摘 要：基于GSM遠(yuǎn)程溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)充分利用GSM網(wǎng)絡(luò)，配用相關(guān)的傳感器，利用單片機(jī)進(jìn)行多參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和指令響應(yīng)，在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與集中監(jiān)測(cè)中心建立快捷的數(shù)據(jù)通信通道，把各數(shù)據(jù)采集終端的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，決策結(jié)果可以利用短消息方式發(fā)送到用戶手機(jī)上。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的自動(dòng)采集與無(wú)線傳輸，降低了測(cè)量的工作量、節(jié)約成本、提高效率。重點(diǎn)介紹遠(yuǎn)程溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和軟件設(shè)計(jì)，并且系統(tǒng)仿真運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：GSM；數(shù)據(jù)采集；監(jiān)控；溫室環(huán)境；短消息

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)22-151-04

Design Realization of Remote Monitoring System of Greenhouse Environment by Using GSM

WANG Yi，ZHOU Jie

(College of Electronic Information Engineering，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing，210044，China)

Abstract： The remote monitoring system of greenhouse environment based on GSM fully uses of GSM network with the relevant sensors，and uses single chip microcomputers to acquire data parameters and instruction responses.It establishes efficient data communication channel between data collection points and centralized monitoring center，senting agricultural monitoring data to the center by the data acquisition terminal and processing，the results can be used to send on the mobile phone by short messages.The system achieves automatic collection and wireless transmission of parameters，reduces the measurement workload，saves the cost and improves the efficiency.It focuses on implementation and software design of the remote monitoringsystem of greenhouse environment，and system simulation operates stably.The design is expected to achieve the goal.

Keywords：GSM;data acquisition;monitor;greenhouse environment;short messages

準(zhǔn)確適時(shí)采集農(nóng)作物周圍的環(huán)境，對(duì)農(nóng)作物研究、合理資源利用和環(huán)境保護(hù)等都是非常必要的。目前國(guó)內(nèi)的溫室環(huán)境的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集，主要有：第一，使用數(shù)據(jù)采集儀，人工進(jìn)行田間測(cè)量和分析。它能立即得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或分析結(jié)果，或?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)帶回到實(shí)驗(yàn)室，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)分析。但對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)采集的數(shù)據(jù)，如溫濕度、光照強(qiáng)度、作物生長(zhǎng)特征等參數(shù)的變化規(guī)律等，則需要反復(fù)多次到田間測(cè)量、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、測(cè)量成本高。第二，采用接入Internet或Intranet的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。這些方式已經(jīng)應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程加工或遠(yuǎn)程診斷等領(lǐng)域。但是接入Internet一般要按時(shí)間計(jì)費(fèi)或租用專線，Intranet需要鋪設(shè)專用線纜，成本高。在數(shù)據(jù)量不大、需要長(zhǎng)時(shí)間連接或所要監(jiān)控的現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常變化的情況下這兩種方法都不合適。

本文闡述一個(gè)基于GSM模塊無(wú)線傳輸?shù)倪h(yuǎn)程溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，配用相關(guān)的傳感器，利用單片機(jī)進(jìn)行多參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和指令響應(yīng)，結(jié)合內(nèi)置的無(wú)線通信模塊和GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)采集與無(wú)線傳輸，降低了測(cè)量的工作量、節(jié)約成本、提高效率。本文重點(diǎn)給出遠(yuǎn)程溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)程溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是利用單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息的形式完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，即在傳統(tǒng)的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加支持語(yǔ)音、短消息、數(shù)據(jù)通信、傳真等業(yè)務(wù)的GSM引擎模塊，并為其分配一個(gè)獨(dú)立的SIM卡，通過(guò)串行通信接口RS 232，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。監(jiān)控終端可以是PC機(jī)，也可以是移動(dòng)電話或移動(dòng)終端。

系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

1.2.1 集中監(jiān)控中心

集中監(jiān)控中心由一臺(tái)裝有主站監(jiān)控軟件的PC機(jī)和通信裝置組成，通信裝置與PC機(jī)通過(guò)串口連接。主站讀取GSM設(shè)備接收到的短消息從而獲得遠(yuǎn)端傳來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)，而且可以發(fā)送控制指令并通過(guò)GSM設(shè)備轉(zhuǎn)換為短消息，被遠(yuǎn)端控制設(shè)備接收（或報(bào)警時(shí)將短消息發(fā)送給遠(yuǎn)端工作人員手機(jī)）。主站監(jiān)控軟件可以管理整個(gè)系統(tǒng)的所有遠(yuǎn)端設(shè)備。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端在每一監(jiān)控點(diǎn)完成對(duì)模擬量的采集與開關(guān)量的檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)必要的控制功能。在被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)及時(shí)將此事件的性質(zhì)及必要的數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送給監(jiān)控中心，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集設(shè)備還可以接收由監(jiān)控中心發(fā)送的命令，根據(jù)命令修改參數(shù)或?qū)?dāng)前狀態(tài)信息回送中心。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MSComm控件

Visual Basic的串行通信對(duì)象MSComm是將RS 232的初級(jí)操作予以封裝，用戶以高級(jí)的Basic語(yǔ)法即可利用RS 232與外界通信。MSComm控件可以用來(lái)提供簡(jiǎn)單的串行端口通信功能，也可以用來(lái)創(chuàng)建功能完備、事件驅(qū)動(dòng)的高級(jí)通信工具。MSComm控件提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令的使用界面。使用它可以建立與串行端口的連接，通過(guò)串行端口連接到其他通信設(shè)備（例如調(diào)制解調(diào)器），發(fā)出命令，交換數(shù)據(jù)，以及監(jiān)視和響應(yīng)串行連接中發(fā)生的事件和錯(cuò)誤。

2.2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

由于在監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)采集終端之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信采取的主要方式為短消息（SMS），因此短消息中每個(gè)數(shù)據(jù)信息代表的具體意義，以及短消息中數(shù)據(jù)的排列規(guī)則都需要通信的雙方達(dá)成一致。因此通信雙方必須具有數(shù)據(jù)協(xié)議。由于受到單片機(jī)中存儲(chǔ)芯片的容量限制，因此短消息傳送的數(shù)據(jù)量要有一個(gè)具體的限定，同時(shí)為了便于定位有用的數(shù)據(jù)信息，短消息中數(shù)據(jù)信息以“％％”開頭，以單個(gè)“％”結(jié)尾。

（1） 由數(shù)據(jù)采集終端向監(jiān)控中心發(fā)送狀態(tài)信息

格式：%%* ** ** ** ** ** **%

語(yǔ)義：從左到右依次是狀態(tài)碼、溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO₂濃度、水份、肥料、I/O狀態(tài)碼、校驗(yàn)和，其中，*代表單字節(jié)，**代表雙字節(jié)。

狀態(tài)碼以及I/O狀態(tài)，即由遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集設(shè)備向監(jiān)控中心發(fā)送的狀態(tài)信息中的第1個(gè)字節(jié)和第14個(gè)字節(jié)的意義，1個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)最多可以表示128個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)碼的定義如圖2所示。其中每個(gè)參數(shù)值也有各自的含義：狀態(tài)碼代表遠(yuǎn)端設(shè)備所處的狀態(tài)，監(jiān)控中心完全根據(jù)狀態(tài)碼代表的意義來(lái)進(jìn)行報(bào)警等一些操作。溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO₂濃度、水份、肥料這6個(gè)值包含在狀態(tài)信息中，參數(shù)值都設(shè)定為2個(gè)字節(jié)，第1個(gè)字節(jié)表示參數(shù)值的千位和百位的數(shù)據(jù)，第2個(gè)字節(jié)代表參數(shù)值的十位和個(gè)位的數(shù)據(jù)。I/O代表負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的端口所處狀態(tài)，即開關(guān)量，如圖3所示。1個(gè)字節(jié)的8位分別代表8個(gè)數(shù)據(jù)采集端口的狀態(tài)，如果某一位為“1”，則該端口處于打開狀態(tài)，反之則處于關(guān)閉狀態(tài)。檢驗(yàn)和用來(lái)判斷傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，這里采取CheckSum方式。

（2） 由監(jiān)控中心向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送命令

格式：%%* ** *%

語(yǔ)義：從左到右依次是命令字、參數(shù)、校驗(yàn)和。

其中，命令字代表控制中心發(fā)往遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)意義，定義如下：00 請(qǐng)求發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)；01 設(shè)定溫度標(biāo)定值；02 設(shè)定濕度標(biāo)定值；03 設(shè)定光照強(qiáng)度標(biāo)定值；04 設(shè)定CO₂濃度標(biāo)定值。參數(shù)就是主控中心給遠(yuǎn)端設(shè)備設(shè)定的各個(gè)參數(shù)的值。

2.3 GSM AT指令

單片機(jī)和GSM引擎之間采用AT指令實(shí)現(xiàn)相互之間的通信，單片機(jī)發(fā)出的AT指令用來(lái)建立通信鏈路，AT指令集的命令格式幀都以AT開頭，“AT”或者“at”的前綴必須出現(xiàn)在每一個(gè)命令行的開始。該系統(tǒng)中使用的控制短信收發(fā)的AT指令如表1所示。

2.4 短信息業(yè)務(wù)及其數(shù)據(jù)格式

短信息業(yè)務(wù)SMS是GSM系統(tǒng)提供給用戶的一種數(shù)字業(yè)務(wù)。它與話音傳輸及傳真一樣，同為GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù)。SMS的收發(fā)占用的是GSM網(wǎng)絡(luò)的信令信道，不會(huì)占用普通話音信道，而且它是雙向通信，具有一定的交互能力；SMS具有較高的可靠性，短信息發(fā)送端的用戶可知道短信息是否已經(jīng)到達(dá)接收端；由于通信領(lǐng)域領(lǐng)先技術(shù)的支撐，傳輸短數(shù)據(jù)信息的效率極高、速度快、運(yùn)行成本低；SMS充分利用GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣的特點(diǎn)和全程全網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，具有極佳的移動(dòng)性，使得任何一個(gè)申請(qǐng)了短信息服務(wù)的GSM無(wú)線終端用戶在全網(wǎng)內(nèi)獲得服務(wù)。

發(fā)送和接收短信息共有3種方法：Block Mode，PDU和Text Mode。Block Mode目前已很少使用。PDU Mode被所有手機(jī)支持，可以使用任何字符集，是手機(jī)默認(rèn)的編碼方式。但其發(fā)送和接收短信息的實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜。Text Mode是純文本方式，即短信息是基于ASCII字符的。由于在這種方式下收發(fā)短信相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度也相對(duì)小一些，且滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，故采用這種方式實(shí)現(xiàn)短信的收發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程序的主界面主要實(shí)現(xiàn)的功能是調(diào)用本系統(tǒng)的所有其他功能，包括參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)接收數(shù)據(jù)、請(qǐng)求數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的查詢與分析等。同時(shí)，在主界面打開時(shí)，要對(duì)與PC機(jī)相連的GSM模塊進(jìn)行新消息指示方式的設(shè)置，即AT＋CNMI＝1，1，0，0，1，這樣做主要是為了避免在其他的功能上過(guò)多地與PC機(jī)相連的GSM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

主界面如圖4所示。

程序要使用的菜單的層次結(jié)構(gòu)、標(biāo)題以及各個(gè)部分的功能。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 完成對(duì)系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的功能。其中包括狀態(tài)碼設(shè)定、I/O設(shè)定、溫度最大值設(shè)定、濕度最大值設(shè)定、光照強(qiáng)度最大值設(shè)定、CO₂濃度最大值設(shè)定6個(gè)子菜單，分別對(duì)應(yīng)6個(gè)參數(shù)的設(shè)置。

數(shù)據(jù)檢測(cè) 用來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)和請(qǐng)求，包括自動(dòng)接收和數(shù)據(jù)請(qǐng)求2個(gè)子菜單。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理與查詢 執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)操作，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的備份、恢復(fù)、數(shù)據(jù)的查詢以及數(shù)據(jù)信息的曲線視圖顯示。

幫助 關(guān)于本系統(tǒng)的一些說(shuō)明。

其中，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)十分重要。而這個(gè)參數(shù)，就是監(jiān)控設(shè)備通過(guò)短消息的方式發(fā)送給遠(yuǎn)端設(shè)備的。具有數(shù)據(jù)采集功能的設(shè)備，在處理采集到的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)根據(jù)一些參數(shù)值做判斷。例如當(dāng)采集到的CO₂濃度為400 ppm時(shí)，如果此時(shí)的標(biāo)定值的參數(shù)為350 ppm，則遠(yuǎn)端設(shè)備根據(jù)比較，得到現(xiàn)在的CO₂濃度超出正常范圍，于是自動(dòng)將采集的數(shù)據(jù)以及判斷結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控中心及時(shí)采取一些操作，例如通知負(fù)責(zé)人等來(lái)管理該遠(yuǎn)端設(shè)備，使其恢復(fù)正常。設(shè)定窗口如圖5所示。

對(duì)于自動(dòng)接收和數(shù)據(jù)請(qǐng)求這兩個(gè)功能，關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的報(bào)警。它們的區(qū)別在于請(qǐng)求數(shù)據(jù)是選擇發(fā)送對(duì)象，主動(dòng)地請(qǐng)求數(shù)據(jù)，而自動(dòng)接收數(shù)據(jù)則是循環(huán)地檢測(cè)端口來(lái)被動(dòng)地接收。部分程序如下。

…

If MDIForm1.Comm1.InBufferCount > 0 Then

intall = intall + 1

If intall = 1 Then

Call readno

End If

If intall = 2 Then

Call getdata

Call rectemp

End If

If intall = 4 Then

Call zhuanfa

End If

If intall = 5 Then

Call sendtxt

End If

If intall = 8 Then

If MDIForm1.Comm1.InBufferCount > 0 Then

Call rectemp

intall = 7

End If

End If

If intall = 9 Then

If ifalarm Then

MMControl1.filename = App.Path +\"\\\\alarm1.wav\"

MMControl1.Command = \"Open\"

MMControl1.Command = \"Play\"

Intall = 8

End If

End If

End If

…

4 結(jié) 語(yǔ)

GSM遠(yuǎn)程溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)利用GSM無(wú)線通信技術(shù)全面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地采集數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與集中監(jiān)測(cè)中心建立快捷的數(shù)據(jù)通信通道，把各數(shù)據(jù)采集終端的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到集中監(jiān)測(cè)中心，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，決策結(jié)果可以利用GSM短消息方式發(fā)送到用戶手機(jī)上。該系統(tǒng)仿真運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

短消息業(yè)務(wù)具有永遠(yuǎn)在線、不需撥號(hào)、價(jià)格便宜、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，特別適用于傳送小數(shù)據(jù)量、地區(qū)偏遠(yuǎn)、架設(shè)通信線路困難的地方。對(duì)于數(shù)據(jù)采集終端來(lái)說(shuō)，一般放在無(wú)人值守地區(qū)，應(yīng)用短消息業(yè)務(wù)來(lái)傳送數(shù)據(jù)最為合適，在農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與無(wú)線傳輸中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介 王 簃 男，1984年出生，碩士。研究方向?yàn)镺FDM通信技術(shù)、WCDMA網(wǎng)絡(luò)等。

周 杰 男，1964年出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槌瑢拵o(wú)線通信技術(shù)、智能天線技術(shù)等。