基于ＧＳＭ遠程溫室環境監控系統的設計和實現

摘 要：基于GSM遠程溫室環境監控系統充分利用GSM網絡，配用相關的傳感器，利用單片機進行多參數的數據采集和指令響應，在數據采集點與集中監測中心建立快捷的數據通信通道，把各數據采集終端的農業監測數據發送到監控中心，并進行相應的數據處理，決策結果可以利用短消息方式發送到用戶手機上。該系統實現了參數的自動采集與無線傳輸，降低了測量的工作量、節約成本、提高效率。重點介紹遠程溫室環境監控系統的實現方法和軟件設計，并且系統仿真運行穩定，達到了預期的設計目標。

關鍵詞：GSM；數據采集；監控；溫室環境；短消息

中圖分類號：TP39文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)22-151-04

Design Realization of Remote Monitoring System of Greenhouse Environment by Using GSM

WANG Yi，ZHOU Jie

(College of Electronic Information Engineering，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing，210044，China)

Abstract： The remote monitoring system of greenhouse environment based on GSM fully uses of GSM network with the relevant sensors，and uses single chip microcomputers to acquire data parameters and instruction responses.It establishes efficient data communication channel between data collection points and centralized monitoring center，senting agricultural monitoring data to the center by the data acquisition terminal and processing，the results can be used to send on the mobile phone by short messages.The system achieves automatic collection and wireless transmission of parameters，reduces the measurement workload，saves the cost and improves the efficiency.It focuses on implementation and software design of the remote monitoringsystem of greenhouse environment，and system simulation operates stably.The design is expected to achieve the goal.

Keywords：GSM;data acquisition;monitor;greenhouse environment;short messages

準確適時采集農作物周圍的環境，對農作物研究、合理資源利用和環境保護等都是非常必要的。目前國內的溫室環境的農業數據采集，主要有：第一，使用數據采集儀，人工進行田間測量和分析。它能立即得到實驗數據或分析結果，或將大量數據帶回到實驗室，傳輸到計算機進行詳細分析。但對于需要長時間定時采集的數據，如溫濕度、光照強度、作物生長特征等參數的變化規律等，則需要反復多次到田間測量、費時費力、測量成本高。第二，采用接入Internet或Intranet的方式實現遠程監控。這些方式已經應用在數據采集、視頻會議、遠程加工或遠程診斷等領域。但是接入Internet一般要按時間計費或租用專線，Intranet需要鋪設專用線纜，成本高。在數據量不大、需要長時間連接或所要監控的現場節點經常變化的情況下這兩種方法都不合適。

本文闡述一個基于GSM模塊無線傳輸的遠程溫室環境監控系統，配用相關的傳感器，利用單片機進行多參數的數據采集和指令響應，結合內置的無線通信模塊和GSM網絡，實現參數的自動采集與無線傳輸，降低了測量的工作量、節約成本、提高效率。本文重點給出遠程溫室環境監控系統的實現方法和軟件設計。

1 系統的結構組成及工作原理

1.1 系統組成

遠程溫室環境監控系統是利用單片機組成的數據監控系統。通過GSM網絡以短消息的形式完成遠程數據傳輸，即在傳統的單片機數據采集系統中增加支持語音、短消息、數據通信、傳真等業務的GSM引擎模塊，并為其分配一個獨立的SIM卡，通過串行通信接口RS 232，實現數據的遠程無線傳輸。監控終端可以是PC機，也可以是移動電話或移動終端。

系統的組成結構如圖1所示。

1.2 工作原理

1.2.1 集中監控中心

集中監控中心由一臺裝有主站監控軟件的PC機和通信裝置組成，通信裝置與PC機通過串口連接。主站讀取GSM設備接收到的短消息從而獲得遠端傳來的測量數據，而且可以發送控制指令并通過GSM設備轉換為短消息，被遠端控制設備接收（或報警時將短消息發送給遠端工作人員手機）。主站監控軟件可以管理整個系統的所有遠端設備。

1.2.2 數據采集終端

數據采集終端在每一監控點完成對模擬量的采集與開關量的檢測，并實現必要的控制功能。在被控對象的運行狀態改變時及時將此事件的性質及必要的數據以短消息的形式發送給監控中心，遠端數據采集設備還可以接收由監控中心發送的命令，根據命令修改參數或將當前狀態信息回送中心。

2 關鍵技術

2.1 MSComm控件

Visual Basic的串行通信對象MSComm是將RS 232的初級操作予以封裝，用戶以高級的Basic語法即可利用RS 232與外界通信。MSComm控件可以用來提供簡單的串行端口通信功能，也可以用來創建功能完備、事件驅動的高級通信工具。MSComm控件提供了一系列標準通信命令的使用界面。使用它可以建立與串行端口的連接，通過串行端口連接到其他通信設備（例如調制解調器），發出命令，交換數據，以及監視和響應串行連接中發生的事件和錯誤。

2.2 數據通信協議

由于在監控中心和數據采集終端之間進行的數據通信采取的主要方式為短消息（SMS），因此短消息中每個數據信息代表的具體意義，以及短消息中數據的排列規則都需要通信的雙方達成一致。因此通信雙方必須具有數據協議。由于受到單片機中存儲芯片的容量限制，因此短消息傳送的數據量要有一個具體的限定，同時為了便于定位有用的數據信息，短消息中數據信息以“％％”開頭，以單個“％”結尾。

（1） 由數據采集終端向監控中心發送狀態信息

格式：%%* ** ** ** ** ** **%

語義：從左到右依次是狀態碼、溫度、濕度、光照強度、CO₂濃度、水份、肥料、I/O狀態碼、校驗和，其中，*代表單字節，**代表雙字節。

狀態碼以及I/O狀態，即由遠端數據采集設備向監控中心發送的狀態信息中的第1個字節和第14個字節的意義，1個字節的二進制數據最多可以表示128個狀態，狀態碼的定義如圖2所示。其中每個參數值也有各自的含義：狀態碼代表遠端設備所處的狀態，監控中心完全根據狀態碼代表的意義來進行報警等一些操作。溫度、濕度、光照強度、CO₂濃度、水份、肥料這6個值包含在狀態信息中，參數值都設定為2個字節，第1個字節表示參數值的千位和百位的數據，第2個字節代表參數值的十位和個位的數據。I/O代表負責數據采集的端口所處狀態，即開關量，如圖3所示。1個字節的8位分別代表8個數據采集端口的狀態，如果某一位為“1”，則該端口處于打開狀態，反之則處于關閉狀態。檢驗和用來判斷傳送數據過程中是否出現錯誤，這里采取CheckSum方式。

（2） 由監控中心向數據采集終端發送命令

格式：%%* ** *%

語義：從左到右依次是命令字、參數、校驗和。

其中，命令字代表控制中心發往遠端數據采集設備的數據意義，定義如下：00 請求發送當前狀態數據；01 設定溫度標定值；02 設定濕度標定值；03 設定光照強度標定值；04 設定CO₂濃度標定值。參數就是主控中心給遠端設備設定的各個參數的值。

2.3 GSM AT指令

單片機和GSM引擎之間采用AT指令實現相互之間的通信，單片機發出的AT指令用來建立通信鏈路，AT指令集的命令格式幀都以AT開頭，“AT”或者“at”的前綴必須出現在每一個命令行的開始。該系統中使用的控制短信收發的AT指令如表1所示。

2.4 短信息業務及其數據格式

短信息業務SMS是GSM系統提供給用戶的一種數字業務。它與話音傳輸及傳真一樣，同為GSM數字蜂窩移動通信網絡提供的主要電信業務。SMS的收發占用的是GSM網絡的信令信道，不會占用普通話音信道，而且它是雙向通信，具有一定的交互能力；SMS具有較高的可靠性，短信息發送端的用戶可知道短信息是否已經到達接收端；由于通信領域領先技術的支撐，傳輸短數據信息的效率極高、速度快、運行成本低；SMS充分利用GSM網絡覆蓋廣的特點和全程全網的優勢，具有極佳的移動性，使得任何一個申請了短信息服務的GSM無線終端用戶在全網內獲得服務。

發送和接收短信息共有3種方法：Block Mode，PDU和Text Mode。Block Mode目前已很少使用。PDU Mode被所有手機支持，可以使用任何字符集，是手機默認的編碼方式。但其發送和接收短信息的實現方法比較復雜。Text Mode是純文本方式，即短信息是基于ASCII字符的。由于在這種方式下收發短信相對簡單，實現技術難度也相對小一些，且滿足本系統的設計要求，故采用這種方式實現短信的收發。

3 系統軟件的設計與實現

程序的主界面主要實現的功能是調用本系統的所有其他功能，包括參數設置、自動接收數據、請求數據以及數據的查詢與分析等。同時，在主界面打開時，要對與PC機相連的GSM模塊進行新消息指示方式的設置，即AT＋CNMI＝1，1，0，0，1，這樣做主要是為了避免在其他的功能上過多地與PC機相連的GSM模塊進行數據傳輸。

主界面如圖4所示。

程序要使用的菜單的層次結構、標題以及各個部分的功能。

系統參數設置 完成對系統中的參數進行設置的功能。其中包括狀態碼設定、I/O設定、溫度最大值設定、濕度最大值設定、光照強度最大值設定、CO₂濃度最大值設定6個子菜單，分別對應6個參數的設置。

數據檢測 用來執行數據的檢測和請求，包括自動接收和數據請求2個子菜單。

數據庫管理與查詢 執行數據庫的相關操作，包括數據庫的備份、恢復、數據的查詢以及數據信息的曲線視圖顯示。

幫助 關于本系統的一些說明。

其中，系統參數設置，對整個系統功能的實現十分重要。而這個參數，就是監控設備通過短消息的方式發送給遠端設備的。具有數據采集功能的設備，在處理采集到的數據時，會根據一些參數值做判斷。例如當采集到的CO₂濃度為400 ppm時，如果此時的標定值的參數為350 ppm，則遠端設備根據比較，得到現在的CO₂濃度超出正常范圍，于是自動將采集的數據以及判斷結果發送給監控設備，監控中心及時采取一些操作，例如通知負責人等來管理該遠端設備，使其恢復正常。設定窗口如圖5所示。

對于自動接收和數據請求這兩個功能，關鍵實現開關量的報警。它們的區別在于請求數據是選擇發送對象，主動地請求數據，而自動接收數據則是循環地檢測端口來被動地接收。部分程序如下。

…

If MDIForm1.Comm1.InBufferCount > 0 Then

intall = intall + 1

If intall = 1 Then

Call readno

End If

If intall = 2 Then

Call getdata

Call rectemp

End If

If intall = 4 Then

Call zhuanfa

End If

If intall = 5 Then

Call sendtxt

End If

If intall = 8 Then

If MDIForm1.Comm1.InBufferCount > 0 Then

Call rectemp

intall = 7

End If

End If

If intall = 9 Then

If ifalarm Then

MMControl1.filename = App.Path +\"\\\\alarm1.wav\"

MMControl1.Command = \"Open\"

MMControl1.Command = \"Play\"

Intall = 8

End If

End If

End If

…

4 結 語

GSM遠程溫室環境監控系統利用GSM無線通信技術全面實時動態地采集數據，并在數據采集點與集中監測中心建立快捷的數據通信通道，把各數據采集終端的農業監測數據發送到集中監測中心，并進行相應的數據處理，決策結果可以利用GSM短消息方式發送到用戶手機上。該系統仿真運行穩定，達到了預期的設計目標。

短消息業務具有永遠在線、不需撥號、價格便宜、覆蓋范圍廣等優勢，特別適用于傳送小數據量、地區偏遠、架設通信線路困難的地方。對于數據采集終端來說，一般放在無人值守地區，應用短消息業務來傳送數據最為合適，在農業溫室環境實時監測與無線傳輸中具有廣闊的應用前景。

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作者簡介 王 簃 男，1984年出生，碩士。研究方向為OFDM通信技術、WCDMA網絡等。

周 杰 男，1964年出生，博士，教授，博士生導師。研究方向為超寬帶無線通信技術、智能天線技術等。