基于GSM 技术的农业温室远程监控系统

孙 倩，何 文，于 忠 得

（大连工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 大连 116034）

0 引 言

农业温室是蔬菜、花卉等具有较高经济价值农作物的种植场所。对温室的温度、湿度、光照度参数进行远程监控，实时了解温室的环境参数，实时进行远程调整，不仅有利于农作物的优质高产，而且节省人力成本［1］。

目前，国内在农业温室远程控制中，大都采用基于WSN（无线传感网络）结合ZigBee的数据采集系统［2］。但是ZigBee技术在实际应用中存在很多缺点，例如易受干扰、通信距离短、不适合远程监控等。移动网络（GSM）覆盖域广、接入迅速、按量计费，在远程数据传输中具有很好的优势。

作者将嵌入式技术和GSM 技术相结合，用于农业温室的就地与远程监控，实现了参数的自动采集和远程传输，降低了采集工作量，提高了数据采集精度和信息处理能力。

1 硬件系统设计

硬件系统组成如图1所示，主要实现就地监控与远程监控两项功能。

图1 硬件系统组成框图Fig.1 Block diagram of the hardware system

1.1 就地监控

就地监控由数据采集处理、微处理器和存储器构成的主机、控制信号输出及人－机接口几部分组成。

数据采集部分，选取温室内比较敏感的3个点，安装温度、湿度以及光照度传感器，采集3种传感器输出的数据。

温度传感器选用Pt100，其长期稳定性、测量精度满足温室温度检测的需求。在前向通道中，设计了惠斯登电桥电路实现R／V 转换；设计了自稳零放大电路，对电桥电路输出的微弱电压信号进行放大，达到S3C2440 内部A／D 转换器要求的模拟电压输入范围［3］。

湿度传感器选用瑞士Sensirion公司生产的SHT11，它将湿度传感器、信号放大调理、A／D 转换、I2C总线接口集成于一个芯片中。测量范围：0～100% RH，测量精度：3% FS。输出数字信号，可以直接接到S3C2440的I2C接口上。

光照传感器选用美国TAOS 公司生产的TSL2561光强度传感器，具有标准I2C 总线接口，涵盖1～1 000 000lx的光照度范围，适合农业温室光照强度的测量。

ARM 微处理器与存储器构成硬件系统的主机电路，选用韩国三星公司生产的S3C2440作为微处理器。选用了4 MB 的NOR FLASH 作为程序存储器，32 MB 的SDRAM 作为数据存储器；128 MB的NAND FLASH，作为大容量数据存储器。

选用遮阳网作为光照度参数的执行器，选用加热器作为温度参数的执行器，选用加湿器作为湿度参数的执行器，三类执行器均采用两位式控制。采集的实时参数与设定值比较，出现偏差经过相应的控制运算后，经后向通道功率放大，开启或关闭执行器。

设计了带有触摸按键的彩色LCD 显示屏作为监控系统的人机接口，实现设置参数、观察实时参数、历史记录数据和人工控制输出的功能。

1.2 远程监控

采用西门子公司生产的TC35系列GSM 模块，实现将采集到的实时数据通过GSM 网络，以短信方式发送到指定的手机，并接收指定手机发出的远程控制命令，启动或关闭温室内的控制设备，从而实现远程监控。

TC35系列GSM 模块内部由GSM 基带处理器，GSM 射频模块，供电模块，闪存模块，ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）连接器，天线接口组成。它与ARM 系统之间的通信是通过RS－232 串 行 接 口 进 行 的，通 信 速 率 为112.5 MB／s，采用8 位异步通讯方 式，1 个起始位，8个数据位，1个停止位。

2 软件系统设计

软件系统设计包括系统软件移植、数据采集、数据处理、控制输出、GUI界面设计和远程通信设计。

系统软件移植包括BootLoader移植、Linux内核移植、GTK 软件移植和文件系统构建等。

数据采集主要是通过Linux系统的底层驱动来控制ARM 微处理器的I／O 口，实现传感器数据的读取。

数据处理采集传感器输出的数据，经过处理、封装、转换，将数据转化成便于对比和绘制的数据格式。

控制输出是将采集的数据和用户设定值进行比较，根据比较结果，通过Linux系统底层驱动实现对执行器的控制。

2.1 基于GTK＋的用户操作界面设计

GTK＋（GIMP Toolkit）是一套跨多平台的图形工具包，完全采用C 语言开发的图形用户编程接口［5］。

用户操作界面有当前参数显示、越限参数设置、越限报警提示、历史数据显示查询、参数设置等。

系统主要对温室中比较敏感的3 个点的温度、湿度以及光照度进行数据采集和监控。根据实际需要，每10s采集一组数据。其中，温度数据采集显示界面如图2所示，显示了不同温室的温度变化情况。

图2 温度曲线显示界面Fig.2 The display interface for temperature curve

主要函数如下：

通过gdk＿cairo＿create函数创建一个cairo上下文，在该区域中画线，最后利用cairo＿stroke＿preserve和cairo＿fill对线条进行轮廓的描绘和区域的填充。

越限参数设置的界面如图3所示。

图3 越限参数设置界面Fig.3 Parameters setting interface

参数设置界面是对温度、湿度和光照度的期望值进行设置。越限参数设置界面实现参数越限值设置，图3所示为温室1、2、3点的报警上下限值设置。

主要的函数如下：

通过gtk＿notebook＿new 创建笔记本构件，将它加入到主窗体中。报警上下限参数的设置是通过创建option和gtk＿option＿menu＿set＿menu来实现的。

2.2 远程通信设计

GSM 模块通过RS－232串行接口与ARM 处理器通信，应用程序通过操作串行接口，实现数据交互。在远程通信设计中，主要是串行接口程序设计和GSM 模块通信程序设计。

2.2.1 串行接口程序设计

串行接口在Linux 系统下被表述为终端设备，用tty表示。以下是打开串口设备代码：

打开串口设备后，需要进行串口的初始化工作，主要是设置struct termios结构体的各个成员值。如下所示：

系统调用函数tcsetattr 设置串口的属性，TCSANOW 参数可以使设置的属性立刻生效。根据实际应用进行参数设置完成后，通过readdatafromtty函数读取串口数据，并检测数据的有效性。

2.2.2 GSM 模块通信程序设计

TC35I有AT 命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真等模式［6］。在软件编程中，通过向GSM 通信模块写入不同的AT 指令，完成相应的功能。常用AT 命令如表1所列。

数据传输时，需要对传输的数据进行封装，即按确定的通信协议实现通信。

查询某检测点实测参数命令如下：Rs#m／n。其中：R 为固定字符，表示查询实测参数；s#为检测点，s＝1、2、3分别表示1、2、3号检测点；m 为参数类型，m＝1、2、3 分别表示温度、湿度、光照度；／n为固定字符，表示结束。如：R1#2／n表示查询1号检测点的湿度。

表1 常用AT 命令Tab.1 Common command order of AT

短信查询流程图如图4所示。

图4 短信发送流程图Fig.4 Flow chart of sending messages

短信查询设计中，系统初始化串口和GSM模块后使用AT＋CNUM 指令判断号码有效性。通过AT＋CMGF＝1 指令设置短信发送模式；AT＋CMGS＝“＊＊／n”设置短信接收端号码；系统返回“＞”时，发送查询的内容；系统返回“＋CMGS OK”时，表示发送成功。

系统收到短信查询时，先判断是否与设定的号码一致，再读取短信内容。设置系统回复格式如下：Ts#m（xx.y）／n。其中：T 为固定字符，表示系统回复；s#为检测点，s＝1、2、3分别表示1、2、3号检测点；m 为参数类型，m＝1、2、3分别表示温度、湿度、光照度；（xx.y）为参数值，xx表示2位整数，y表示1位小数；／n为固定字符，表示结束。如：T2#1（35.2）／n表示2号检测点的温度值是35.2 ℃。

系统还具备远程预警和控制功能。远程预警是指检测到参数异常时，系统会自主向工作人员发送报警信息。工作人员通过发送控制指令，实现温室远程控制。

3 结 论

系统在模拟环境下，进行了远程监控测试，测试结果说明了基于GSM 模块的远程双向通信可靠、稳定。数据采集、控制输出部分采用了成熟的技术，其硬件电路方案和相应的软件处理也经实际考核，能够满足农业温室测控环境要求。

嵌入式系统技术和GSM 技术相结合的监控系统设计方案，创新之处在于农业温室中利用ARM9控制GSM 模块，借助手机收发短信实现远程监控，提高了农业温室控制水平和监控的便利性，降低了人工成本。

［1］杨静，张磊.农业温室控制系统的设计与实现［J］.广东农业科学，2011（4）：166－167.

［2］PARK D H，PARK J W.Wireless sensor networkbased greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention［J］.Sensors，2011，11（4）：3640－3651.

［3］于忠得，林敏，申华.嵌入式系统基础教程［M］.北京：国防工业出版社，2009：1－16.

［4］陈莉莉，杨雪莹，周宁轩.基于ARM 的温度监控系统设计［J］.信息技术，2012（4）：36－39.

［5］韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册［M］.北京：中国人民邮电出版社，2010：194－205.

［6］何华斌.基于嵌入式GSM 模块的水文监测系统的设计［J］.现代电子技术，2012，35（8）：8－11.