摘  要： 針對農業生產中部分溫室地點偏僻、位置分散等特點，設計了一種通過SMS短消息業務和GPRS網絡對溫室群進行遠程監控的系統，并介紹了系統結構和軟硬件設計。該系統利用嵌入式技術構建了溫室現場采集和控制終端，利用GPRS無線通信技術使溫室現場終端和遠程Server工作于C/S模式。操作者亦可通過SMS短消息的方式對溫室實施監控。
關鍵詞： GSM；GPRS；農業環境；遠程監控

    為合理利用農業資源，提高農業生產效率，將現代電子﹑計算機﹑通信和自動控制等技術引進到農業生產領域是發展現代農業的必由之路。在農業環境監控網絡化、智能化的發展趨勢下，由于部分農業生產環境地點偏僻、位置分散等因素的制約，采用有線的方式對其進行監控面臨眾多的瓶頸問題，例如以太網接入不便、RS-485總線傳輸距離有限等。
    近年來興起了很多無線組網技術，如將ZigBee技術用于水產養殖環境監測[1]、溫濕度數據采集[2]等。但是ZigBee技術在實際應用中存在很多缺點，例如易受干擾、通信距離短、不適合遠程監控等。移動公網GSM/GPRS通信技術在工農業生產中的應用日益受到人們的關注。GSM/GPRS有覆蓋域廣﹑接入迅速﹑按量計費等優點，在遠程突發性數據傳輸中具有很好的優勢。
    本文通過采用GSM/GPRS無線網絡通信技術與嵌入式技術相結合的方法，設計了一種對溫室群進行遠程監控的系統，使操作者可通過GSM網絡提供的SMS短消息業務或GPRS兩種方式獲取溫室現場狀態和下發控制命令。溫室現場具備緊急情況下自動控制的功能。系統由于加入了通過手機短消息進行監控的方法，為溫室遠程控制提供了一種更為靈活的方式。
1 系統架構
    系統架構分為三部分：控制端(分為控制中心Server和移動控制端)、GSM/GPRS無線網絡傳輸層和溫室現場終端。控制中心Server負責溫室現場環境參量的顯示和存儲，并可通過GPRS網絡下發命令。移動控制端指操作者通過手機短消息實施監控的方式，若操作者不在控制中心，可通過手機發短消息查詢溫室環境參量，并下發控制指令，保證遠程監控實施的靈活性。溫室現場終端負責3個方面的任務：(1)溫室現場環境參量的采集和無線發送；(2)控制端指令的接收和執行；(3)終端內運行溫室控制算法，擁有對部分執行機構的直接控制權，執行緊急情況下自動控制的功能。系統示意圖如圖1所示。

    控制中心Server具有固定公網IP地址。上位機界面基于Visual C++開發，具備數據實時顯示和存儲的功能，通過ADO技術連接Access數據庫，方便操作人員查詢歷史數據。溫室現場終端和控制中心Server工作于C/S模式，Server端建立一個監聽Socket，在Socket上建立消息響應函數來接收溫室現場終端的連接請求，并用來接收GPRS數據。當兩者TCP連接建立后，Server端通過掃描指定端口，讀取溫室現場終端上傳的溫室環境參量信息。
2 硬件設計
    由于溫室環境的復雜性和特殊性，在溫室現場終端硬件設計中需要考慮如下兩個因素：
    (1)控制終端是整個系統信息交互的中心，既要定時上傳傳感器數據，又要接受遠程指令的查詢和控制，數據流量較大，對MCU的內存和處理速度有一定要求。
    (2)被控溫室在無人值守的情況下，為應對異常情況的出現，溫室控制終端需具備自動復位的能力。
    基于這兩種因素，終端MCU選用STC12C單片機，STC12C是單時鐘/機器周期(1 T)單片機，速度比普通8051快8~12倍。內置看門狗復位電路，當看門狗沒有被定時清零時，將引起復位，從而防止程序陷入死循環。終端硬件設計采用嵌入式技術，MCU搭載傳感器、GPS模塊和GPRS模塊等。終端硬件架構如圖2所示。

    MCU通過串口分別連接GPS模塊和GPRS模塊。GPS模塊采用Ubolx公司的高精度UbloxNEO6M。通過GPS模塊在服務器端顯示溫室的位置信息，同時截取GPS幀里的時間戳，為每一幀上傳至服務器的傳感器數據加上時間標記。
    傳感器用于監測溫室內重要的環境參量，包括溫度、濕度、光照、二氧化碳等。其中溫濕度傳感器采用單總線數字式傳感器DHT11。DATA引腳用于微處理器與DHT11之間的通信和同步，采用單總線數據格式，工作后可以一次完整傳輸40 bit溫濕度數據。數據格式為：8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗和。
    GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM300，內嵌TCP/IP協議棧，支持AT指令集。該模塊負責無線通信鏈路的建立，它通過串口與MCU通信，串口工作于模式1，波特率設置為9 600 b/s。當串口接收到數據或者需要發送數據時產生串口中斷，MCU響應中斷執行相應處理程序。GPRS模塊負責傳感器數據上傳和遠程指令接收兩方面的工作。MCU將傳感器數據按通信協議封裝成幀，交付GPRS模塊定時發送。GPRS模塊接收到手機短消息指令或控制中心Server指令時，交付MCU進行解析。
    溫室現場終端通過GPIO口，驅動繼電器或電機執行溫室天窗開關、遮陽網開關、卷簾收放等動作。
3 軟件設計
    系統軟件設計圍繞兩個核心問題：傳感器數據的無線發送和遠程指令的接收并執行。基于這一思路，采取模塊化的程序設計以保證良好的可維護性。系統任務由各子程序模塊配合協作完成。例如分別有模塊執行GPRS網絡TCP通信鏈路的建立、溫室控制算法、通信協議的執行以及短消息指令的分析等。圖3為系統工作流程圖。

3.1 TCP無線通信鏈路建立
    GPRS是在現有GSM網絡中增加GPRS網關支持節點GGSN和GPRS服務支持節點SGSN來實現的[3]。圖4為通過AT指令使溫室現場終端的GPRS模塊和控制中心Server建立TCP連接的過程。

    這一過程的實現用到的AT指令如下：
    AT+CGATT=1(附著GPRS服務)
    AT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET"(定義PDP 場景)
    AT+CGACT=1，1(激活或解除PDP 移動場景)
    AT+CIPCSGP=1，"CMNET"，選擇接入點
    AT+CIPSTART="TCP"，"Server的 IP地址"，
    "Server的端口號"，嘗試TCP連接。
    控制中心Server需具有公網IP地址，當成功建立TCP連接后，可用AT+CIPSEND發送數據到Server。如果要關閉TCP連接可用AT+CIPCLOSE命令。
3.2 通信協議和優先級
    由于控制對象是一個溫室群，每個溫室布置有多種類型傳感器，系統制定了完整的通信協議和數據校驗機制來保證控制中心Server和溫室現場終端的正確握手。
    為每個被控溫室分配一個獨有的一級ID，溫室內的各個傳感器分配獨有的二級ID，每幀上傳數據的格式為：幀頭0x21+溫室ID+時間標記+傳感器ID+傳感器數據+CRC+幀尾0xFF。
    由于為溫室提供了SMS和GPRS兩種遠程控制方法，溫室終端也嵌入了溫室控制算法，使終端擁有對部分執行機構的控制權，以進行緊急情況的判斷處理。為了避免操作的沖突性，系統為每種控制方式分配了不同的優先級，優先級從高到低依次為：溫室終端、控制中心Server和移動控制端。當出現重復操作指令時，以優先級最高的為準。不符合通信協議的指令和數據將被直接過濾，避免誤操作和重復操作情況的發生。
3.3 溫室控制算法

    如果將全部的控制權交由控制端(Server端和移動控制端)發出，對整個系統而言是十分危險的。例如光照傳感器測出當前溫室內光照強度過大，而此時控制端命令發生傳輸延遲或命令丟失的情況，這就會導致溫室現場端因為等待不到遠程命令而不作為的情況。植物很可能因此被強烈的陽光灼傷。
    在系統設計中，溫室現場終端擁有對部分執行機構的直接控制權，終端內運行溫室控制算法，將選定的重要溫室環境參量輸入溫室控制算法進行運算，根據運算結果判斷是否動作相關執行機構，實現緊急情況下自動控制的功能。
    以溫室控制算法中的遮陽網控制算法為例，現場終端得到光照傳感器測得的光照值后，會將其與程序內設定的適合作物生長的光照值做比較，如果實際值高于設定值，終端會驅動電機關閉遮陽網，反之驅動電機打開遮陽網。圖5所示為溫室遮陽網控制算法的流程圖。

3.4 短消息指令分析
    SMS(短消息)是GSM系統提供的一種業務，由于采用了短消息中心的存儲和轉發機制，保證了較高的可靠性[4-5]。下面為基本SMS設置的精簡程序。
    static void init_sms()
    {  send_string_uart1("AT+CMGF=0\x00D\x00A");
    send_string_uart1("AT+CSCS=\"UCS2\"\x00D\x00A");     //設置字符集
    send_string_uart1("AT+CSMP=17,167,0,241\x00D\x00A");}
//設置短消息存儲模式
    GPRS模塊上電啟動后，通過AT指令進行基本SMS的設置，如“AT+CSCS=UCS2” 設置所使用字符集為UCS2，“AT+CMGF=0”設置使用PDU模式。
    對于移動控制端指令，需統一消息幀頭，以方便溫室終端的提取和分析。本系統中所有的短消息指令都以“wenshictr”開頭。如果操作者發短消息“wenshictr+hum=？”至某溫室詢問濕度值，該溫室現場終端收到后， MCU通過AT+CMGR指令讀出消息幀，去除幀的時間標記等內容，將控制指令提取出來，然后將實時濕度值經過UCS2編碼，打包成PDU幀的格式通過“AT+CMGS”指令回復給操作者。當指定參量超出閾值，通過“ATD<電話號碼>”指令可實現電話報警的功能。
    本系統在溫室現場經過驗證，運行良好，GPRS傳輸數據穩定可靠，實時性較好。但由于移動公司的限制，發送數據的周期最好設置在幾分鐘以內。因為一定時間內如果通信鏈路沒有產生流量，移動公司會取消分配給GPRS模塊的網內IP。本系統設計的初衷是針對偏僻分散溫室群的監控，但也可用于其他需要遠距離監控的場合，具有良好的可移植性。
參考文獻
[1] 宦娟，劉星橋，程立強，等.基于ZigBee的水產養殖水環境無線監控系統設計[J].漁業現代化，2012，39(1)：34-38.
[2] 李永成，凌青，吳剛，等.基于ZigBee的溫濕度數據無線采集監測系統設計[J].微型機與應用，2012，31(7)：61-63.
[3] 盧偉，楊建華，袁雪堯.基于GPRS的嵌入式數據采集與遠傳系統[J].微計算機信息，2011，27(1)：12-13.
[4] 朱萬貴，鄭國君，顧新建，等.基于SMS的遠程監控系統的設計與實現[J].制造業自動化，2003，25(12)：32-34.
[5] 周國祥，周俊，苗玉彬，等.基于GSM的數字農業遠程監控系統研究與應用[J].農業工程學報，2005，21(6)：87-91.