惠鵬飛，姚仲敏，陶佰睿，苗鳳娟

(齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

責(zé)任編輯:薛 京

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生的多起重大森林火災(zāi)，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重破壞，也嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，做好森林防火工作對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。傳統(tǒng)的森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)措施主要以探測(cè)火源和預(yù)防為主，采用地面巡防、航空巡防等方法，這些方法難以反映森林的溫度、濕度、空氣中二氧化碳含量等氣象因素動(dòng)態(tài)變化的情況，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)性較差，監(jiān)測(cè)效果并不十分理想，實(shí)際應(yīng)用情況受到限制［1－2］。

本文基于單片機(jī)和GPRS技術(shù)，設(shè)計(jì)了森林防火預(yù)警遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)ι指魑恢玫臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，通過(guò)對(duì)森林各項(xiàng)指標(biāo)的分析，了解森林各地點(diǎn)的信息情況，做到防患于未然，在第一時(shí)間消除隱患，減小人力、物力的浪費(fèi)以及經(jīng)濟(jì)損失。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在森林防火領(lǐng)域廣泛推廣，具有重要的理論參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

傳輸系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，數(shù)據(jù)采集端的系統(tǒng)硬件以單片機(jī)和GPRS模塊為核心。軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件以及數(shù)據(jù)庫(kù)。單片機(jī)通過(guò)使用AT命令控制GPRS模塊工作，將森林內(nèi)的信息數(shù)據(jù)傳輸出去，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程，對(duì)森林的各項(xiàng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

利用串口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與GPRS模塊的互聯(lián)，GPRS模塊采用SIMCON公司開(kāi)發(fā)的具有GSM/GPRS雙頻特性的SIM300模塊。GPRS無(wú)線通信已經(jīng)被模塊化，用戶只需要負(fù)責(zé)GPRS模塊與自己的處理器之間的通信，即可實(shí)現(xiàn)GPRS無(wú)線通信［3－4］。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要以 Borland C++Builder6.0界面編程軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用Socket套接接口組件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，利用ADO控件實(shí)現(xiàn)與SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接。在下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，主要包括系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)和AT指令的發(fā)送，采用Keil4編寫(xiě)單片機(jī)程序，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)發(fā)送AT指令，控制GPRS模塊工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 GPRS和單片機(jī)串口通信

SIM300模塊擁有天線連接器和天線焊點(diǎn)兩種RF天線接口，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)擴(kuò)展了TCP/IPAT指令［5］。SIM300模塊的雙串行通信接口，包括串口1和串口2，其中串口1的接口具有7根數(shù)據(jù)、狀態(tài)線，可以用作GPRS服務(wù)和發(fā)送控制模塊AT命令，同時(shí)可以使用多路復(fù)用功能，此功能不能和串口2同時(shí)使用，默認(rèn)比特率為115 200 bit/s［6］。串口2的接口只有TXT和RXD兩根數(shù)據(jù)線，沒(méi)有狀態(tài)和控制線，此外，串口2只能用來(lái)傳輸AT命令。

以MCU為控制端的無(wú)線通信模塊應(yīng)用開(kāi)發(fā)，通常是用單片機(jī)直接與模塊的串口連接，然后在MCU中編寫(xiě)程序來(lái)控制模塊，SIM300模塊的串口管腳工作電平是TTL電平，單片機(jī)的串口管腳的工作電平也是TTL電平，因此，SIM300模塊的串口線直接與單片機(jī)的串口線進(jìn)行連接。

1.3 電源電路

SIM300的供電采用LM2576芯片。LM2576芯片是一款高電流、高精度、低壓差穩(wěn)壓器，能提供降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，能驅(qū)動(dòng)3 A的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力，在固定輸出電壓和輸出負(fù)載條件下保證輸出電壓 +4%誤差［7］。SIM300 模塊的工作電壓是3.4 ～4.5 V，模塊在發(fā)送是電流約2 A，會(huì)因線路阻抗產(chǎn)生壓降使VBAT電壓不穩(wěn)，因此，對(duì)模塊的供電不大于2 A流量。電源電路圖如圖2所示。

圖2 電源電路圖

電源對(duì)模塊非常重要，一旦電源上產(chǎn)生擾動(dòng)、干擾，都可能造成模塊的死機(jī)，因此在電源管腳上應(yīng)放置電容，并行連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇BorlandC++Builder 6.0作為軟件界面設(shè)計(jì)的工具。系統(tǒng)主界面主要包括GSM、GPRS和查詢窗口3個(gè)部分，使用者通過(guò)點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入軟件管理。主菜單界面添加MainMenu組件，添加GSM、GPRS和查詢3個(gè)按鍵，當(dāng)?shù)卿涇浖缑婧?，打開(kāi)主菜單界面，點(diǎn)擊按鍵，可進(jìn)行信息查詢。

通過(guò)主菜單進(jìn)入到GPRS界面，當(dāng)程序執(zhí)行后將顯示網(wǎng)絡(luò)連接到的本地IP地址，以及程序中設(shè)置的PC端口等信息，同時(shí)當(dāng)點(diǎn)擊“IP_Get”按鈕后，將獲取到公網(wǎng)IP地址。GRPS界面主要包括公網(wǎng)地址IP、本地地址IP、對(duì)方IP、GPRS發(fā)送和GPRS接收等編輯顯示框。

查詢界面設(shè)計(jì)包括對(duì)對(duì)森林溫度、濕度、空氣中二氧化碳含量、風(fēng)速以及監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示。在ComboBox編輯框內(nèi)可以搜索Temperature，Humanity等信息，通過(guò)點(diǎn)擊Button組件的“搜索”按鍵，顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)變化情況，從而及時(shí)了解影響森林火災(zāi)發(fā)生的數(shù)據(jù)信息，查詢部分界面設(shè)計(jì)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息的查詢和顯示功能。調(diào)整組件布局后GPRS界面如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

圖3 GPRS界面(截圖)

選擇SQL Server 2000作為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)全面支持Web，可以利用Web分析、處理、查詢數(shù)據(jù)，因此，這種數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案是完全支持Web的。它具有的客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)體系結(jié)構(gòu)，采用了Transact－SQL語(yǔ)言在客戶機(jī)與服務(wù)器之間傳遞客戶機(jī)的請(qǐng)求與服務(wù)器的處理結(jié)果。數(shù)據(jù)庫(kù)表根據(jù)實(shí)體屬性定義各個(gè)字段名稱，設(shè)置主鍵可以避免表內(nèi)容的重復(fù)沖突，表中要根據(jù)列名來(lái)定義不同的數(shù)據(jù)類型，如溫度和相對(duì)濕度等可以定義為char型，二氧化碳含量和風(fēng)速定義為char型，并且可以設(shè)置不同的長(zhǎng)度來(lái)滿足需求。以下是根據(jù)需求設(shè)計(jì)的部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)表格。監(jiān)測(cè)信息表如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)信息表

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

Socket實(shí)際在計(jì)算機(jī)中提供了一個(gè)通信端口，能夠利用這個(gè)端口與其他任何擁有Socket接口的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上傳輸和接收的信息都是利用Socket接口實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程需要4個(gè)條件:1)通信協(xié)議相同;2)通信端口相同;3)遠(yuǎn)程IP地址和實(shí)際物理IP地址相同;4)當(dāng)傳輸端發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，上位機(jī)處于端監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。當(dāng)上位機(jī)端的服務(wù)開(kāi)啟以后，首先建立連接，監(jiān)聽(tīng)終端的Listen Port端口，Accept接受連接請(qǐng)求并發(fā)出確認(rèn)，三次握手完成，雙方即可實(shí)現(xiàn)通信，網(wǎng)絡(luò)通信程序框圖如圖4所示。

2.4 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖4 網(wǎng)絡(luò)通信流程框圖

單片機(jī)提供一系列AT命令來(lái)完成TCP/IP協(xié)議的功能，以簡(jiǎn)化應(yīng)用集成的流程。AT命令是一套用于調(diào)制解調(diào)器控制的命令，通常以“AT”開(kāi)頭。相關(guān)的命令可以建立或取消UDP和TCP協(xié)議，控制GPRS PDP Context(用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B接)的建立，傳送數(shù)據(jù)，檢查IP的狀態(tài)信息。

系統(tǒng)程序利用C51編寫(xiě)，運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要分為系統(tǒng)初始化、建立連接、數(shù)據(jù)傳輸以及斷開(kāi)連接模塊4部分。單片機(jī)初始化部分串口設(shè)置為工作方式1，即8位數(shù)據(jù)位和1位停止位;定時(shí)器選用定時(shí)器1的工作方式2，即8位自動(dòng)重裝定時(shí)器，波特率設(shè)為119 200 baud，所以定時(shí)器1初值分為T(mén)H1=0xFD，TL1=0xFD。初始化時(shí)先將串口終端關(guān)閉，在與上位機(jī)建立連接后打開(kāi)。

主函數(shù)對(duì)硬件設(shè)備的初始化，進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)部反復(fù)執(zhí)行鍵盤(pán)輪詢，串口事件處理和鍵盤(pán)事件處理。函數(shù)MsgEvent()為串口事件處理函數(shù)，按鍵按下之后會(huì)發(fā)送相應(yīng)的AT指令，控制GPRS模塊進(jìn)行工作。GPRS模塊接收到AT指令后會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)返回操作結(jié)構(gòu)，本函數(shù)就是根據(jù)GPRS返回的操作結(jié)果判斷模塊是否正常運(yùn)行，并顯示相應(yīng)的信息。

3 系統(tǒng)功能測(cè)試

3.1 GPRS模塊基本功能測(cè)試

在進(jìn)行硬件調(diào)試之前，應(yīng)該先對(duì)GPRS模塊進(jìn)行基本功能的測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，首先應(yīng)將SIM300模塊上插入SIM卡，將模塊的外圍擴(kuò)展電路板和天線連接好，打開(kāi)電源，此時(shí)顯示SIM300模塊的工作指示燈將亮起，將SIM300模塊的UART1口和計(jì)算機(jī)的串口通過(guò)串口電纜連接起來(lái)，選擇通信端口“COM1”，按“打開(kāi)串口”鍵，界面指示燈顯示為綠色，說(shuō)明串口連接成功，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，此時(shí)，輸入AT指令即可進(jìn)行SIM300模塊的基本功能調(diào)試。

在發(fā)送數(shù)據(jù)窗口發(fā)送AT，按下“發(fā)送數(shù)據(jù)”按鈕，在接收數(shù)據(jù)窗口返回OK，表明測(cè)試成功。發(fā)送AT+CMGF=0指令，短信模式設(shè)置，返回值OK;發(fā)送AT+CMGR=1，讀取SIM卡內(nèi)的第一條短信，按下“發(fā)送數(shù)據(jù)”按鍵，顯示接收數(shù)據(jù)，為Unicode碼，通過(guò)漢字Unicode碼轉(zhuǎn)換工具，即可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為漢字，讀取信息。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸和查詢測(cè)試

單片機(jī)通過(guò)發(fā)送AT指令控制SIM300模塊，對(duì)模塊接收?qǐng)?zhí)行指令后的返回值，并進(jìn)行相應(yīng)校驗(yàn)。單片機(jī)的串口實(shí)質(zhì)上是以位為單位進(jìn)行接收和發(fā)送的，利用協(xié)議預(yù)定義的起始位、校驗(yàn)位以及停止位來(lái)決定數(shù)據(jù)幀的封裝格式。

用單片機(jī)發(fā)送AT指令，在發(fā)送指令的過(guò)程中，AT指令的字符格式要通過(guò)ASCII編碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)之后，將指令存儲(chǔ)在ROM中，從而利用串口進(jìn)行接收和發(fā)送，AT指令是以字節(jié)的形式進(jìn)行發(fā)送的，按回車(chē)按鍵表示一條指令發(fā)送結(jié)束。當(dāng)模塊收到一條指令之后，GPRS模塊開(kāi)始執(zhí)行這條指令。此外，在單片機(jī)發(fā)送指令的過(guò)程中，字節(jié)之間可以出現(xiàn)間隔。當(dāng)模塊執(zhí)行完指令之后，模塊的返回值以“OD”、“OA”字符開(kāi)始和結(jié)束。

在測(cè)試過(guò)程中，將SIM卡放入到GPRS模塊中，通過(guò)單片機(jī)按鍵，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)發(fā)送AT指令，控制GPRS模塊，以短信的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)與GPRS模塊進(jìn)行串口通信如圖5所示。

圖5 單片機(jī)與GPRS模塊進(jìn)行串口通信(照片)

在SQL Server2000數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)可以對(duì)到森林溫度、濕度、空氣中二氧化碳含量、風(fēng)速等信息進(jìn)行查詢，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)可以顯示森林監(jiān)測(cè)信息的地點(diǎn)和監(jiān)測(cè)日期。系統(tǒng)程序啟動(dòng)，進(jìn)入系統(tǒng)主菜單界面后，點(diǎn)擊“查詢”按鍵，可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)所存儲(chǔ)的溫度、濕度、風(fēng)速、空氣中二氧化碳含量等信息進(jìn)行查詢，同時(shí)在界面中顯示出數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)所存數(shù)據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化曲線，以便更加具體、直觀地反映森林?jǐn)?shù)據(jù)信息的變化情況。

此外，數(shù)據(jù)曲線對(duì)比編輯框內(nèi)，為了清晰、方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息查詢，可同時(shí)對(duì)溫濕度、風(fēng)速等信息顯示，因此，如圖6所示分別使用不同的曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息顯示。其中，曲線④代表溫度變化情況，曲線②代表空氣中二氧化碳含量變化情況，曲線①代表濕度變化情況，曲線③代表風(fēng)速變化情況。

圖6 信息變化曲線圖(截圖)

3.3 下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程，采用短信的形式進(jìn)行發(fā)送，為了彌補(bǔ)這一缺陷，利用C++Builder軟件及軟件的Socket控件模擬下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，在單機(jī)模擬中，當(dāng)模擬界面與上位機(jī)傳輸連接成功后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在通信的過(guò)程中，在模擬界面內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)GPRS數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中。同樣，在GPRS界面中，上位機(jī)同樣可發(fā)送數(shù)據(jù)到模擬界面，實(shí)現(xiàn)雙方通信。數(shù)據(jù)發(fā)送實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)果顯示圖(截圖)

4 小結(jié)

本文針對(duì)傳統(tǒng)森林防火巡防方式信息化水平低且無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。設(shè)計(jì)了基于GPRS技術(shù)的森林防火遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用單片機(jī)和GPRS技術(shù)以及Microsoft SQL Server 2000與Borland C++Builder 6.0界面編程軟件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)和GPRS模塊進(jìn)行串口通信方式，通過(guò)單片機(jī)發(fā)送AT指令控制GPRS模塊，從而搭建系統(tǒng)的硬件框架，以短信的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中森林各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠在一定程度上預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生。該系統(tǒng)可在森林防火領(lǐng)域廣泛推廣，具有重要的理論參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

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