近年來，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對作物的生產有很大的影響。傳統(tǒng)的人工控制方式難以達到科學合理種植的要求，目前國內可以實現上述環(huán)境因子自動監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價格昂貴，不適合國情。

針對目前大棚發(fā)展的趨勢，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計。根據大棚智能監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現場參數給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現場執(zhí)行設備，同時又要使上級部門可隨時通過互連網或者手機信息了解區(qū)域大棚的實時狀況?；?GPRS的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。

1 GPRS系統(tǒng)簡介

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務的簡稱。它允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數據， GPRS的理論帶寬可達171.2Kbps，實際應用帶寬大約在20～100Kbps之間,在此信道上提供了TCP/IP連接，可以用于INTERNET 連接、數據傳輸等，本身就是一個分組型數據網。此外，GPRS還具有實時在線、快捷登陸、按量計費、高速傳輸等優(yōu)點，特別適用于間斷、突發(fā)性、頻繁和少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量的傳輸。

GPRS的網絡構建是在原有的GSM網絡的基礎上新增了兩個節(jié)點(GPRS業(yè)務支持節(jié)點SGSN和GPRS網關節(jié)點GGSN)以及這兩個新增節(jié)點與其他硬件設備相連接的接口?；贕PRS網的數據傳輸系統(tǒng)如圖1 所示。具體的數據傳輸流程為：

(1)GPRS終端通過接口從客戶系統(tǒng)中取出用戶數據；

(2)處理后以GPRS分組數據的形式發(fā)送到基站(BSS)；

(3)分組數據經GPRS封裝后發(fā)送到GPRS IP骨干網；

(4)若分組數據是發(fā)送到另一GPRS終端,則先發(fā)送到目的SGSN, 再經BSS發(fā)送到GPRS終端;若分組數據是發(fā)送到外部網絡如INTERNET,則將分組數據包經GGSN進行協議轉換后發(fā)送到外部網絡。

2 系統(tǒng)的總體設計方案

大棚現場的溫度、濕度、CO2、風速等參數通過不同的傳感器采集后，通過傳輸線送入單片機，經微處理器的處理后通過GPRS模塊根據需要發(fā)送到農場監(jiān)控室的PC機或者是管理者所攜帶的手機上，同時單片機對數據與原設數據進行比較分析，啟動現場的執(zhí)行系統(tǒng)如電機、噴藥噴肥、報警系統(tǒng)等，完成大棚的灌溉、自然災害的預防等控制功能。另外，通過GPRS所具有的網絡連接功能，上級部門由GPRS模塊所獲得的動態(tài) IP地址隨時對大棚進行抽樣調查，了解某區(qū)域的農作物生長環(huán)境情況，還可以將該地區(qū)的以往的高產經驗環(huán)境參數發(fā)送給農場管理者參考。

3 系統(tǒng)的總體結構

基于GPRS大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構框架如圖2所示。系統(tǒng)由下位機和傳感器執(zhí)行機構檢測控制、上位機監(jiān)控、GPRS無線數據傳輸、移動終端和互聯網等五部分組成。現場監(jiān)控的下位機系統(tǒng)由單片機作為微處理器，而上位機為中心的監(jiān)控管理部門則采用PC機作為主控機。管理者只需要使用現有的高級語言編程模塊，在監(jiān)控室內部或持有手機等無線終端就可以隨時了解現場狀態(tài)，完成控制。

基于GPRS的大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)各部分說明：

(1)微處理器采用了工業(yè)級單片機P89C51RD2，它是

80C51系列單片機中的佼佼者，具有1KB的片上RAM和64KB的非易失FLASH程序存儲器。環(huán)境較差時，可以安裝機箱來防塵防水。微處理器是系統(tǒng)核心，主要完成采集參數的處理、執(zhí)行系統(tǒng)控制以及與監(jiān)控者的通信等功能。

(2)GPRS無線通訊模塊采用SIEMENS的MC35I，該模塊兼容了TC35 GSM模塊的功能，支持語音通信和短信息通訊，并且支持網絡連接及無線上網、數據傳遞的功能。

　(3)現場的設備參數采集傳感器如圖2中所列，若想擴展智能監(jiān)控系統(tǒng)的采集功能，還可以接入其他傳感器；執(zhí)行系統(tǒng)包括電動機、自動噴藥噴肥、報警系統(tǒng)等，本部分主要實現現場數據采集及數據輸出控制。

(4)監(jiān)控部門是由農場監(jiān)控室及攜帶移動終端的管理者以及上級部門組成。

(5)網絡使用移動通信網和INTERNET網。

監(jiān)控功能：

(1)測試大棚內的瞬時溫度、空氣濕度及土壤濕度、氣體濃度、光照強度并顯示。

(2)根據檢測到的各參數與設定值的偏差以及偏差變化率對電爐、噴泵及滴泵等設備進行控制,實現對棚內的溫濕度、氣體濃度、光照的調節(jié)。

(3)如果三項參數中有一項參數偏離給定值太多,系統(tǒng)將發(fā)出報警并反復檢測參數并顯示。

(4)自診斷、自恢復及報警電路用于檢測系統(tǒng)運行是否正常,如果出現異常,例如“死循環(huán)”或“亂飛”，則報警并使系統(tǒng)自動復位。

4 微處理器與通訊模塊

P89C51RD2與GPRS模塊之間的連接如圖3所示。因為要實現網絡連接，又因為GPRS技術是一種基于分包的傳輸技術，因此數據在傳輸之前必須進行TCP/IP技術的封裝處理，這個任務由TCP/IP協議處理芯片E5112完成，而短信的收發(fā)主要通過AT指令完成。GPRS在此嵌入式系統(tǒng)中有兩種應用方式，一是利用GPRS模塊實現SMS短信的收發(fā)，二是利用GPRS模塊實現微處理器的無線上網。

基于GPRS的大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)

當農業(yè)大棚現場系統(tǒng)與持有手機終端的管理者交流時，通過收發(fā)SMS短信，協議處理芯片E5112為模塊提供的是透明通道；上級部門分配動態(tài)IP地址，實現無線上網時，數據需要先通過E5112打包成TCP/IP數據。

4.1 GPRS模塊與AT指令

AT 指令是GPRS 模塊的底層指令，用來控制GPRS 進行無線通信。 硬件連接完成后,在GPRS 接入網絡操作之前，首先要對GPRS 模塊進行一定的設置,如通信波特率、接入網關、設置移動終端的類別等，然后便可以通過AT 命令來完成需要的功能。“AT” 或 “at” 前綴一定是放置在每條指令行最前面。通過輸入一個回車〈CR〉來結束一個指令行。

MC35I中常使用的硬件初始化指令如下：

(1)AT+CGATT=1激活GPRS功能命令。如果返回OK，則說明開通了GPRS功能。

(2)AT+CGDCONT=1,“IP”，“CMNET”命令用于設置GPRS網關，其中，CMNET是中國移動夢網的接入網關。返回OK，說明接入網關成功，否則接入失敗。

(3)ATD*99***1#用于撥通連接手機的GPRS網絡，操作通過返回CONNECT。此時MC35I進入PPP模式，不再響應其他AT命令。

(4)AT+CMGF=0用于選擇短消息格式，1為文本格式，0為PDU格式，操作通過MC35I返回OK，確定系統(tǒng)采用PDU格式。

(5)AT+CMGS=“手機號碼”用于發(fā)送短信息，操作成功MC35I返回OK。

4.2 協議處理器芯片

微處理器通過GPRS模塊上網，首先要對模塊進行一定的設置，使模塊MC35I處于數據通信的狀態(tài)。通信狀態(tài)設置后，數據在傳輸之前必須進行 TCP/IP技術的封裝處理，這個任務由TCP/IP協議處理芯片E5112完成。E5112協議處理芯片采用通用的MCU Core，內嵌經過精簡的TCP/IP軟件，它兼有服務器和客戶機的雙重功能，使用它的系統(tǒng)之間只要知道對方的IP地址和端口號，即可完成 INTERNET的網絡連接。首先單片機P89C51RD2與E5112通過串/并轉換芯片16C550實現數據串行/并行轉換,然后E5112通過 RS232串口與無線GPRS Modem通信。P89C51RD2 與E5112的連接如圖4所示。E5112為模塊提供透明和非透明兩種通道方式，在透明方式下E5112對用戶數據不做處理，直接接收發(fā)送數據。幀是單片機與E5112進行通信與控制的載體，E5112的幀分為輸入與輸出兩大類，每種幀都有特定的功能，其幀格式如圖5所示。

值得注意的是，E5112接口是5V邏輯，而MC35I是3V邏輯，兩者連接起來使用必須經過電平轉換。

5 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)控制程序可用C51語言實現，與匯編語言相比，C51具有開發(fā)速度快、軟件質量高、結構化強、可維護性好的優(yōu)點。監(jiān)控部門主要采用現有的高級語言程序模塊。下位機系統(tǒng)的控制需人為隨時改變，整體框架不變。

如圖6所示，開機上電后，先對單片機進行初始化，再對通信模塊初始化。初始化包括設置串口工作方式、波特率，以及初始化變量參數和標志位。
 

本系統(tǒng)以單片機和GPRS通信技術為核心，適應現代農業(yè)發(fā)展的要求，實現了現代農業(yè)大棚的智能化監(jiān)控。該系統(tǒng)既解決了大棚現場數據信息的自動獲取問題，又可以遠程智能監(jiān)控農場的執(zhí)行系統(tǒng)，滿足了管理的要求，通過GPRS模塊實現無線上網，為上級管理者提供方便，節(jié)省了大量的人力物力。設計成本適中，實用性強，對同類設計有重要的借鑒作用。