唐 宇，駱少明，黃偉鋒，張培鋒，王克強(qiáng)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510225)

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基于GPRS的荔枝園防盜遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

唐 宇，駱少明，黃偉鋒，張培鋒，王克強(qiáng)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510225)

針對(duì)種植規(guī)模大的荔枝園勞動(dòng)力短缺以致安保管理困難的問題，提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的防盜遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、GPRS通信模塊、傳感器模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心6部分組成，借助GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，實(shí)時(shí)地將荔枝園現(xiàn)場(chǎng)的防盜信息發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況的報(bào)警。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)的平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為29.91s，6種傳感器相鄰安裝模式中能正常報(bào)警的模式有兩種。一種模式是傳感器間距為3cm且夾角為30°，人到傳感器距離為40cm；另一種模式是傳感器間距為6cm且夾角為30°，人到傳感器距離為70cm。該系統(tǒng)安全性高，使用靈活，相比傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；AT89S52；防盜；GPRS；荔枝園

0 引言

近年來(lái)，隨著農(nóng)機(jī)電子產(chǎn)品自動(dòng)化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)電子設(shè)備的需求領(lǐng)域逐漸變寬，越來(lái)越多的人們選擇大面積的果園進(jìn)行水果種植[1-2]，我國(guó)嶺南地區(qū)的荔枝園產(chǎn)業(yè)規(guī)?；黠@。由于荔枝種植業(yè)具有地域分散[3]、對(duì)象多樣和環(huán)境因子不確定等特點(diǎn)，園內(nèi)盜竊案經(jīng)常發(fā)生[4-6]。傳統(tǒng)的防盜報(bào)警產(chǎn)品多采用四周布線方式，應(yīng)用斷線報(bào)警原理，達(dá)到防盜目的，其布線工作量大且容易暴露，斷線成本迅速提高。因此，設(shè)計(jì)一種安裝拆卸方便、體積小和性價(jià)比高且具有一定實(shí)用價(jià)值的無(wú)線防盜報(bào)警系統(tǒng)將對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通訊體制中比較成熟、完善、應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)[7]。它采用蜂窩式小區(qū)結(jié)構(gòu)，在用戶密集的地區(qū)采用小區(qū)制，提高了頻率利用率，容量也不存在問題[8-9]，主要提供語(yǔ)音、短信息及數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)?；贕PRS的數(shù)據(jù)傳輸功能可做成各種檢測(cè)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)和控制命令的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，能廣泛用于遠(yuǎn)程監(jiān)控[10]、定位導(dǎo)航及個(gè)人通信終端等。

本文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的荔枝園防盜遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括信號(hào)采集處理、GPRS無(wú)線發(fā)送接收及報(bào)警顯示部分。紅外熱釋電傳感器采集人體紅外信號(hào)后，輸入給處理器，通過GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行無(wú)線信息傳輸和報(bào)警，把報(bào)警地點(diǎn)的具體位置發(fā)送到荔枝園安保人員的手機(jī)屏幕上，使安保人員實(shí)時(shí)監(jiān)控果園狀態(tài)，從而解決荔枝園的防盜問題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)由處理器模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、GPRS模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心等6部分組成，如圖1所示。處理器模塊以AT89S52單片機(jī)為核心，通過異步串行口(UART)與GPRS模塊連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信；通過普通I/O口控制其它模塊的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部軟硬件功能。

荔枝園現(xiàn)場(chǎng)的盜情信息被傳感器實(shí)時(shí)采集后，通過GPRS 分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠(yuǎn)端的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)。SGSN(Serving GPRS Support Node，GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)) 和GGSN(Gateway GPRS Support Node，網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn))利用GPRS隧道協(xié)議(GTP) 對(duì)IP分組進(jìn)行封裝，并以端到端方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

1.1 單片機(jī)與GPRS模塊的接口設(shè)計(jì)

AT89S52單片機(jī)以RXD、TXD和GND三線形式的異步串行口與Motorola公司的GPRS模塊G20進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向全雙工通信[11-12]，發(fā)送指令，使G20模塊完成聯(lián)網(wǎng)掛接、注冊(cè)登錄和短消息收發(fā)等相應(yīng)操作，同時(shí)監(jiān)聽接口，接收來(lái)自G20的回傳數(shù)據(jù)。由于AT89S52與G20模塊分別采用DC+5V和DC+3.3V供電，兩者的I/O電平不一致，不能直接與電氣連接，需通過電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。電路的核心是EL817C高速光耦，實(shí)現(xiàn)兩端電氣隔離與信息耦合傳輸。AT89S52的TXD口電流輸出能力較弱，需經(jīng)過7404同相驅(qū)動(dòng)器才能正常點(diǎn)亮光耦中的發(fā)光二極管。G20開發(fā)板具有通信接口電平切換、通信接口選擇、來(lái)電顯示和信號(hào)顯示等功能，其TXD口通過一個(gè)8050NPN型三極管實(shí)現(xiàn)邏輯反相和驅(qū)動(dòng)電流增強(qiáng)。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

圖2 單片機(jī)與GPRS模塊接口

1.2 單片機(jī)與人體感應(yīng)模塊的接口設(shè)計(jì)

AT89S52通過普通I/O口P1.0接收人體感應(yīng)模塊HC-SR501的感測(cè)信息，其接口如圖3所示。HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國(guó)原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)感應(yīng)、光敏控制、溫度補(bǔ)償和雙模式觸發(fā)等功能，具有工作電壓范圍寬、功耗低和輸出電平通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖3 單片機(jī)與人體感應(yīng)模塊接口

1.3 單片機(jī)與顯示模塊的接口設(shè)計(jì)

LCD1602顯示屏是顯示模塊的核心，可顯示阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)和日文假名等信息，系統(tǒng)采用該模塊的“2行16個(gè)字”的模式顯示相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，顯示模塊與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。

圖4 單片機(jī)與顯示模塊接口

1.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的報(bào)警電路核心為直流蜂鳴器，采用直流電壓驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過執(zhí)行相關(guān)程序使單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警，具體電路如圖5所示。

圖5 報(bào)警電路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

荔枝園防盜遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)的果園端軟件采用C語(yǔ)言編寫，分為單片機(jī)主程序和子程序兩大部分。主程序主要完成系統(tǒng)中各功能單元的初始化工作，并不斷循環(huán)檢測(cè)人體感應(yīng)模塊輸出的檢測(cè)信息，一旦發(fā)現(xiàn)異常便啟動(dòng)報(bào)警并發(fā)送警示短信，如圖6所示；子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)子功能，主要包括傳感器信息采集程序、液晶顯示程序和報(bào)警模塊程序等。

圖6 主程序流程圖

2.1 傳感器信息采集子程序

系統(tǒng)中的傳感器為HC-SR501和DS18B20兩種，HC-SR501的輸出信號(hào)只有高、低電平兩種狀態(tài)，信息讀取較為簡(jiǎn)單；DS18B20采用串行總線的硬件結(jié)構(gòu)和軟件協(xié)議，需按步驟進(jìn)行初始化和讀、寫操作。DS18B20 的操作中，延時(shí)分兩種：短時(shí)間延時(shí)和較長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)。單片機(jī)系統(tǒng)所用的晶振頻率為12 MHz，根據(jù)DS18B20的初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序，分別編寫3個(gè)子程序：初始化子程序、寫命令或數(shù)據(jù)子程序和讀數(shù)據(jù)子程序，所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始。單片機(jī)讀取溫度信息控制程序流程如圖7所示。

圖7 溫度采集子程序流程圖

2.2 顯示子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采用的顯示器件LCD1602液晶內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器(CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，單片機(jī)發(fā)出指令通過字符尋址的方法將要顯示的字符點(diǎn)陣分布信息讀出并顯示出來(lái)，其程序流程如圖8所示。

圖8 顯示子程序流程圖

2.3 報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的報(bào)警功能以發(fā)送GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息[17]和奏響本地蜂鳴器兩種方式實(shí)現(xiàn)。第一種方式中，通過單片機(jī)向G20發(fā)送以ASCII字符代碼組成的標(biāo)準(zhǔn)格式的AT指令實(shí)現(xiàn)，步驟如下(使用UDP協(xié)議)：

1)“at+mipcall=1,cmnet” 建立一個(gè)GPRS無(wú)線鏈接。

2)發(fā)送指令“at+mipopen=1,2000,”219.222.

73.240”,6800,1”打開一個(gè)端口(Socket)。

3)發(fā)送指令“at+mipsend=,”將要發(fā)送的數(shù)據(jù)壓入G20的發(fā)送堆棧。這里的是前面已經(jīng)打開的端口序號(hào)，設(shè)定為1；是所要發(fā)送的數(shù)據(jù)，設(shè)定為報(bào)警信息字符串“Theft alarm！”的ASCII碼。

4)發(fā)送指令“at+mippush=1”使G20將既定數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。

5)發(fā)送指令“at+mipclose=1”，關(guān)閉端口。

6)發(fā)送指令“at+mipcall=0”，關(guān)閉GPRS網(wǎng)絡(luò)連接。

報(bào)警子程序流程如圖9所示。

圖9 報(bào)警子程序流程圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

將調(diào)試好的系統(tǒng)程序固化到AT89S52的EEPROM后通電，等待所有模塊初始化完畢后，進(jìn)行全系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試。人為多次觸發(fā)感應(yīng)模塊，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)均能及時(shí)響應(yīng)并做出警示：發(fā)送短消息和奏響蜂鳴器。通過在不同時(shí)段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行15次發(fā)送報(bào)警的發(fā)送時(shí)間與接收時(shí)間間隔記錄，其結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明：發(fā)送接收時(shí)間間隔最大值為32.2s，最小值為28.5s，平均發(fā)送接收時(shí)間間隔29.19s。

表1 傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)

位于廣州市從化區(qū)街口鎮(zhèn)的從化華隆果菜保鮮有限公司的荔枝園出入口現(xiàn)場(chǎng)的人體感應(yīng)模塊探頭為陣列式分布(見圖10)，相鄰的兩個(gè)探頭之間的距離、夾角和人到傳感器之間的距離對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有影響，通過試驗(yàn)找出安裝參數(shù)的適當(dāng)組合，如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)相鄰兩個(gè)探頭靠的太近時(shí)，無(wú)法正常報(bào)警。6種傳感器相鄰安裝模式中能正常報(bào)警的模式有兩種：一種模式是傳感器間距為3cm且夾角為30°，人到傳感器距離為40cm；另一種模式是傳感器間距為6cm且夾角為30°，人到傳感器距離為70cm。

圖10 人體感應(yīng)傳感器安裝示意圖

傳感器間距/cm夾角/(°)人到傳感器的距離/cm測(cè)試結(jié)果31540報(bào)警不正常33040報(bào)警正常34540報(bào)警不正常61550報(bào)警不正常63070報(bào)警正常64590報(bào)警不正常

4 結(jié)論

基于GPRS的荔枝園防盜遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)有線傳輸方式布線的限制和無(wú)線電電臺(tái)數(shù)傳方式的局限性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)荔枝園現(xiàn)場(chǎng)安保環(huán)境的監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型合理，軟硬件設(shè)計(jì)可行，具有靈活的擴(kuò)充性和伸縮性，能較好地滿足荔枝園及其它果園遠(yuǎn)程監(jiān)視報(bào)警的需要。系統(tǒng)安裝方便，易于擴(kuò)展，成本較低，不僅能應(yīng)用在果園防盜領(lǐng)域，還可以推廣到樓宇、倉(cāng)庫(kù)和貨港等場(chǎng)合，應(yīng)用前景廣闊。

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A Remote Alarm System Against Theft for Litchi Orchard Based on GPRS

Tang Yu， Luo Shaoming， Huang Weifeng， Zhang Peifeng， Wang Keqiang

(College of Automation, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Aiming at the security management difficulties in large-scale litchi orchards with labors shortage, a remote anti-theft alarm system based GPRS was proposed in this paper. The system was composed of single chip microcomputer module，GPRS communication module，sensor module，display module and alarm module. The human body infrared induction probe was adopted to monitor orchard information in real time.The GPRS communication module was used to send abnormal location information to the users’ mobile phones. Results showed that average data transmission time was 29.19s.Two modes could normally alarm in adjacent installation mode of six sensors. One mode was that the sensor spacing was 3cm with 30°sensor angle and 40cm-distance between the people to the sensor. Another mode was that the sensor spacing was 6cm with 30° sensor angle and 70cm-distance between the people to the sensor. This system was safe and agile，and it has more advantages over traditional monitoring systems.

remote monitoring; AT89S52; guard against theft; GPRS; litchi orchard

2016-08-26

國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2015GA780054)；廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(xiàng)(2015A020209175，2015A020209179，2016 B020202008)；廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺(tái)環(huán)境建設(shè)專項(xiàng)(2016 A040402044)

唐 宇(1982-),男，江西萍鄉(xiāng)人，副教授，博士后，青年珠江學(xué)者，(E-mail) tangyu_mycauc@163.com。

S126

A

1003-188X(2017)07-0098-05