黃文晉 侯時(shí)迪 趙聰 李坤 胡安正

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北襄陽 441053）

物理·技術(shù)·應(yīng)用

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉智能控制系統(tǒng)*

黃文晉 侯時(shí)迪 趙聰 李坤 胡安正

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北襄陽 441053）

針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)田水位遠(yuǎn)程控制水平低下和水位信息遠(yuǎn)程傳輸方式中布線難、傳輸距離有限、入網(wǎng)許可限制等不足，本文基于GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、超聲波傳感器技術(shù)和先進(jìn)的STC89LE52單片機(jī)等技術(shù)，設(shè)計(jì)出農(nóng)田水位信息采集及信息遠(yuǎn)程無線傳輸和農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)裝置．該系統(tǒng)成本低廉、操作簡單、性能穩(wěn)定可靠，具有一定的市場推廣價(jià)值．

農(nóng)田灌溉 智能控制 GSM 單片機(jī) 超聲波測距

目前，國內(nèi)市面上的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)僅適用于平原大面積，且系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)多，信息量多，操作復(fù)雜，成本較高，一般農(nóng)戶難以承擔(dān)．農(nóng)田信息具有距離遠(yuǎn)、分布散、難管理等特點(diǎn)，為實(shí)時(shí)檢測及快速反饋農(nóng)田環(huán)境信息，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程檢測及控制系統(tǒng)．從國內(nèi)外田間信息采集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和方向來看，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸兩種．無線傳輸方式遠(yuǎn)程監(jiān)控主要采用電臺(tái)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，但由于經(jīng)濟(jì)原因和技術(shù)缺陷都不能廣泛應(yīng)用，而對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)增加無線通信功能是一個(gè)新的切入點(diǎn)．

本文提出一種新型的基于GSM網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉智能控制系統(tǒng)［1，2］，它利用移動(dòng)無線通信網(wǎng)絡(luò)［3］，讓農(nóng)戶實(shí)時(shí)掌握農(nóng)田水位情況．

1 農(nóng)田灌溉智能控制系統(tǒng)

農(nóng)田灌溉智能控制系統(tǒng)主要包括US- 020超聲波測距模塊［4］、水位顯示裝置、報(bào)警裝置、RF1101SE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、GSM主控中心［5］、水位控制裝置等．RF1101SE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將US- 020超聲波測距模塊測量的水位信息無線傳輸給GSM主控中心，同時(shí)水位顯示裝置將實(shí)時(shí)顯示水位信息，報(bào)警裝置根據(jù)實(shí)時(shí)水位作出相應(yīng)響應(yīng)；GSM主控中心根據(jù)實(shí)時(shí)測量的水位信息控制抽水設(shè)備，同時(shí)通過GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［3］將水位信息發(fā)送給農(nóng)場主手機(jī)或其他管理中心，農(nóng)場主也可根據(jù)接收到的水位信息發(fā)送指令到GSM控制中心，GSM控制中心根據(jù)指令作出相應(yīng)響應(yīng)，開啟或者關(guān)閉抽水設(shè)備．

1．1 模型總體外觀圖

在模型圖中（圖1），左邊的為蓄水池模型，中間的為農(nóng)田模型，右邊的是中央控制系統(tǒng)模型．無線模塊將超聲波實(shí)時(shí)檢測的農(nóng)田水位信息傳輸給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息分析，并發(fā)送指令控制抽水設(shè)備完成農(nóng)田水位的智能控制．

圖1 模型總體外觀圖

2 基于GSM網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉智能控制系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)［4］控制超聲波測距模塊實(shí)時(shí)測量農(nóng)田水位情況［2］，超聲波測距模塊將測得的水位信息通過RF1101SE無線模塊傳送至GSM控制中心［5］，主控MCU對(duì)水位信息分析判斷后，開啟或者關(guān)閉抽水設(shè)備；同時(shí)，主控MCU通過串口通信方式控制GSM模塊MC35［3］將水位信息發(fā)送至農(nóng)場主的手機(jī)或其他管理中心．農(nóng)場主也可通過手機(jī)發(fā)送短信至GSM控制中心，主控MCU將接收到的水位信息進(jìn)行分析判斷后，將控制命令發(fā)送給遠(yuǎn)端進(jìn)行相應(yīng)的控制，間接控制抽水設(shè)備，從而達(dá)到水位信息遠(yuǎn)程檢測和智能灌溉［2］的目的．系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示．

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1US- 020超聲波測距模塊

US- 020超聲波測距［6］模塊可實(shí)現(xiàn)2 cm～7 m的非接觸測距功能，供電電壓為5 V，靜態(tài)功耗低于3 m A，支持GPIO通信模式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠．在US- 020模塊的Trig端口輸入一個(gè)10 μs以上的高電平，可觸發(fā)模塊測距；當(dāng)測距結(jié)束時(shí)，US- 020模塊的Echo端口會(huì)輸出一個(gè)高電平，電平寬度為超聲波往返時(shí)間之和，即得出所測距離為（高電平時(shí)間t*340 m/s）/2．模塊測距的時(shí)序如圖3所示．

圖3S- 020測距時(shí)序圖

3．2 GSM模塊與單片機(jī)通信設(shè)計(jì)

TC35i新版西門子工業(yè)GSM模塊［3］是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源的范圍為直流3．3～4．8 V，電流消耗——休眠狀態(tài)為3．5 m A，空閑狀態(tài)為25 m A，發(fā)射狀態(tài)為300 m A（平均），峰值2．5 A；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào)，功耗在EGSM900（4類）和GSM1800（1類）分別為2 W和1 W，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線．SIM電壓為3 V/1．8 V，TC35i的數(shù)據(jù)接口（CM OS電平）通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300 b/s～115 kb/s，自動(dòng)波特率為1．2 kb/s～115 kb/s．它支持Text和PDU格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通過AT命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)．

3．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了確定系統(tǒng)能正常發(fā)送短信且縮短GSM模塊發(fā)送水位信息短信時(shí)間，主程序設(shè)計(jì)為讓GSM模塊先發(fā)送短信至用戶手機(jī)．本系統(tǒng)主控MCU STC89LE52通過串口通信方式控制GSM模塊向遠(yuǎn)程終端發(fā)送數(shù)據(jù)，利用外部中斷來接收數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院蛯?shí)時(shí)性．每接收一位數(shù)據(jù)，中斷都會(huì)響應(yīng)一次，接收8位為一個(gè)有效數(shù)據(jù)，接收8個(gè)數(shù)據(jù)為一個(gè)數(shù)據(jù)幀．程序流程圖如圖4．

圖4 程序流程圖

4 結(jié)論

本文給出了利用GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息服務(wù)及US- 020超聲波測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉智能控制的一種新的實(shí)現(xiàn)方法．所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)基于發(fā)展成熟的GSM網(wǎng)絡(luò)，無需其他網(wǎng)絡(luò)支持，成本低、覆蓋面廣且穩(wěn)定、易維護(hù)，所以具有很好的應(yīng)用前景．

1 龐樹杰，楊青，李莉．基于GPS和GSM短消息的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)．農(nóng)機(jī)化研究，2004（1）：1～3

2 潘崢嶸，徐猛．基于GSM短消息的水渠水位自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)．計(jì)算機(jī)工程，2007，33（7）：234～236

3 西門子TC3X- AT指令集［EB/OL］．2012- 05- 14

4 村田充弘，湯川克巳，郭秀芬．超聲波傳感器．壓電與聲光，1986（03）

5 劉之光，王星．一種GSM接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．硅谷，2011（12）

6 張海英．基于單片機(jī)超聲波測距儀的設(shè)計(jì)．科技信息，（）

*國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“風(fēng)速風(fēng)向智能檢測、無線通訊和管理系統(tǒng)”，項(xiàng)目編號(hào)：201410519019；“基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能農(nóng)業(yè)綜合管理平臺(tái)模型研發(fā)”，項(xiàng)目編號(hào)：201410519005和“基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)”資助．

黃文晉（1993- ），男，在讀本科生，主要從事無線通信與自動(dòng)控制．

指導(dǎo)教師：胡安正（1965- ），男，博士，教授，主要從事電子技術(shù)研究．

2014- 05- 17）