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标题 基于GPRS技术在线环境监测系统的研究
范文 任肖丽+陈佳喜+王骥


摘 要： 在果园的规划和管理中，环境监测系统起着关键性作用。只有了解环境因素才能更好地应对环境变化对产量的影响。随着技术的发展，在果园中建立无线环境监测系统变得越来越重要，可以节省人力和时间。在此设计了一种模拟果园环境的无线监测系统，在数据采集和分析方面的研究具有独创性，以STC89C52为主芯片，采用GPRS技术，即基于模拟果园环境采集温度和光强，由GPRS网络传输监测终端数据，实现了对监测终端数据的采集和分析，并通过GPRS网络传输，在上位机实时显示监测环境温度和光强。通过对电路和代码进行修改，整个系统具有很好的稳定性。
关键词： 环境监测； GPRS； LabVIEW； 果园管理
中图分类号： TN919?34； TP393.1；TP873 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）04?0060?03
中国拥有大面积的果树种植地，水果产量居世界第一。在南方种植地多为山区和丘陵地带，台风和降雨量的环境变化都会影响果园的产量。因此，只有了解环境因素才能更好地应对环境变化对产量的影响。随着技术的发展，在果园中建立无线环境监测系统变得越来越重要[1?3]，可以节省人力和时间。
目前，我国的环境监测系统的数量还很少，大部分果园还是以传统的方法来进行环境数据的采集[4]。在各个领域的果园监测中，数据的采集大多是通过传感器，采集的精度可以根据选取的传感器而定。环境监测中选择通信技术是工作中的重要内容[5]。在现代通信技术中，由GSM网络发展而来的GPRS技术也成为我国主流的无线网络通信技术。由于GPRS技术有实时在线和费用低廉的特点，所以在很多领域都用GPRS网络作为通信网络。由于GPRS网络覆盖范围广，GPRS网络作为常用的通信方式，很多机构都在利用GPRS做系统研究[6?8]。
1 系统总体功能
本系统通过监测模拟果园环境实现，监测终端采集数据后通过通信模块发送到GPRS网络，数据从GPRS网络到Internet网络后由服务器端接收数据，接收到的数据再由LabVIEW编写的上位机分析和处理，并根据相关要求显示出来。其中监测终端分为GPRS通信模块、数据处理模块、数据采集模块。数据采集模块主要是传感器，测量参数决定了传感器的选择。数据处理模块即控制芯片，把传感器采集的数据分析和处理之后通过通信模块发送。通信模块的作用是把数据发送到GPRS的网络中。
2 系统硬件设计
监测终端电路总体框图如图1所示。通过总体设计方案和如下所述模块选型，可在Altium Designer 10环境下画出系统电路图。
2.1 电源电路模块
果园环境监测是无人化的监测端，前期电路研究中使用计算机USB供电和移动电源供电的方式。实际情况下，用市电220 V作为供电电源更为合理。主要供给两个电路：数据采集端和数据处理端、SIM900A的通信模块。数据采集端和数据处理端由7805供电。在变压器输出端接了2W10的整流桥转换成脉动的直流电，后经过一个4 700 μF的大电容和104小电容滤波，再接一个7805稳压。SIM900模块在GPRS数据传输时，瞬间电流可能高达2 A@4 V，考虑到此种情况，采用开关稳压器LM2596。LM2596是一款降压型电源管理集成电路，最大可以输出3 A的电流，输出电压误差小，有自我保护电路，本研究中使用的是5 V固定输出。LM2596的开关频率为150 kHz，电路中只用了通用的标准电感，使用这种开关电源简化了电路。在该研究中，用到的LM2596是5脚TO?263表贴封装（SMD）。由于本系统对实时性要求不高，控制电路模块即控制芯片采用的是STC89C52。
2.2 传感器模块电路模块
传感器模块中，采集温度的传感器采用DS18B20。DS18B20中间I/O是控制管脚，加一个4.7 kΩ的上拉电阻，DS_OUT可接STC89C52的任意一个I/O口。光敏电阻是利用光电效应制作出来的半导体，它的阻值在不同的光强下会发生变化。光强增大时，电阻会减小，光强减小时，电阻会增大。在本研究中，光敏电阻直接和一个电阻串联，可把电流变化转换成电压变化，ADC_IN接PCD8591的AIN0端。PCF8591是一款单片集成、单独供电、低功耗、8 b CMOS数据获取器件。它有4个模拟输入和1个模拟输出，本研究电路只用到了一个A/D通道，这款芯片只有8位AD输入，但已经符合模拟系统的要求。芯片采用I2C总线通信协议，在PCF8591上输入/输出地址、控制和数据信号都是通过IIC总线以串行方式传输的。电路中SCL接STC89C52的P1.5端口，SDA接STC89C52的P1.6端口。
3 系统软件设计
3.1 监测终端软件设计
监测终端的软件设计代码分为库函数代码和主函数代码。库函数包含lcd1602.c，pcf8591.c，ds18b20.c，gprs.c和其相关的头文件。
程序开始执行后初始化LCD1602、串口和SIM900A模块的GPRS功能。初始化之后尝试连接服务器，当服务器连接成功后进入while循环，在while循环中读取PCF8591和DS18B20数据，并转换成相关数据显示在LCD1602中和发送到GPRS网络中。
本系统的GPRS网络传输采用的是SIM900A模块。本研究模拟的果园监测系统的通信模块为SIM900A，它是一款双频的GSM/GPRS模块，在功能方面只需要用它的GPRS功能。在指令方面，它支持AT指令和SIMCom的AT指令，只需用普通的AT指令即可完成功能。
整个系统测试的重点是GPRS部分，由于其GPRS网络在不同地点和不同时间稳定性不同，网络速度也不同，所以给测试带来很多麻烦。还需要了解TCP/IP协议作上位机。由于GPRS网络连接部分需要一个公网的IP，本模拟系统采用的是通过中介服务器的方法。具体方法是：申请动态域名，通过PING命令得到动态域名的IP。动态域名可以通过一些网站免费申请，前提是申请的动态域名具有类似内网端口映射的功能。
3.2 服务器端软件设计
面向对象软件都可以编写上位机。C++，C#，Java等语言的集成环境提供了很多控件和库供用户调用。在本系统中，并没有用到上述语言，而是用LabVIEW来编写上位机。它是用图形化编辑语言，不同于基于文本形式的开发环境，可以很快地编写出一款适合的上位机。用LabVIEW开发服务器端的数据处理软件有很高的效率，LabVIEW自身已经提供了有关TCP/IP的控件，可以直接通过添加的方式插入，更快地设计出合适的上位机。在编写上位机之前需要了解接收到的数据是何形式。由于TCP/IP传送的格式是string，所以在监测终端需要对数据做一定的处理，使处理后的数据满足：可以进行可靠的传输；可以分析出温度和光强。
由于在监测终端的GPRS模块提供的AT指令中，在服务器端需要解析的数据也将是字符串的格式。温度和光强采集回来的数据是int型，转换成字符串的方法和上述lcd1602软件研究中提到的方法一样。至于实际传送的内容，为了使服务器分辨出哪些字符是温度、哪些字符是光强，可以在温度和光强的字符串中间加标志字符。比如要传送的温度数值是25，要传送的光强是150，标志字符是k，那么实际传送的字符串就是“25k150”，即GPRS模块发送到服务器的字符串是“25k150”，这样，服务器接收到“25k150”的字符串后通过分析和处理即可得到数值的温度和光强。为了更好地比较在一定时间内温度和光强的变化情况，在上位机中加入了波形图表，每当一个数据到来，会记录在波形图表上。这样在监测果园环境的同时，可以知道环境在某一段时间内的变化，从而做出相应的处理。图2是LabVIEW上位机整体的程序框图。
4 测 试
4.1 监测终端硬件和软件测试
硬件测试主要是利用万用表测稳压芯片的输出电压。由整流桥输出接4 700 μF的电容，所以电流符合要求。而7805稳压芯片后稳定电压为5.1 V，符合要求。LM2596开关电源后稳定电压为5.08 V，同样符合要求。所以电路电源部分电路符合测试要求。接着测试STC89C52是否正常起振，用万用表测得晶振两管脚电压均在2.12 V左右，说明可以正常起振。然后测试下载功能，下载软件用的是stc?isp v6.57，先用任意一个hex文件来测试下载，下载成功。图3为测试下载成功图。测试数据采集模块，首先测试LCD1602的驱动，可以正常显示字符，说明LCD1602可以工作。添加ds18b20和pcf8591的驱动后，采集数据。采集数据后经过分析和处理显示在LCD1602上，得到模拟环境的光强和温度。测试结果与当时环境的数据相近，说明数据采集模块可以正常工作。
4.2 服务器端上位机测试
编写上位机后，需要对上位机的网络通信功能进行测试，需要用到网络测试助手。在网络测试助手中，把协议类型设置成TCP Client，服务器IP地址设置成127.0.0.1，即本机地址，端口设置成10006。先打开上位机进行TCP侦听，然后再打开网络测试助手的连接，连接成功后发送相关数据到上位机中，检测是否分析出正确的数据、是否在波形图表中正确显示、是否可以设置警告温度和光强。
同3.2节所述，用‘k作为分隔符，发送不同的模拟数据到网络中，测试查看LabVIEW是否收到数据，上位机中左上方“接收的数据”即是收到的网络中最原始数据。测试结果表明LabVIEW上位机能正确接收从网络中发送来的数据。之后，测试警告灯的逻辑是否正确，是否会在超出警告范围时报警。
图4为测试服务器端上位机图。本系统在某一时间段间隔5 min测试数据。
5 结 语
GPRS技术应用较广，利用GPRS技术解决实际问题更加方便易行。本文研究了模拟果园环境的无线监测系统，在数据采集和分析方面的研究具有独创性，在芯片选型方面采用合理、廉价的方案。通过LabVIEW的上位机对模拟果园环境采集的数据进行显示和处理，合理并有效地对电路和代码进行修改，使整个系统具有很好的稳定性。
参考文献
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更新时间：2025/4/17 7:36:42