于婷婷，朱龍圖，李名偉，陳怡兵，，黃東巖，

（1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2. 吉林省土壤肥料總站，吉林 長(zhǎng)春 130033；3. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130025）

基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統(tǒng)

于婷婷1，朱龍圖1，李名偉1，陳怡兵1，2，黃東巖1，3*

（1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2. 吉林省土壤肥料總站，吉林 長(zhǎng)春 130033；3. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130025）

針對(duì)目前水稻遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)存在的硬件資源浪費(fèi)、系統(tǒng)響應(yīng)差等弊端，應(yīng)用了一種“服務(wù)器—用戶手機(jī)”直接通訊的方式，并設(shè)計(jì)了一套基于GPRS（General Packet Radio Service）和GSM（Global System for Mobile Communications）的水稻智能灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)終端的核心處理器，通過(guò)GPRS DTU無(wú)線通信模塊完成現(xiàn)場(chǎng)終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通訊，利用GSM短消息方式實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的信息交互，極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)終端的任務(wù)處理量，加快了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)能夠通過(guò)液位傳感器獲取田間水位信息，并根據(jù)水稻不同時(shí)期的需水量完成灌溉或排水操作。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)水稻灌溉監(jiān)控管理軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器軟件監(jiān)控和用戶手機(jī)監(jiān)控的雙重監(jiān)控功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，灌溉控制精度在93%以上，能夠達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、灌溉的目標(biāo)。

GPRS；GSM；智能灌溉；現(xiàn)場(chǎng)終端；遠(yuǎn)程服務(wù)器；用戶手機(jī)

于婷婷， 朱龍圖， 李名偉， 陳怡兵， 黃東巖. 基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統(tǒng)［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究， 2016， 37（5）: 988-994.

Yu T T， Zhu L T， Li M W， Chen Y B， Huang D Y. Intelligent irrigation system for rice based on GPRS and GSM［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 988-994.

中國(guó)是一個(gè)干旱的農(nóng)業(yè)大國(guó)，水資源嚴(yán)重短缺。水稻作為中國(guó)主要糧食之一，其產(chǎn)量對(duì)于維護(hù)人民安居樂(lè)業(yè)、社會(huì)安定和國(guó)家穩(wěn)定有著重要意義［1-2］。提高水稻產(chǎn)量和效益，建立智能化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化的水稻生產(chǎn)監(jiān)控灌溉系統(tǒng)已成為全球水稻生產(chǎn)發(fā)展的總趨勢(shì)［3-4］。

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)今我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式較傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式有了明顯提高［5］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已融入了多種現(xiàn)代化技術(shù)，各種傳感器被應(yīng)用于種植環(huán)境信息的采集，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)提供了可靠的參考數(shù)據(jù)；通信技術(shù)為傳遞監(jiān)控系統(tǒng)信息提供了有效途徑；計(jì)算機(jī)被作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心［6-7］。如李野等［8］設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的水稻自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到上位機(jī)的監(jiān)控終端，通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，并且對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能化自動(dòng)灌溉控制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的遠(yuǎn)程水稻灌溉監(jiān)控。高軍等［9］應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸技術(shù)和嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一套農(nóng)業(yè)灌溉遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)各地塊需水量進(jìn)行較為精準(zhǔn)的自動(dòng)灌溉控制，減少了水、電和人力資源的投入。

以上兩種系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的獨(dú)立監(jiān)測(cè)中心各有優(yōu)勢(shì)，但均存有弊端。將電腦作為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，具有體積大、重量大，不便于用戶隨身攜帶的弊端；同時(shí)，服務(wù)器必須保證連接Internet網(wǎng)絡(luò)才能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。使用手機(jī)作為監(jiān)測(cè)中心，雖然手機(jī)體積小便于攜帶，可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，或者利用手機(jī)自身流量保證網(wǎng)絡(luò)連接，不存電腦所存在的弊端，但由于手機(jī)體積小使得其硬件配置資源低，導(dǎo)致系統(tǒng)計(jì)算能力差，從而很難達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果。

目前，許多遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將服務(wù)器與用戶手機(jī)相結(jié)合，但其基本原理是以現(xiàn)場(chǎng)終端作為信息交流對(duì)象，即現(xiàn)場(chǎng)終端將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，同時(shí)又將相同的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給用戶手機(jī)。這種設(shè)計(jì)雖然解決了用戶不能隨時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題，但卻加重了現(xiàn)場(chǎng)終端的任務(wù)量，浪費(fèi)了極其珍貴的現(xiàn)場(chǎng)硬件資源，降低了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文融合傳感器技術(shù)、RS-485總線技術(shù)、GPRS無(wú)線通信技術(shù)和單片機(jī)測(cè)控技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用手機(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行直接通信，即用戶手機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)終端無(wú)直接聯(lián)系，系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器作為中間“橋梁”實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本設(shè)計(jì)有效回避了現(xiàn)場(chǎng)終端對(duì)同一數(shù)據(jù)信息需要分別向用戶手機(jī)和服務(wù)器發(fā)送的資源浪費(fèi)行為。同時(shí)，利用服務(wù)器處理手機(jī)接收的信息與發(fā)送的命令，用戶手機(jī)只作為一個(gè)信息輸出和命令輸入的接口工具，減輕了手機(jī)的工作量，加快系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)終端、遠(yuǎn)程服務(wù)器和用戶手機(jī)等部分組成（圖1）。其中，現(xiàn)場(chǎng)終端安裝在農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)，主要由太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、信息采集模塊、灌溉控制模塊、GPRS DTU模塊和核心處理器組成，用于采集農(nóng)田信息與實(shí)現(xiàn)灌溉控制；遠(yuǎn)程服務(wù)器主要用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)終端采集到的信息，并據(jù)此按照彭曼—蒙特斯（Penman-Monteith）公式計(jì)算當(dāng)前水稻需水量，進(jìn)而結(jié)合當(dāng)前田間液位進(jìn)行田間灌溉或排水操作［10］。圖中，現(xiàn)場(chǎng)終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，用戶手機(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)GSM短消息實(shí)現(xiàn)信息交互?？紤]到終端處于農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)，缺乏供電電網(wǎng)等問(wèn)題，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為整個(gè)終端提供電能。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1　System structure

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程服務(wù)器灌溉/排水控制模式分為3種，分別為自動(dòng)控制模式、手動(dòng)控制模式和短消息控制模式。在自動(dòng)控制模式下，若水稻供水不足，遠(yuǎn)程服務(wù)器將通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場(chǎng)終端發(fā)送灌溉控制命令；若田間水位偏高，則遠(yuǎn)程服務(wù)器將發(fā)送排水控制命令。遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送的控制命令，經(jīng)微處理器識(shí)別、處理后，微處理器將控制相應(yīng)電磁水閥的開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)灌溉或排水功能。在手動(dòng)控制模式下，用戶可以直接操作服務(wù)器軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)灌溉或排水操作；用戶也可以通過(guò)短消息控制模式利用手機(jī)發(fā)送短消息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的控制進(jìn)而達(dá)到灌溉或排水目的。

1.2GPRS通信原理

GPRS網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間數(shù)據(jù)交換的橋梁。在現(xiàn)場(chǎng)終端處，核心處理器通過(guò)讀取信息采集模塊內(nèi)各個(gè)傳感器所采集的土壤濕度、風(fēng)速、光照時(shí)數(shù)以及空氣溫度等信息數(shù)據(jù)并控制GPRS DTU模塊將傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GPRS分組數(shù)據(jù)，并將之發(fā)送到GSM基站，分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN（Serving GPRS support nod，服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）封裝處理后，將被傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)上，接著，GGSN（Gateway GPRS support node，網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）從GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取對(duì)應(yīng)的封裝數(shù)據(jù)且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理后，即可借助Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端（圖2）［11-13］。

圖2　GPRS通信原理圖Fig. 2　Process of GPRS communication

1.3GSM通信原理

GSM短消息通信是一種獨(dú)特的信息交互方式，其可通過(guò)相應(yīng)的服務(wù)中心在網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)間傳遞文字、圖形等可視信息［14-15］。本文利用GSM通信模塊以短消息的形式實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與用戶手機(jī)之間的通信（圖3）。

圖3　GSM通信原理Fig. 3　Process of GSM communication

其中，選取的GSM模塊為L(zhǎng)Q1001 GPRS DTU無(wú)線通信模塊，該模塊由靈旗通信公司生產(chǎn)，支持GPRS 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸或者短消息傳輸兩種通信模式，此處設(shè)計(jì)選用其短信傳輸方式。為實(shí)現(xiàn)通信電平匹配，采用U轉(zhuǎn)RS232串口數(shù)據(jù)線將無(wú)線通信模塊與服務(wù)器相連。

此外，由于模塊工作電壓范圍為8-30 V，且服務(wù)器所處機(jī)房中具有家用交流220 V電壓，故無(wú)需再另行購(gòu)置直流供電電源，設(shè)計(jì)中使用的是AC/DC電源適配器，該適配器能夠?qū)?20 V交流電壓轉(zhuǎn)換成12 V直流輸出電壓。

2　現(xiàn)場(chǎng)終端的設(shè)計(jì)

2.1現(xiàn)場(chǎng)終端硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用單片機(jī)STC12C5A60S2作為核心處理器，該單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1 T）的單片機(jī)，它具有低功耗、高速、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，是新一代8051單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的處理和執(zhí)行遠(yuǎn)程服務(wù)器的控制指令［16］。系統(tǒng)利用土壤濕度傳感器MS-10測(cè)量土壤濕度值，利用光照傳感器SM3560B測(cè)量日光照時(shí)數(shù)值，利用風(fēng)速傳感器YGC-FS測(cè)量日風(fēng)速值。上述傳感器都是基于RS-485接口的，可以直接連接到RS-485總線上。系統(tǒng)利用空氣溫度傳感器AM2305來(lái)測(cè)量空氣溫度，選用液位傳感器LLN測(cè)量田間液位值，其硬件電路見(jiàn)圖4。

LM7805芯片U1，電容C3和C4，電阻R1構(gòu)成一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路，可將12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓輸出，LM1117-3.3芯片可進(jìn)一步地將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V，以便為相應(yīng)傳感器件提供工作電壓。系統(tǒng)采用MAX232芯片U8來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的TTL電平與RS-232電平之間的相互轉(zhuǎn)換，其R1OUT和T1IN引腳分別與單片機(jī)的RxD（P3.0）和TxD（P3.1）引腳相連接，J5為9針DC-9連接器，用于連接GPRS DUT模塊。U5即為MAX485接口芯片，用于實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS-485電平之間的相互轉(zhuǎn)換，引腳RO、DI分別為MAX485芯片內(nèi)部接收器的輸出端和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，它們分別與STC12C5A60S2單片機(jī)的引腳RxD2（P1.2）和TxD2（P1.3）相連接。P1和R5，P2和R4分別構(gòu)成了空氣傳感器和液位傳感器的接口電路，這兩個(gè)傳感器都是通過(guò)單總線方式與單片機(jī)相連接的。P3、P4、P5為3個(gè)入水閥接口，P6、P7、P8為3個(gè)排水閥接口，其均通過(guò)繼電器、二極管、三極管和電阻等組成的控制電路與單片機(jī)的不同I/O相連。系統(tǒng)采用11.0592 MHz的晶振Y1和30 pF電容C1、C2作為單片機(jī)外接時(shí)鐘電路，為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖。此外，本設(shè)計(jì)利用太陽(yáng)能電池板為整個(gè)硬件系統(tǒng)提供12 V的直流輸入電壓。

2.2現(xiàn)場(chǎng)終端軟件設(shè)計(jì)

本文選用美國(guó)Keil Software公司出產(chǎn)的keil C51開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為現(xiàn)場(chǎng)終端軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)采用C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，可實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理和傳輸控制等操作。圖5為現(xiàn)場(chǎng)終端工作流程圖，圖中TimeFlag為傳感數(shù)據(jù)定時(shí)讀取標(biāo)志。

系統(tǒng)上電后，分別對(duì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，包括GPRS DTU模塊初始化、定時(shí)器T0的初始化和間隔采集時(shí)間的設(shè)置等，待GPRS DTU無(wú)線通信模塊網(wǎng)絡(luò)鏈接成功后，程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)終端接收器發(fā)來(lái)的灌溉或排水命令進(jìn)行識(shí)別。若接收的是灌溉命令，則自動(dòng)開(kāi)啟相對(duì)應(yīng)的入水閥，開(kāi)始灌溉操作，直至達(dá)到相應(yīng)水位值；若接收到的是排水命令，則自動(dòng)開(kāi)啟排水閥，直至達(dá)到相應(yīng)水位值。若現(xiàn)場(chǎng)終端沒(méi)有收到灌溉或排水命令，單片機(jī)將按照設(shè)定的采樣間隔讀取各個(gè)傳感器的測(cè)量值，并將之以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到服務(wù)器。

圖4　現(xiàn)場(chǎng)信息采集終端硬件電路圖Fig. 4　Diagram of information collection circuit

3　服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件利用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套水稻灌溉監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信控件Winsok實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，利用ADO技術(shù)完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)與存儲(chǔ)［17-18］。本研究所開(kāi)發(fā)的水稻灌溉監(jiān)控管理系統(tǒng)，包含系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、灌溉控制、數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能界面（圖6）。系統(tǒng)管理主要實(shí)現(xiàn)用戶信息的登錄和權(quán)限驗(yàn)證管理；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能界面用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示現(xiàn)場(chǎng)終端所采集的各類(lèi)信息，包括土壤溫濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、氣溫和液位等信息；灌溉控制主要用于實(shí)現(xiàn)水稻的遠(yuǎn)程智能灌溉功能，其包括手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和短消息控制模式；歷史數(shù)據(jù)查詢與分析界面具有從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取歷史數(shù)據(jù)以及對(duì)其進(jìn)行曲線分析等功能。

3.1數(shù)據(jù)通信協(xié)議

為有效傳輸和識(shí)別來(lái)自不同終端的指令信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)建立通信協(xié)議，并定義了通信規(guī)則。如表1所示為現(xiàn)場(chǎng)終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)包通信協(xié)議格式。表中，所有數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)符用“#”表示，起始字節(jié)為0；包序號(hào)用于標(biāo)識(shí)已發(fā)送信息的次序，占用10個(gè)字節(jié)，能標(biāo)識(shí)的信息條數(shù)達(dá)90億條以上；采集站名稱(chēng)表示終端所在的地點(diǎn)，占用8個(gè)字節(jié)；采集時(shí)間表示現(xiàn)場(chǎng)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包時(shí)的時(shí)間，占用14個(gè)字節(jié)，其格式為“YYYYMMDDHHMMSS”，如“20150526183028”表示2015年5月26日18時(shí)30分28秒；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括土壤濕度數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)、日照時(shí)數(shù)、氣溫?cái)?shù)據(jù)和液位數(shù)據(jù)，各占用4個(gè)字節(jié)；CRC表示數(shù)據(jù)包采用CRC校驗(yàn)方法，占用2個(gè)字節(jié)［19］。

為了實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)遙控服務(wù)器間接進(jìn)行農(nóng)田灌溉控制，本設(shè)計(jì)約定了相關(guān)的短消息控制協(xié)議，灌溉控制格式為：

“#123#GN1N2N3…NnL4.63MM”；

排水控制格式為：

“#123#PN1N2N3…NnL4.63MM”。

圖5　現(xiàn)場(chǎng)終端工作流程圖Fig. 5　Flow chart of field termination

圖6　水稻灌溉監(jiān)控管理系統(tǒng)Fig.6　Irrigation Control System

表1　數(shù)據(jù)包封裝格式Table 1　packet encapsulation format

該通信協(xié)議中兩個(gè)“#”號(hào)間的三個(gè)數(shù)字為驗(yàn)證密碼，只有密碼正確服務(wù)器在接收到該短信時(shí)才會(huì)識(shí)別該控制指令；字母G、P分別表示灌溉操作和排水操作；N1至Nn表示要控制的閥門(mén)；緊跟字母L后的數(shù)字表示需要保留的田間水位值；字母MM表示結(jié)束符。

3.2SQL數(shù)據(jù)庫(kù)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)由氣象數(shù)據(jù)、土壤濕度數(shù)據(jù)和液位數(shù)據(jù)3大類(lèi)型數(shù)據(jù)組成。其中，氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)速數(shù)據(jù)、日照時(shí)數(shù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)。利用ADO技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。ADO技術(shù)具有高效訪問(wèn)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)。圖7為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖。

圖7　SQL數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖Fig. 7　Structure of the database

SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中存有一系列數(shù)據(jù)表。為便于數(shù)據(jù)的查詢，將風(fēng)速數(shù)據(jù)、日照時(shí)數(shù)、氣溫?cái)?shù)據(jù)均存入氣象數(shù)據(jù)表中，將土壤濕度數(shù)據(jù)存入土壤濕度數(shù)據(jù)表中，將田間液位數(shù)據(jù)存入液位數(shù)據(jù)表中。其他信息包括土壤類(lèi)型和土壤參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)終端周邊環(huán)境等信息也都保存于相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。

3.3At指令

用戶手機(jī)與監(jiān)控中心之間采用SIM900A模塊中標(biāo)準(zhǔn)的AT指令（AT commands）完成通信功能。AT指令集多數(shù)以一個(gè)特定的“指令前綴”啟示，以回車(chē)〈CR〉“指令結(jié)束標(biāo)志”結(jié)束［20］。軟件設(shè)計(jì)中將指令A(yù)T+CMGF設(shè)置為短消息的格式。若AT+CMGF=0，則代表其為文本（TEXT）格式；若AT+CMGF=1，則代表其為協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）格式。本系統(tǒng)選用文本（TEXT）格式進(jìn)行短消息傳輸；利用指令A(yù)T+CMGS 發(fā)送短消息，例如AT+CMGS=“95580”表示向95580發(fā)送短消息；利用指令A(yù)T+GSMR對(duì)短消息進(jìn)行讀取操作；利用指令A(yù)T+CMGD對(duì)已接收的短消息進(jìn)行刪除操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的維護(hù)。

4　試驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)總體測(cè)試試驗(yàn)于2015年在吉林省松原市試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)面積1.5 hm2，平均每0.3 hm2安裝一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)終端。試驗(yàn)前，通過(guò)軟件設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)終端傳感數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間間隔為1 min。試驗(yàn)時(shí)，開(kāi)啟遠(yuǎn)程服務(wù)器，并等待各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信連接正常。為了測(cè)試用戶手機(jī)與服務(wù)器之間的通信質(zhì)量，采用手機(jī)發(fā)送了灌溉控制指令“#123#GN1N2N3L4.63MM”。服務(wù)器運(yùn)行結(jié)果如圖8所示，測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明服務(wù)器能夠有效地響應(yīng)用戶手機(jī)指令，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)遙控服務(wù)器進(jìn)行工作。遠(yuǎn)程服務(wù)器可分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的土壤濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、空氣溫度和液位信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將所有監(jiān)測(cè)結(jié)果取平均值（表2）。表中灌溉控制精度是通過(guò)將田間實(shí)際水量與計(jì)算出的需水量作商所得。

圖8　手機(jī)遙控服務(wù)器測(cè)試結(jié)果Fig. 8　Test results of mobile phone remote control server

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田間的土壤濕度、風(fēng)速、光照時(shí)數(shù)以及空氣溫度等信息，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉控制，且系統(tǒng)的灌溉控制精度能夠達(dá)到93%以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2　田間試驗(yàn)結(jié)果Table 2　The results of field experimental

5　結(jié)論

本文應(yīng)用“服務(wù)器—用戶手機(jī)”直接通訊的方式，設(shè)計(jì)了一套基于GPRS和GSM的水稻智能灌溉系統(tǒng)，極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)終端的任務(wù)處理量，加快了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，本文開(kāi)發(fā)了一套水稻灌溉監(jiān)控管理系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、灌溉控制、數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)查詢等多個(gè)功能界面。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)終端的傳感器信息，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和手機(jī)雙重灌溉控制需求。

試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)服務(wù)器能夠有效地響應(yīng)用戶手機(jī)指令并且能夠完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控任務(wù)；系統(tǒng)的灌溉控制精度在93%以上，能夠達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、灌溉的目標(biāo)。

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（責(zé)任編輯：童成立）

Intelligent irrigation system for rice based on GPRS and GSM

YU Ting-ting1， ZHU Long-tu1， LI Ming-wei1， CHEN Yi-bing1，2， HUANG Dong-yan1，3
（1. Institute of Information Technology， Jilin Agricultural University， Changchun， Jilin 130118， China； 2. Jilin Station of Soil and Fertilizer， Changchun， Jilin 130033， China； 3. Key Laboratory of Bionics Engineering， Ministry of Education，Jilin University， Changchun， Jilin 130025， China）

Since there are many drawbacks which are the grievous waste of hardware resources and poor responses and so on existing in rice remote irrigation system currently， an intelligent irrigation system for rice based on GPRS and GSM was developed using a direct communication of “Server-User’s phone”. The single chip microcomputer STC12C5A60S2 is used as the core controller of field terminal in this system， using GPRS DTU wireless communication module to communicate between the field terminal and the remote server， utilizing GSM to exchange the information between the user’s mobile phone and the remote server. The new system greatly reduces the capacity of terminal task processing and also improves the real-time performance of the system. Rice water level information could be obtained through level sensors， so irrigation or drainage operation could be done according to water requirements of rice during different periods. In the meantime， the double monitoring function of server software and user’s phone in the system has been carried out by designing the monitor and management software for rice irrigation. The experiment result showed that the system performances well and the control accuracy of irrigation is over 93%， which meets the requirements of remote monitoring and irrigation.

GPRS； GSM； intelligent irrigation； field termination； remote server； user’s phone

National Science and Technology Support Program of China （2011BAD20B09）； Changchun Science and Technology Project（12KG087）； Science and Technology Research Project of Education Department of Jilin Province （201449）.

HUANG Dong-yan， E-mail: cchdy19760829@jlau.edu.cn.

30 March， 2016；Accepted 29 May， 2016

S232.3

A

1000-0275（2016）05-0988-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0061

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD20B09）；長(zhǎng)春市科技計(jì)劃項(xiàng)目（14KG087）；吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究（201449）。

于婷婷（1991-），女，遼寧莊河人，碩士生，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究，E-mail: 1638610633@qq.com；通訊作者：黃東巖（1976-），男，吉林長(zhǎng)春人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化研究，E-mail: cchdy19760829@jlau.edu.cn。

2016-03-30，接受日期：2016-05-29