雷瑞庭， 宋 躍， 陳上明

（東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)灌溉都是采用噴灌、滴灌、微灌等技術(shù)方法，都需要人在控制室手動(dòng)根據(jù)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行控制，而且需要另外的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與布線，成本較高。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我們需要一種自動(dòng)，科學(xué)的灌溉系統(tǒng)來控制灌溉。為此，采用一種基于GPRS［1］的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，采用無處不在的GPRS網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)控中心根據(jù)返回來的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，以及預(yù)設(shè)的參數(shù)數(shù)據(jù)，自動(dòng)發(fā)送命令，發(fā)送相應(yīng)的指令給遠(yuǎn)處的控制現(xiàn)場(chǎng)。綜合來看，這個(gè)系統(tǒng)成本低，相對(duì)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，更加智能［2］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成。其中上位機(jī)是安裝了編好的監(jiān)控軟件的服務(wù)器，負(fù)責(zé)接收發(fā)回來的數(shù)據(jù)和發(fā)送相應(yīng)的命令［3］。下位機(jī)的硬件組成包括STC12C5A60S2［4］單片機(jī)，Simcom 公司 SIM300 和土壤濕度溫度傳感器 SHT10［5］，空氣濕溫度傳感器DHT11［6］。這款單片機(jī)新一代的、帶雙串口的8位單片機(jī)，是傳統(tǒng)的速度的12倍。SHT10采用CMOSens專利技術(shù)將溫度濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字接口無縫結(jié)合，使傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。DHT11具有超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上，與采用數(shù)字接口等優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍更加廣甚至為最苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1［7］，傳感器定時(shí)在MCU控制下，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。MCU控制SIM300模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)。將數(shù)據(jù)送回監(jiān)控中心的服務(wù)器端。服務(wù)器根據(jù)預(yù)定的程序流程儲(chǔ)存并處理數(shù)據(jù)，根據(jù)服務(wù)器預(yù)設(shè)參數(shù)發(fā)送相應(yīng)的指令給監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)做出相應(yīng)的操作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件

2.1 下位機(jī)軟件

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用的是最新的MDK集成開發(fā)環(huán)境。下位機(jī)包括控制端部分、數(shù)據(jù)采集端部分和太陽能控制端3個(gè)部分?？刂贫撕蛿?shù)據(jù)采集端部分都是采用太陽能供電。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)［8］

如圖2所示，系統(tǒng)上電后首先給單片機(jī)內(nèi)部ROM和GSW模塊SIM300進(jìn)行初始化。等信號(hào)準(zhǔn)備好之后，進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取模式。不間斷地對(duì)傳感器進(jìn)行讀取，并將數(shù)據(jù)送到服務(wù)器端。由于系統(tǒng)一般安放在無人的地方，當(dāng)服務(wù)器設(shè)置改變時(shí)，不方便操作。我們采用手機(jī)短信設(shè)置IP地址，通過手機(jī)短信發(fā)送IP地址到采集端，這樣大大增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性，減少系統(tǒng)維護(hù)的成本和時(shí)間。

部分代碼如下：

2.1.2 控制端設(shè)計(jì)

圖2 數(shù)據(jù)采集端流程圖

如圖3所示，控制端子系統(tǒng)上電后首先對(duì)GSW模塊進(jìn)行初始化，初始化之后尋找信號(hào)，尋找到信號(hào)后程序進(jìn)入一個(gè)大循環(huán)里面，在循環(huán)里面判斷是短信提示判斷、或者設(shè)置IP地址判斷、或者控制電磁閥判斷，根據(jù)判斷我們采取相應(yīng)的動(dòng)作。在控制端我們可以實(shí)現(xiàn)短信設(shè)置IP地址、電磁閥控制、發(fā)送短信等功能。在程序設(shè)計(jì)上采用switch判斷語句，根據(jù)相應(yīng)的情況作出相應(yīng)的動(dòng)作［9］。

圖3 控制端流程圖

部分代碼如下：

2.1.3 太陽能控制端子系統(tǒng)

電路以 STC12C5410AD為核心，STC12C5410AD具有8路高速10位的A/D轉(zhuǎn)換，4路PWM，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池板電壓和蓄電池電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及輸入一定占空比的脈沖到開關(guān)電路。開關(guān)電路利用CMOS管的開關(guān)特性控制充放電的通斷和充電電壓大小的控制。程序框圖如圖4所示。部分代碼如下：

圖4 太陽能端控制子系統(tǒng)

2.2 上位機(jī)軟件

2.2.1 上位機(jī)軟件平臺(tái)［9-10］

系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用微軟最新.NET平臺(tái)語言C#編寫，C#提供了非常豐富的控件相對(duì)于其他的編程語言，C#提供更加豐富的接口，更加靈活的函數(shù)調(diào)用。這些在網(wǎng)絡(luò)編程方面的優(yōu)勢(shì)顯得更加得突出。

2.2.2 上位機(jī)軟件的總體架構(gòu)［11］

如圖5所示，打開監(jiān)控軟件后，采用TCP連接協(xié)議，系統(tǒng)開始等待監(jiān)聽，遠(yuǎn)程的客戶端是否有連接，如果有連接，則創(chuàng)建新線程，根據(jù)遠(yuǎn)程傳送過來的內(nèi)容，并從其中的內(nèi)容截取相應(yīng)的溫度、濕度數(shù)據(jù)到顯示框和 access數(shù)據(jù)庫上［12］。

圖5 上位機(jī)軟件流程圖

2.2.3 監(jiān)聽部分子程序

用 new Thread（new ThreadStart（Accept Connection））;啟動(dòng)線程后，再用 myThread.Start（）啟動(dòng)線程。當(dāng)有連接時(shí)，用AcceptConnection（）來接受連接，至此，就完成了一個(gè)連接。

部分代碼如下：

2.2.4 截取數(shù)據(jù)部分子程序

當(dāng)數(shù)據(jù)被服務(wù)器端接收到時(shí)，需要將數(shù)據(jù)截取并保存到數(shù)據(jù)庫。當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)，運(yùn)行的效果截圖如圖6所示，數(shù)據(jù)庫顯示數(shù)據(jù)如圖7所示

圖6 數(shù)據(jù)庫

部分代碼如下：

圖7 軟件運(yùn)行圖

2.2.5 控制以及自動(dòng)控制子程序

控制系統(tǒng)有兩種模式，一個(gè)是自動(dòng)控制模式，即根據(jù)參數(shù)設(shè)置自動(dòng)灌溉，另一個(gè)是手動(dòng)控制模式，即人工控制灌溉，如圖9所示。用戶可以根據(jù)不同的需要來選擇控制模式，部分代碼如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

讓客戶端和軟件端分別進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，在客戶端將不間斷地傳送數(shù)據(jù)回來，效果如圖7所示。在網(wǎng)絡(luò)好的情況，幾乎沒有數(shù)據(jù)丟失。由圖6和圖8可以看到，采集回來的數(shù)據(jù)顯示并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫上，這些數(shù)據(jù)可以時(shí)刻分析遠(yuǎn)程環(huán)境的變化情況，并自動(dòng)地根據(jù)相應(yīng)的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體測(cè)試效果良好。另外可以通過軟件編程加入反饋信號(hào)，使系統(tǒng)工作更加可靠穩(wěn)定。

圖8 數(shù)據(jù)顯示區(qū)

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