基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系统

于婷婷，朱龙图，李名伟，陈怡兵，，黄东岩，

（1. 吉林农业大学信息技术学院，吉林 长春 130118；2. 吉林省土壤肥料总站，吉林 长春 130033；3. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，吉林 长春 130025）

基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系统

于婷婷1，朱龙图1，李名伟1，陈怡兵1，2，黄东岩1，3*

（1. 吉林农业大学信息技术学院，吉林 长春 130118；2. 吉林省土壤肥料总站，吉林 长春 130033；3. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，吉林 长春 130025）

针对目前水稻远程灌溉系统存在的硬件资源浪费、系统响应差等弊端，应用了一种“服务器—用户手机”直接通讯的方式，并设计了一套基于GPRS（General Packet Radio Service）和GSM（Global System for Mobile Communications）的水稻智能灌溉系统。该系统以STC12C5A60S2单片机作为现场终端的核心处理器，通过GPRS DTU无线通信模块完成现场终端与远程服务器之间的通讯，利用GSM短消息方式实现用户手机与远程服务器之间的信息交互，极大地减少了现场终端的任务处理量，加快了系统的实时性。系统能够通过液位传感器获取田间水位信息，并根据水稻不同时期的需水量完成灌溉或排水操作。同时，系统通过对水稻灌溉监控管理软件的设计实现了服务器软件监控和用户手机监控的双重监控功能。试验结果表明，该系统工作稳定，灌溉控制精度在93%以上，能够达到远程监控、灌溉的目标。

GPRS；GSM；智能灌溉；现场终端；远程服务器；用户手机

于婷婷， 朱龙图， 李名伟， 陈怡兵， 黄东岩. 基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系统［J］. 农业现代化研究， 2016， 37（5）: 988-994.

Yu T T， Zhu L T， Li M W， Chen Y B， Huang D Y. Intelligent irrigation system for rice based on GPRS and GSM［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 988-994.

中国是一个干旱的农业大国，水资源严重短缺。水稻作为中国主要粮食之一，其产量对于维护人民安居乐业、社会安定和国家稳定有着重要意义［1-2］。提高水稻产量和效益，建立智能化、自动化和网络化的水稻生产监控灌溉系统已成为全球水稻生产发展的总趋势［3-4］。

随着现代网络、传感器技术、无线通信技术以及嵌入式计算机技术的飞速发展，现今我国的农业生产方式较传统的农业生产方式有了明显提高［5］。农业生产已融入了多种现代化技术，各种传感器被应用于种植环境信息的采集，为农业生产监测提供了可靠的参考数据；通信技术为传递监控系统信息提供了有效途径；计算机被作为系统的监控中心［6-7］。如李野等［8］设计的基于ZigBee技术的水稻自动灌溉控制系统，利用GPRS网络将采集到的数据信息传送到上位机的监控终端，通过上位机软件对采集到的数据进行处理与分析，并且对设备进行智能化自动灌溉控制，实现了无人值守的远程水稻灌溉监控。高军等［9］应用数据库技术、远程无线传输技术和嵌入式技术设计了一套农业灌溉远程控制系统。系统利用GSM网络实现数据传输，根据各地块需水量进行较为精准的自动灌溉控制，减少了水、电和人力资源的投入。

以上两种系统所设计的独立监测中心各有优势，但均存有弊端。将电脑作为远程监测中心，具有体积大、重量大，不便于用户随身携带的弊端；同时，服务器必须保证连接Internet网络才能够实现远程监控。使用手机作为监测中心，虽然手机体积小便于携带，可以通过无线网络，或者利用手机自身流量保证网络连接，不存电脑所存在的弊端，但由于手机体积小使得其硬件配置资源低，导致系统计算能力差，从而很难达到实时监测效果。

目前，许多远程监控系统将服务器与用户手机相结合，但其基本原理是以现场终端作为信息交流对象，即现场终端将数据信息发送给远程服务器，同时又将相同的数据信息发送给用户手机。这种设计虽然解决了用户不能随时监测现场的问题，但却加重了现场终端的任务量，浪费了极其珍贵的现场硬件资源，降低了系统实时性。

针对上述问题，本文融合传感器技术、RS-485总线技术、GPRS无线通信技术和单片机测控技术设计了一套基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系统。该系统采用手机与远程服务器进行直接通信，即用户手机与现场终端无直接联系，系统通过远程服务器作为中间“桥梁”实现对现场的远程监控。本设计有效回避了现场终端对同一数据信息需要分别向用户手机和服务器发送的资源浪费行为。同时，利用服务器处理手机接收的信息与发送的命令，用户手机只作为一个信息输出和命令输入的接口工具，减轻了手机的工作量，加快系统的实时性。

1　系统结构及原理

1.1系统结构

基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系统主要由现场终端、远程服务器和用户手机等部分组成（图1）。其中，现场终端安装在农田现场，主要由太阳能供电系统、信息采集模块、灌溉控制模块、GPRS DTU模块和核心处理器组成，用于采集农田信息与实现灌溉控制；远程服务器主要用于远程监测现场终端采集到的信息，并据此按照彭曼—蒙特斯（Penman-Monteith）公式计算当前水稻需水量，进而结合当前田间液位进行田间灌溉或排水操作［10］。图中，现场终端与远程服务器通过GPRS网络进行通信，用户手机与远程服务器通过GSM短消息实现信息交互。考虑到终端处于农田现场，缺乏供电电网等问题，系统采用太阳能供电系统为整个终端提供电能。

图1　系统结构图Fig. 1　System structure

本文设计的远程服务器灌溉/排水控制模式分为3种，分别为自动控制模式、手动控制模式和短消息控制模式。在自动控制模式下，若水稻供水不足，远程服务器将通过GPRS网络向现场终端发送灌溉控制命令；若田间水位偏高，则远程服务器将发送排水控制命令。远程服务器发送的控制命令，经微处理器识别、处理后，微处理器将控制相应电磁水阀的开闭，从而实现灌溉或排水功能。在手动控制模式下，用户可以直接操作服务器软件来实现灌溉或排水操作；用户也可以通过短消息控制模式利用手机发送短消息来实现对服务器的控制进而达到灌溉或排水目的。

1.2GPRS通信原理

GPRS网络是实现现场终端与远程服务器之间数据交换的桥梁。在现场终端处，核心处理器通过读取信息采集模块内各个传感器所采集的土壤湿度、风速、光照时数以及空气温度等信息数据并控制GPRS DTU模块将传感数据转换为GPRS分组数据，并将之发送到GSM基站，分组数据经SGSN（Serving GPRS support nod，服务GPRS支持节点）封装处理后，将被传输到GPRS网络上，接着，GGSN（Gateway GPRS support node，网关GPRS支持节点）从GPRS网络获取对应的封装数据且对数据进行进一步处理后，即可借助Internet网络将数据传输到远程服务器端（图2）［11-13］。

图2　GPRS通信原理图Fig. 2　Process of GPRS communication

1.3GSM通信原理

GSM短消息通信是一种独特的信息交互方式，其可通过相应的服务中心在网络和手机间传递文字、图形等可视信息［14-15］。本文利用GSM通信模块以短消息的形式实现服务器与用户手机之间的通信（图3）。

图3　GSM通信原理Fig. 3　Process of GSM communication

其中，选取的GSM模块为LQ1001 GPRS DTU无线通信模块，该模块由灵旗通信公司生产，支持GPRS 实时数据传输或者短消息传输两种通信模式，此处设计选用其短信传输方式。为实现通信电平匹配，采用U转RS232串口数据线将无线通信模块与服务器相连。

此外，由于模块工作电压范围为8-30 V，且服务器所处机房中具有家用交流220 V电压，故无需再另行购置直流供电电源，设计中使用的是AC/DC电源适配器，该适配器能够将220 V交流电压转换成12 V直流输出电压。

2　现场终端的设计

2.1现场终端硬件设计

本系统选用单片机STC12C5A60S2作为核心处理器，该单片机是单时钟/机器周期（1 T）的单片机，它具有低功耗、高速、超强抗干扰等优点，是新一代8051单片机，可实现对传感器采集数据的处理和执行远程服务器的控制指令［16］。系统利用土壤湿度传感器MS-10测量土壤湿度值，利用光照传感器SM3560B测量日光照时数值，利用风速传感器YGC-FS测量日风速值。上述传感器都是基于RS-485接口的，可以直接连接到RS-485总线上。系统利用空气温度传感器AM2305来测量空气温度，选用液位传感器LLN测量田间液位值，其硬件电路见图4。

LM7805芯片U1，电容C3和C4，电阻R1构成一个电压转换电路，可将12 V输入电压转换成5 V电压输出，LM1117-3.3芯片可进一步地将5 V电压转换成3.3 V，以便为相应传感器件提供工作电压。系统采用MAX232芯片U8来实现单片机的TTL电平与RS-232电平之间的相互转换，其R1OUT和T1IN引脚分别与单片机的RxD（P3.0）和TxD（P3.1）引脚相连接，J5为9针DC-9连接器，用于连接GPRS DUT模块。U5即为MAX485接口芯片，用于实现TTL电平和RS-485电平之间的相互转换，引脚RO、DI分别为MAX485芯片内部接收器的输出端和驱动器的输入端，它们分别与STC12C5A60S2单片机的引脚RxD2（P1.2）和TxD2（P1.3）相连接。P1和R5，P2和R4分别构成了空气传感器和液位传感器的接口电路，这两个传感器都是通过单总线方式与单片机相连接的。P3、P4、P5为3个入水阀接口，P6、P7、P8为3个排水阀接口，其均通过继电器、二极管、三极管和电阻等组成的控制电路与单片机的不同I/O相连。系统采用11.0592 MHz的晶振Y1和30 pF电容C1、C2作为单片机外接时钟电路，为单片机提供时钟脉冲。此外，本设计利用太阳能电池板为整个硬件系统提供12 V的直流输入电压。

2.2现场终端软件设计

本文选用美国Keil Software公司出产的keil C51开发平台作为现场终端软件开发平台，该平台采用C语言作为开发语言，可实现信息的采集、处理和传输控制等操作。图5为现场终端工作流程图，图中TimeFlag为传感数据定时读取标志。

系统上电后，分别对相应的模块进行初始化设置，包括GPRS DTU模块初始化、定时器T0的初始化和间隔采集时间的设置等，待GPRS DTU无线通信模块网络链接成功后，程序对现场终端接收器发来的灌溉或排水命令进行识别。若接收的是灌溉命令，则自动开启相对应的入水阀，开始灌溉操作，直至达到相应水位值；若接收到的是排水命令，则自动开启排水阀，直至达到相应水位值。若现场终端没有收到灌溉或排水命令，单片机将按照设定的采样间隔读取各个传感器的测量值，并将之以数据包的形式发送到服务器。

图4　现场信息采集终端硬件电路图Fig. 4　Diagram of information collection circuit

3　服务器软件设计

服务器软件利用Visual Basic 6.0开发环境，结合VB语言开发了一套水稻灌溉监控管理系统，通过网络通信控件Winsok实现上位机与多个现场终端之间的数据传输，利用ADO技术完成对数据库的访问与存储［17-18］。本研究所开发的水稻灌溉监控管理系统，包含系统管理、实时监测、灌溉控制、数据分析和历史数据查询等功能界面（图6）。系统管理主要实现用户信息的登录和权限验证管理；实时监测功能界面用于实时监测并显示现场终端所采集的各类信息，包括土壤温湿度、风速、日照时数、气温和液位等信息；灌溉控制主要用于实现水稻的远程智能灌溉功能，其包括手动控制、自动控制和短消息控制模式；历史数据查询与分析界面具有从数据库中调取历史数据以及对其进行曲线分析等功能。

3.1数据通信协议

为有效传输和识别来自不同终端的指令信息和监测数据，本系统建立通信协议，并定义了通信规则。如表1所示为现场终端与远程服务器之间的数据包通信协议格式。表中，所有数据包的前导符用“#”表示，起始字节为0；包序号用于标识已发送信息的次序，占用10个字节，能标识的信息条数达90亿条以上；采集站名称表示终端所在的地点，占用8个字节；采集时间表示现场终端发送的数据包时的时间，占用14个字节，其格式为“YYYYMMDDHHMMSS”，如“20150526183028”表示2015年5月26日18时30分28秒；监测数据包括土壤湿度数据、风速数据、日照时数、气温数据和液位数据，各占用4个字节；CRC表示数据包采用CRC校验方法，占用2个字节［19］。

为了实现用户手机遥控服务器间接进行农田灌溉控制，本设计约定了相关的短消息控制协议，灌溉控制格式为：

“#123#GN1N2N3…NnL4.63MM”；

排水控制格式为：

“#123#PN1N2N3…NnL4.63MM”。

图5　现场终端工作流程图Fig. 5　Flow chart of field termination

图6　水稻灌溉监控管理系统Fig.6　Irrigation Control System

表1　数据包封装格式Table 1　packet encapsulation format

该通信协议中两个“#”号间的三个数字为验证密码，只有密码正确服务器在接收到该短信时才会识别该控制指令；字母G、P分别表示灌溉操作和排水操作；N1至Nn表示要控制的阀门；紧跟字母L后的数字表示需要保留的田间水位值；字母MM表示结束符。

3.2SQL数据库

本系统数据库由气象数据、土壤湿度数据和液位数据3大类型数据组成。其中，气象数据包括风速数据、日照时数和气温数据。利用ADO技术对数据的读写进行设计开发。ADO技术具有高效访问和存储数据库的特点。图7为系统数据库结构图。

图7　SQL数据库结构图Fig. 7　Structure of the database

SQL数据库中存有一系列数据表。为便于数据的查询，将风速数据、日照时数、气温数据均存入气象数据表中，将土壤湿度数据存入土壤湿度数据表中，将田间液位数据存入液位数据表中。其他信息包括土壤类型和土壤参数及现场终端周边环境等信息也都保存于相应的数据表中。

3.3At指令

用户手机与监控中心之间采用SIM900A模块中标准的AT指令（AT commands）完成通信功能。AT指令集多数以一个特定的“指令前缀”启示，以回车〈CR〉“指令结束标志”结束［20］。软件设计中将指令AT+CMGF设置为短消息的格式。若AT+CMGF=0，则代表其为文本（TEXT）格式；若AT+CMGF=1，则代表其为协议数据单元（PDU）格式。本系统选用文本（TEXT）格式进行短消息传输；利用指令AT+CMGS 发送短消息，例如AT+CMGS=“95580”表示向95580发送短消息；利用指令AT+GSMR对短消息进行读取操作；利用指令AT+CMGD对已接收的短消息进行删除操作，从而实现对数据的维护。

4　试验测试

系统总体测试试验于2015年在吉林省松原市试验田进行，试验面积1.5 hm2，平均每0.3 hm2安装一个现场终端。试验前，通过软件设置现场终端传感数据的读取时间间隔为1 min。试验时，开启远程服务器，并等待各个现场终端与远程服务器通信连接正常。为了测试用户手机与服务器之间的通信质量，采用手机发送了灌溉控制指令“#123#GN1N2N3L4.63MM”。服务器运行结果如图8所示，测试试验结果表明服务器能够有效地响应用户手机指令，可以实现手机遥控服务器进行工作。远程服务器可分别对现场的土壤湿度、风速、日照时数、空气温度和液位信息进行监测，并将所有监测结果取平均值（表2）。表中灌溉控制精度是通过将田间实际水量与计算出的需水量作商所得。

图8　手机遥控服务器测试结果Fig. 8　Test results of mobile phone remote control server

田间试验结果表明，系统可以实时监测田间的土壤湿度、风速、光照时数以及空气温度等信息，能够实现远程灌溉控制，且系统的灌溉控制精度能够达到93%以上，满足设计要求。

表2　田间试验结果Table 2　The results of field experimental

5　结论

本文应用“服务器—用户手机”直接通讯的方式，设计了一套基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系统，极大地减少了现场终端的任务处理量，加快了系统的实时性。同时，本文开发了一套水稻灌溉监控管理系统，包括实时监测、灌溉控制、数据分析和历史数据查询等多个功能界面。系统能够实时监测现场终端的传感器信息，可以实现服务器和手机双重灌溉控制需求。

试验结果表明，系统服务器能够有效地响应用户手机指令并且能够完成现场监控任务；系统的灌溉控制精度在93%以上，能够达到远程监控、灌溉的目标。

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（责任编辑：童成立）

Intelligent irrigation system for rice based on GPRS and GSM

YU Ting-ting1， ZHU Long-tu1， LI Ming-wei1， CHEN Yi-bing1，2， HUANG Dong-yan1，3
（1. Institute of Information Technology， Jilin Agricultural University， Changchun， Jilin 130118， China； 2. Jilin Station of Soil and Fertilizer， Changchun， Jilin 130033， China； 3. Key Laboratory of Bionics Engineering， Ministry of Education，Jilin University， Changchun， Jilin 130025， China）

Since there are many drawbacks which are the grievous waste of hardware resources and poor responses and so on existing in rice remote irrigation system currently， an intelligent irrigation system for rice based on GPRS and GSM was developed using a direct communication of “Server-User’s phone”. The single chip microcomputer STC12C5A60S2 is used as the core controller of field terminal in this system， using GPRS DTU wireless communication module to communicate between the field terminal and the remote server， utilizing GSM to exchange the information between the user’s mobile phone and the remote server. The new system greatly reduces the capacity of terminal task processing and also improves the real-time performance of the system. Rice water level information could be obtained through level sensors， so irrigation or drainage operation could be done according to water requirements of rice during different periods. In the meantime， the double monitoring function of server software and user’s phone in the system has been carried out by designing the monitor and management software for rice irrigation. The experiment result showed that the system performances well and the control accuracy of irrigation is over 93%， which meets the requirements of remote monitoring and irrigation.

GPRS； GSM； intelligent irrigation； field termination； remote server； user’s phone

National Science and Technology Support Program of China （2011BAD20B09）； Changchun Science and Technology Project（12KG087）； Science and Technology Research Project of Education Department of Jilin Province （201449）.

HUANG Dong-yan， E-mail: cchdy19760829@jlau.edu.cn.

30 March， 2016；Accepted 29 May， 2016

S232.3

A

1000-0275（2016）05-0988-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0061

国家科技支撑计划项目（2011BAD20B09）；长春市科技计划项目（14KG087）；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究（201449）。

于婷婷（1991-），女，辽宁庄河人，硕士生，主要从事农业信息化研究，E-mail: 1638610633@qq.com；通讯作者：黄东岩（1976-），男，吉林长春人，教授，硕士生导师，主要从事农业机械自动化研究，E-mail: cchdy19760829@jlau.edu.cn。

2016-03-30，接受日期：2016-05-29