基于GPRS和风电能源的农业大棚监控系统设计

为了提高新疆农业发展水平，采用集约化农业生产并引进信息化技术装备形成具有地方特色的设施农业，实现农作物生长环境的最优控制和提高水土资源的利用效率。新疆农业状况的特点是中小型大棚数量多、农业生产者科技水平较为薄弱、大棚地域偏僻分散且基础电力、通信设施缺乏。新疆位于祖国西北地区，地广人稀平原多，日照时间长温差大，典型的戈壁滩平原地貌特征，风多风大，风力资源位于全国第二。针对新疆地理特点，融合物联网的智能农业思想，设计了一款基于GPRS和风电能源的农业大棚监控系统。该系统为分布式系统结构设计，利用小型风电机提供经济的清洁能源，无需建设电力通信设施，采用GPRS网络实现低成本的无线远程监控，用户通过非现场监控终端和微计算机实现对农业大棚农作物生长环境的自动监测，自动控制加温 器、保湿幕布、通窗、补光灯等环境调控设备实现环境参数的智能调节。通过提供地方特色化、低成本的农业联网技术的行业解决方案，实现精准农业的生产，促进新疆农业的信息化转型升级[1]。笔者在此对该程序的总体设计、工作原理、硬件部分和软件程序设计等方面进行了详细概述。 1 系统的总体设计与工作原理 1.1 系统总体设计 系统的总体设计逻辑上分为上位机、GPRS网络模块、主机、485总线网和从机节点等五大部分，系统总体设计框架如图1所示。为了保证系统工作可靠性和适用性，硬件设计上将GPRS模块(SIM900A)分别集成在上位机和主机上，将多个485总线模块(SP3485E)分别集成在主机和从机节点上，物理上将系统硬件分为上位机、主机、从机三大部分，确保系统的工作稳定性。 图1 系统总体设计框架 1.2 系统工作原理 系统上位机监控软件通过GPRS网络平台实现对主机的远程无线监控。主机节点作为控制核心完成三部分功能，通过GPRS网络建立与上位机监控终端的通信连接，传递环境参数和控制命令；通过继电器阵列控制各大棚的环境调节设备，如控温系统、水泵湿幕、补光灯和风机通窗等环境调节设备；通过485总线型局域网连接各大棚各从机节点，广播从机节点的环境检测命令、接收唯一响应的从机地址和环境参数。各从机节点通过485总线网，采用标准的Modbus协议与主机通信，接收对应的测试命令后启动参数检测功能，并上传从机地址和农业参数。 2 系统硬件部分 图2 SIM900A与RS232接口电路 2.1 上位机部分 系统的上位机部分由监控工作站和GPRS网络模块(SIM900A)组成，工作站安装监控软件和SQL Server数据库。工作站的串行异步收发接口RS232的RXD和TXD端分别与GPRS模块RS232的TXD_O和RXD_I连接，传输速率均设为9 600 bps，通过GPRS网络与大棚主机远程通信，传输农业参数和控制命令，接口电路如图2所示。GPRS模块内嵌TCP/IP协议，支持TCP/UDP通信，其数据传输速率最高可达上行42 800 bps、下行85 600 bps，符合系统监控数据传输要求，且让后期的扩展改造和网络升级留有极大的余地[2]。图2中GPRS模块以移动GPRS 网络和 Internet 网络为载体，上位机和大棚主机采用对等连接(P2P)方式，通过 AT 指令配置GPRS 模块网络接入点(APN)及属性，通过 PPP 协议与GGSN(GPRS网关支持节点)之间进行链路协商，获取 IP 地址接入运营商网络，建立上位机数据中心与主机之间的 TCP连接，实现检测数据的远程传输。GPRS网络是一种分组交换的移动数据网络，不同于一般的电路交换和存储转发的通信方式，它采用数据封包的传输方式并间歇性占用带宽资源，具有“永远在线”的特点但无需频繁连接，统计数据流量包的方式进行计费，通信资费极为经济，非常适用于农业大棚监控间隙产生的突发性数据流量[3] 主机部分 系统的主机部分包括GPRS模块(SIM900A)、主控器、485总线(SP3485E)、执行结构和风能电力系统等五大模块组成。主控器以MSP430F149最小系统为控制核心。该最小系统电路采用Altium Designer设计，电路接口使用NET来标示，模块接口划分清晰(图3)。MSP430F1X系列微计算机是TI公司推出的超低功耗Flash控制器[4]，主要特点是：①快速响应处理能力。采用16位精简指令集结构(RISC)，150 ns指令周期，睡眠模式下中断唤醒时间≤6 μs。②片内资源丰富，控制简便。采用冯·诺依曼体系结构，全部模块均位于同一地址空间，成员均为软件控制，2个16位计时器Timer_A/B和2个RS232串口(UART_0/1)能满足主机与GPRS模块和从机节点的时钟和数据传送同步。③工作能耗业界最低。系统处于低功耗睡眠模式(LPM)时电流≤0.7 μA，中断唤醒仅需6.0 μs，活动模式(AM)下工作电流≤3.0 μA，具有体积小、低功耗、快速响应、成本低廉的特点，易于集成在智能仪器仪表中。 图3 MSP430F149最小系统电路 在主机中，主控器的串口UART_1连接SIM900A，通过移动运营商的GPRS网络平台建立与工作站监控终端的远程无线通信，执行P2P连接方式传输控制命令和农业参数。主控机的UART_0连接SP3485，通过485总线网将包含目的地址的数据报广播到局域网的所有站点上，各站点被中断唤醒后效验从机地址是否对应，进入AM模式将站点地址、环境参数封装数据包反馈给主机。主机效验从机地址后，检查环境参数是否超过限位阀值，若超出限定值，传递参数给远程服务器的同时，按照译码器原理驱动继电器阵列启动加温器、通窗、水泵等环境调节的执行机构，将参数调节到正常范围。 主控器和各大棚的各从机节点组成一个局域网，网络拓扑结构为总线型，各站点通过SP3485E模块连接在总线网上，局域网工作的层次跨域数据链路层和物理层。主控器与从机执行客户-服务器(C/S)连接方式，数据链路层采用多点线路探询接入控制，针对大棚监控系统实时性要求不高的特点，主机在总线网上广播主机MAC帧、从机MAC帧唯一响应的方案避免多点接入碰撞的，与星型网和环形网相比通信成本更为经济。局域网中数据报的MAC帧分为主机MAC帧和从机MAC帧，MAC帧格式(图4)中，链路层数据报采用可变长字段，帧定界符SOH和EOT规定MAC帧的最大数据传送单元(MTU)，帧效验序列FCS采用循环冗余检验CRC-16=X16+X15+X2+1，保证站点通信的准确性。 图4 总线网MAC帧格式 新疆地区有着丰富的西北风力资源，使用独立运行的小型风能电力系统给郊区大棚提供成本经济的环保能源，系统由5 kW小型风电机、镇流器、电池组和逆变器等组成(图5)，风电机输出的交流电能，整流变换为直流后对蓄电池组充电，蓄电池组直接向主机提供直流电，通过逆变器将直流电转换为交流向执行机构供电。资料显示，克拉玛依市位于准噶尔盆地西部风区，主要为西北风源，风能蕴藏量大，年平均风速4～5 m/s，年风速利用时间4 500～5 500 h，可装机容量20 MkW。综合考虑各项参数后(表1)，选定5 kW小型风电机即可满足大多数大棚电力需求。根据现有的风车技术，大约3 m/s的风速(微风的程度)即可发电，还可通过扩容风电机组和电池组的方法提高装机容量[6]。 图5 小型风能电力系统[5] 表1 5 kW风电机性能参数参数数值参数数值额定转速∥r/min220风轮直径∥m6额定功率∥kW5额定风速∥m/s10输出电压∥V220最大功率∥kW6工作风速∥m/s3～25启动风速∥m/s3塔架高∥m9安全风速∥m/s40塔架类型159钢顶部质量∥kg250 2.3 从机部分 从机以MSP430F1232为控制核心，与传感器芯片、485总线(SP3485E)组成从机节点。MSP430F1232是TI公司封装体积最小的微计算机，AM电流≤6 μA，响应时间6 μs，LPM电流≤1 μA，1个UART口连接总线网，设定P3.1、P3.2口连接传感器芯片的I2C双总线(SCL时钟线、SDA数据线)适用于低功耗的小型化传感器。每个大棚分别安装大气温湿度、光照度、CO2、土壤温度水分等4个从机节点，可测6项参数，传感器性能指标如表2所示。 表2 传感器的性能指标传感器生产厂商芯片型号测量量程测量精度空气温湿度SENSIRIONSHT11-40～123℃(0～100%)℃(±3%)光照度TAOSTSL～±35lxCO2浓度DYNA-MENTTDS00540～2000±30ppm土壤温度水分SENSIRIONSHT21-40～125℃(0～100%)℃(±3%) 3 软件程序设计 3.1 上位机远程监控系统 根据上位机的远程监控需求，在VC6.0和SQL Server2008平台上共同构建农业大棚远程监控的控制程序和软件界面，上位机监控程序通过GPRS网络，采用P2P方式与主机通信，实现对农业大棚的实时数据存储、历史数据报表、限位值报警、环境参数调控等远程监控功能，上位机监控中心的软件界面如图6所示。 图6 监控中心界面 3.2 GPRS通信协议 上位机和主机进行GPRS通信之前通过AT指令对SIM900A模块进行初始化，设定通信速率、IP地址、GPRS、INTERNET等连接参数，主要有以下几个设置：①AT+IPR =9 600，设置GPRS模块通信速率为9 600 bps；②AT+CGDCONT = 1，"IP"，"CMNET"，将GPRS接入网关设置为中国移动GSM网络；③AT+CGCLASS ="B"，将 GPRS 模块设置为单一GPRS业务运行模式；④AT+CGACT = 1，在SIM 卡开通GPRS业务的基础上激活GPRS功能，若返回SEND OK，则GPRS连接成功；⑤AT+CLPORT="TCP"，"2000"，设定本地侦听的TCP的PORT；⑥AT+CIPSTART="TCP"，""，"8086"，设置公网IP和PORT，建立TCP连接，模块返回OK，说明TCP连接成功。 3.3 软件流程图 主机完成与上位机和从机的网络通讯、检测大棚的环境参数及控制环境调节系统，程序流程图如图7所示。 图7 主机程序流程 4 结束语 基于GPRS和风电能源的农业大棚监控系统是针对新疆农业大棚的特色化监控技术，利用新疆风力资源和成熟的风电技术扬长避短地解决了大棚远程电力供应，利用GPRS实现远程无线监控，显著地降低监控成本。系统采用物联网的设计思路，通过模块化结构提高监控系统的扩展性和稳定性，是一套智能化的远程监控系统，既可应用在各种温室大棚，还可以扩展西北地区的太阳能源和其他从机节点应用于新疆的棉花农场和畜牧大棚的监控，具有广泛的应用前景和市场推广价值。

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