王桂蘭，李 可，符少華

( 1.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100；3.海南省農(nóng)業(yè)機械研究所，?？?571100)

?

基于ARM的農(nóng)田用水信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

王桂蘭1，2，李 可1，2，符少華2，3

( 1.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100；3.海南省農(nóng)業(yè)機械研究所，?？?571100)

針對傳統(tǒng)農(nóng)田用水信息遠(yuǎn)程傳輸方式布線難、成本高、傳輸距離短等不足，設(shè)計了基于嵌入式微處理器的農(nóng)田用水信息采集、傳輸和監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以嵌入式微處理器為平臺，集成了數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS無線通訊模塊。在介紹Linux和AT指令的基礎(chǔ)上，詳細(xì)說明了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，提出了軟件設(shè)計方法，構(gòu)建了農(nóng)田用水信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成方案。試驗表明：該系統(tǒng)在穩(wěn)定性和實時性方面性能優(yōu)良，能滿足農(nóng)田用水信息遠(yuǎn)程監(jiān)控的日常工作需要。

農(nóng)田用水；嵌入式；GPRS；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

隨著數(shù)字電子技術(shù)的快速發(fā)展、水資源的日益緊張，農(nóng)田用水自動控制技術(shù)也在不斷進(jìn)步，而農(nóng)田用水信息遠(yuǎn)程監(jiān)控是實現(xiàn)農(nóng)田自動化管理的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基本采用有線傳輸，這種監(jiān)控方式的移動性較差，因物理布線的局限性，系統(tǒng)可擴展度低，并不適用于監(jiān)測點多且布局分散的大型農(nóng)田[2]。為解決上述問題，本文以國家科技支撐計劃項目：大型灌區(qū)節(jié)水技術(shù)及設(shè)備研究與示范”的課題為依托，率先將嵌入式技術(shù)和GPRS通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計一種傳輸可靠、擴展性好、安裝簡易、維護(hù)費用低的農(nóng)田用水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以期為農(nóng)田實現(xiàn)智能化精量管理提供了可供借鑒的技術(shù)研究樣板，推進(jìn)農(nóng)田節(jié)水灌溉控制技術(shù)的發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

微處理器的選擇是監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計的關(guān)鍵所在，農(nóng)田信息的采集、傳輸均由微處理器控制，所以選擇合適的微處理器尤為重要。S3C2440是Samsung公司推出的16/32位RISC微處理器，其豐富的內(nèi)部設(shè)備及低功耗和全靜態(tài)設(shè)計，可以有效地降低系統(tǒng)成本[3]，適合對成本和功率要求較高的應(yīng)用。本系統(tǒng)將嵌入式微處理器S3C2440作為控制核心，利用傳感器采集農(nóng)田用水信息，并通過GPRS無線通信模塊M20將采集到的信息發(fā)送給用戶手機和上位機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖

本監(jiān)控系統(tǒng)是采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)為平臺構(gòu)建的。Linux作為嵌入式開發(fā)中應(yīng)用最為廣泛的操作系統(tǒng)之一，其優(yōu)點如下：

1)Linux的內(nèi)核小、運行效率高。Linux體系結(jié)構(gòu)比較靈活，易于裁剪，可以充分適應(yīng)一些硬件資源不足的嵌入式設(shè)備的要求。

2)Linux具有實時處理能力。Linux具備了軟實時和硬實時處理能力，此外還有Timsys和Montavista等實時Linux實現(xiàn)[4]。

3)Liunx操作系統(tǒng)可定制性較高。由于可以自由修改源代碼，且外圍工具眾多，Linux具有比較高的可定制性。

4)Linux具有強大的技術(shù)支持。Linux是一種開源的操作系統(tǒng)，眾多的Linux開發(fā)人員提供了強大的技術(shù)支持[6]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

硬件電路的設(shè)計與開發(fā)，包括主控芯片S3C2440外圍電路和GPRS模塊M20硬件電路等。

2.1 主控芯片外圍電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用的ARM9處理器S3C2440作為主控芯片，該芯片適用于功耗低、性能高、價格低的手持設(shè)備和移動終端[3]，尤其適合農(nóng)田等無市政供電的野外偏遠(yuǎn)地區(qū)。

2.1.1 電源電路

農(nóng)田用水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)終端需要安置在野外監(jiān)控點，不具備交流供電條件，本設(shè)計采用蓄電池供電，供電電壓為12V。系統(tǒng)采用電壓轉(zhuǎn)化芯片LM7805將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，供終端器件使用。圖2為系統(tǒng)電源電路。

圖2 系統(tǒng)電源原理圖

2.1.2 復(fù)位電路

系統(tǒng)的微處理器采用的是S3C2440，具有速度快、功耗低等特點，但在供電電源的穩(wěn)定性方面有較高的要求。為防止微處理器受干擾而進(jìn)入死循環(huán)，本系統(tǒng)使用電源監(jiān)控芯片MAX708。這種具有電源監(jiān)控、數(shù)據(jù)保護(hù)和看門狗功能的集成電路芯片，能夠同時解決監(jiān)控系統(tǒng)終端程序運行穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性兩個方面的問題。其電路圖如圖3所示。

圖3 復(fù)位電路原理圖

2.2 GPRS模塊硬件設(shè)計

合理選擇無線通信模塊，不僅有利于縮短開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本，也有利于降低功耗，進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。QUECTEL公司生產(chǎn)的M20是一款GSM/GPRS四頻模塊，采用板到板(Board to Board)連接器，而且具有較小的尺寸，故在實際的工程項目中，M20具有較大的集成優(yōu)勢。GPRS模塊M20外觀圖如圖4所示。

圖4 GPRS模塊M20外觀圖

GPRS模塊M20尺寸較小，方便集成在小型終端中[3]，在Machine-to-Machine(M2M)應(yīng)用中使用廣泛。模塊原理圖如圖5所示。

GPRS模塊M20融合了低功耗技術(shù)，其供電電壓為3.4～4.5V，睡眠狀態(tài)下，M20模塊的電流功耗為1.1mA，這種優(yōu)良的低功耗性能，十分適用于野外無市政供電的應(yīng)用。其供電設(shè)計接線如圖6所示。

圖5 GPRS模塊原理圖

圖6 M20電源電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)用水信息的無線傳輸，是采用串口通過發(fā)送AT指令來控制GPRS模塊實現(xiàn)的。這種軟硬件相結(jié)合的方式，具有較高的通信速度，僅需要兩條串口通信線(TXD和RXD)和AT指令，便可完成數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)一步降低了硬件的設(shè)計難度。

3.1 AT指令

AT指令廣泛應(yīng)用于計算機應(yīng)用與移動終端之間的通信和連接，是從終端設(shè)備(Terminal Equipment，TE)或數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipment，DTE)向終端適配器(Terminal Adapter，TA)或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)發(fā)送的[3]；通過終端適配器(TA)、終端設(shè)備(TE)發(fā)送AT指令來實現(xiàn)對移動臺(Mobile Station，MS)的控制，完成與GPRS網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)之間的交互。本系統(tǒng)將利用AT指令實現(xiàn)短信的無線傳輸，常用的AT指令集如下：

1)AT+CMGF //短信格式。1為TEXT方式，0為PDU方式。

2)AT+CMGR //讀短信。信息從已設(shè)定的存儲器中讀取。

3)AT+CMGS //發(fā)出信息。

4)AT+CMGD //刪除短信息。

5)AT+CNMI //新信息確認(rèn)應(yīng)答。

3.2 GPRS模塊軟件設(shè)計

GPRS模塊軟件設(shè)計包括管理軟件和通訊軟件兩個部分：管理軟件完成了嵌入式微處理器S3C2440與GPRS模塊M20之間的串口通信，將AT指令發(fā)送至M20模塊；通訊軟件實現(xiàn)了上位機發(fā)來的AT指令序列，控制GPRS模塊發(fā)送農(nóng)田信息。

3.2.1 GPRS管理軟件

GPRS管理軟件是自編的基于串口進(jìn)行通訊的軟件，可以完成串口的設(shè)置、指令的發(fā)送，以及信息的接受、提取和保存[7]。微處理器S3C2440通過管理軟件發(fā)送AT指令序列給GPRS模塊，具體流程圖如圖7所示。

圖7 GPRS管理軟件流程圖

3.2.2 GPRS通訊軟件

GPRS模塊的無線通訊功能的實現(xiàn)是通過通訊軟件來完成的，包括初始化GPRS模塊；轉(zhuǎn)換信息為PDU，設(shè)置GPRS模塊發(fā)送短信方式為PDU方式，寫發(fā)送短信指令,寫PDU和目標(biāo)號碼至GPRS模塊。通訊軟件實現(xiàn)微處理器S3C2440發(fā)來的AT指令，控制GPRS模塊M20傳輸信息，軟件流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)測試和分析

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試與分析

本系統(tǒng)是通過GPRS無線傳輸模塊將采集到的信息發(fā)送到上位機和用戶手機，需要測試M20模塊發(fā)送信息的可靠性。測試結(jié)果及分析如表1所示，結(jié)果顯示系統(tǒng)無線傳輸功能具有較高的穩(wěn)定性。

4.2 系統(tǒng)實時性測試與分析

為了測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，選擇不同距離進(jìn)行系統(tǒng)實時性測試。系統(tǒng)的實時性測試及結(jié)果分析如表2所示，分析得知系統(tǒng)具有較高的實時性，能夠滿足用戶需求。

圖8 GPRS通訊軟件流程圖

測試頻率/次·d-1測試周期/d收到短信數(shù)量/條測試結(jié)果830240信息數(shù)據(jù)格式、內(nèi)容準(zhǔn)確。16060信息數(shù)據(jù)格式、內(nèi)容準(zhǔn)確。

表2 實時通信測試表

5 結(jié)論

本文是國家科技支撐計劃項目(2012BAD08B01)的研究成果，主要研究了嵌入式微處理器掛接數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS無線通訊模塊來完成農(nóng)田信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。其首先將電源電路12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，同時采用運行速度快、功耗低的復(fù)位電路的GPRS模塊M20硬件電路進(jìn)行了改進(jìn)；針對現(xiàn)有農(nóng)田用水信息的無線傳輸通信的速度較慢、軟件和硬件不能較好匹配及硬件設(shè)計的難度較大的缺陷，通過修正GPRS管理軟件和GPRS通訊軟件的程序流程方案，從而最終彌補了傳統(tǒng)農(nóng)田用水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)高投入、低擴展性、布線難、低智能化的缺點。試驗表明：該系統(tǒng)運行可靠，為農(nóng)田實現(xiàn)智能化精量管理提供了可供借鑒的技術(shù)研究樣板，對于推進(jìn)農(nóng)田節(jié)水灌溉控制技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

[1] 郭志偉,張云偉,李霜,等.基于GSM的農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009,40(3)：161-166.

[2] 郁曉慶,吳普特,韓文霆,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].排灌機械工程學(xué)報,2013,31(1):66-80.

[3] 符少華.基于ARM的灌區(qū)用水過程圖像采集與無線傳輸終端研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2012.

[4] 陳愈.嵌入式原理及應(yīng)用開發(fā)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[5] Perera B J C, James B, Kularathna M D U. Computer software tool REALM for sustainable water allocation and management. Journal of Environmental Management[J].2005,77(4): 291-300.

[6] 王軍超.基于Linux2.6內(nèi)核的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[D].天津：天津大學(xué),2006.

[7] 車艷雙,李民贊,鄭立華,等.基于GPS和PDA的移動智能農(nóng)田信息采集系統(tǒng)開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010(s2):109-114.Abstract ID:1003-188X(2017)05-0126-EA

Study of Remote Monitoring System Based on ARM in Farmland Water Information

Wang Guilan1，2， Li Ke1，2， Fu Shaohua2，3

(1.Chang jiang Engineering Vocational College, Wuhan 430212, China；2.Northwest A&F University,Yangling 712100, China；3.Hainan Research Institute for Agricultural Mechanization, Haikou 571100,China)

In view of the traditional agricultural water information remote transmission way of wiring difficult, high cost, short transmission distance, design based on embedded microcontroller processor of agricultural water information collection, transmission and monitoring system. System based on embedded microcontroller processor platform, integration of the data acquisition module and GPRS wireless communication module. On the basis of introduction to Linux and the AT command, details the system overall structure, realizes the hardware system design and development, analyzes the software realization method, build information remote monitoring system of farmland water solution. Experiment shows that this system has high stability and real-time performance, can satisfy the actual need of agricultural water information remote monitoring.

farmland water; embedded; GPRS; remote monitoring system

2016-04-15

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD08B01)；“十二五”國家“863計劃”項目(2011AA100509)

王桂蘭(1972-)，女，湖北天門人，副教授。

李 可(1982-)，男，鄭州人，高級工程師，博士研究生，(E-mail)like821028@163.com。

S126;TP335

A

1003-188X(2017)05-0126-04