机与控制技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3] 张红润，张亚凡.传感技术与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4] 周洪.智能家居控制系统[M].北京：中国电力出版社，2006.

Abstract： In order to reduce the cost of vegetable greenhouse monitoring system， an intelligent monitoring and control system was developed based on GPRS wireless communication technology. This paper deals with the design of the overall structure and its software and hardware. Test was made on the performance of the system. The test results show that the system can satisfy the requirement of real-time data acquisition and transmission with high reliability， scalability， and easy operation etc.

Key words： monitoring system； GPRS； design； sensor； controller

GPRS模块位于监测系统的中心点，主要负责将数据传输到用户端，为系统设计的核心。其工作原理是：单片机2将采集数据传输给GPRS模块后，由GPRS通过移动无线网络传输到用户端。其工作流程如图7所示。

5 监测系统性能测试

选取基层农业蔬菜大棚试点进行现场测试，试验过程中使用了温湿度传感器和光照传感器。光照传感器为集成的便携式结构，直接连接系统即可使用。经过测试，系统可以实现以下功能：1） 能够对温湿度传感器以及照度传感器进行数据采集。2） 通过PTR2000无线传输模块实现多节点传输。3） 通过GPRS模块对数据进行无线发送。采集数据如图8所示。

6 结论

基于GPRS的农业蔬菜大棚监测系统采用分布式采集结构，每一个单片机仅完成有限的数据采集和处理任务，对单片机的硬件电路要求不高，可用低档硬件组成高性能系统，并且当一个数据采集节点出现故障时，不影响其他节点的工作。通过单片机系统对温湿度和照度传感器测出的温湿度值和光照强度进行采集，并将采集数据实时通过插有SIM卡的GPRS模块进行无线数据传输，发送给监测终端，让管理人员能够实时了解棚内的环境情况。系统在提高性能的同时，更加注重性价比和传送信息准确性，是传统农业环境因子监测系统的一次升级，有利于促进农业的高速、高效发展，因此具有广阔的市场应用前景。

参考文献

[1] 赵伟，张锡英，高微.单片机原理与应用[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2007.

[2] 杨宁主.单片机与控制技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3] 张红润，张亚凡.传感技术与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4] 周洪.智能家居控制系统[M].北京：中国电力出版社，2006.

Abstract： In order to reduce the cost of vegetable greenhouse monitoring system， an intelligent monitoring and control system was developed based on GPRS wireless communication technology. This paper deals with the design of the overall structure and its software and hardware. Test was made on the performance of the system. The test results show that the system can satisfy the requirement of real-time data acquisition and transmission with high reliability， scalability， and easy operation etc.

Key words： monitoring system； GPRS； design； sensor； controller

GPRS模块位于监测系统的中心点，主要负责将数据传输到用户端，为系统设计的核心。其工作原理是：单片机2将采集数据传输给GPRS模块后，由GPRS通过移动无线网络传输到用户端。其工作流程如图7所示。

5 监测系统性能测试

选取基层农业蔬菜大棚试点进行现场测试，试验过程中使用了温湿度传感器和光照传感器。光照传感器为集成的便携式结构，直接连接系统即可使用。经过测试，系统可以实现以下功能：1） 能够对温湿度传感器以及照度传感器进行数据采集。2） 通过PTR2000无线传输模块实现多节点传输。3） 通过GPRS模块对数据进行无线发送。采集数据如图8所示。

6 结论

基于GPRS的农业蔬菜大棚监测系统采用分布式采集结构，每一个单片机仅完成有限的数据采集和处理任务，对单片机的硬件电路要求不高，可用低档硬件组成高性能系统，并且当一个数据采集节点出现故障时，不影响其他节点的工作。通过单片机系统对温湿度和照度传感器测出的温湿度值和光照强度进行采集，并将采集数据实时通过插有SIM卡的GPRS模块进行无线数据传输，发送给监测终端，让管理人员能够实时了解棚内的环境情况。系统在提高性能的同时，更加注重性价比和传送信息准确性，是传统农业环境因子监测系统的一次升级，有利于促进农业的高速、高效发展，因此具有广阔的市场应用前景。

参考文献

[1] 赵伟，张锡英，高微.单片机原理与应用[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2007.

[2] 杨宁主.单片机与控制技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3] 张红润，张亚凡.传感技术与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4] 周洪.智能家居控制系统[M].北京：中国电力出版社，2006.

Abstract： In order to reduce the cost of vegetable greenhouse monitoring system， an intelligent monitoring and control system was developed based on GPRS wireless communication technology. This paper deals with the design of the overall structure and its software and hardware. Test was made on the performance of the system. The test results show that the system can satisfy the requirement of real-time data acquisition and transmission with high reliability， scalability， and easy operation etc.

Key words： monitoring system； GPRS； design； sensor； controller