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。種植環境中的溫度、濕度、光照度、CO₂濃度等環境因子對作物的生產有很大的影響。傳統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境因子自動監控的系統還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統價格昂貴，不適合國情。
　　針對目前大棚發展的趨勢，提出了一種大棚智能監控系統的設計。根據大棚智能監控的特殊性，需要傳輸大棚現場參數給管理者，并把管理者的命令下發到現場執行設備，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域大棚的實時狀況。基于GPRS的智能大棚監控系統使這些成為可能。
1 GPRS系統簡介
　　GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的簡稱。它允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據， 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、高速傳輸等優點，特別適用于間斷、突發性、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點(GPRS業務支持節點SGSN和GPRS網關節點GGSN)以及這兩個新增節點與其他硬件設備相連接的接口?；贕PRS網的數據傳輸系統如圖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中取出用戶數據；
　　(2)處理后以GPRS分組數據的形式發送到基站(BSS)；
　　(3)分組數據經GPRS封裝后發送到GPRS IP骨干網；
　　(4)若分組數據是發送到另一GPRS終端,則先發送到目的SGSN, 再經BSS發送到GPRS終端;若分組數據是發送到外部網絡如INTERNET,則將分組數據包經GGSN進行協議轉換后發送到外部網絡。

2 系統的總體設計方案
　　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模塊根據需要發送到農場監控室的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，啟動現場的執行系統如電機、噴藥噴肥、報警系統等，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IP地址隨時對大棚進行抽樣調查，了解某區域的農作物生長環境情況，還可以將該地區的以往的高產經驗環境參數發送給農場管理者參考。
3 系統的總體結構
　　基于GPRS大棚智能監控系統的總體結構框架如圖2所示。系統由下位機和傳感器執行機構檢測控制、上位機監控、GPRS無線數據傳輸、移動終端和互聯網等五部分組成?，F場監控的下位機系統由單片機作為微處理器，而上位機為中心的監控管理部門則采用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，完成控制。

　　系統各部分說明：
　　(1)微處理器采用了工業級單片機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。環境較差時，可以安裝機箱來防塵防水。微處理器是系統核心，主要完成采集參數的處理、執行系統控制以及與監控者的通信等功能。
　　(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" title="無線上網">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，若想擴展智能監控系統的采集功能，還可以接入其他傳感器；執行系統包括電動機、自動噴藥噴肥、報警系統等，本部分主要實現現場數據采集及數據輸出控制。
　　(4)監控部門是由農場監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。
　　(3)如果三項參數中有一項參數偏離給定值太多,系統將發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運行是否正常,如果出現異常,例如“死循環”或“亂飛”，則報警并使系統自動復位。
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" title="處理芯片">處理芯片E5112完成，而短信的收發主要通過AT指令完成。GPRS在此嵌入式系統中有兩種應用方式，一是利用GPRS模塊實現SMS短信的收發，二是利用GPRS模塊實現微處理器的無線上網。

　　當農業大棚現場系統與持有手機終端的管理者交流時，通過收發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?！癆T” 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，確定系統采用PDU格式。
　　(5)AT+CMGS=“手機號碼”用于發送短信息，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。通信狀態設置后，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 系統軟件設計

　　系統控制程序可用C51語言實現，與匯編語言相比，C51具有開發速度快、軟件質量高、結構化強、可維護性好的優點。監控部門主要采用現有的高級語言程序模塊。下位機系統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。

　　本系統以單片機和GPRS通信技術為核心，適應現代農業發展的要求，實現了現代農業大棚的智能化監控。該系統既解決了大棚現場數據信息的自動獲取問題，又可以遠程智能監控農場的執行系統，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。
參考文獻
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