CN205942495U - 一种基于gprs的农业信息采集监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于GPRS的农业信息采集监测系统，包括：GPRS无线传输模块；微控制器，其连接所述GPRS无线传输模块，能够监测系统的工作状态并且有效地控制系统的运行；信息采集终端，包括信息采集模块和功能执行模块，用于采集多种感知量和执行多种控制量；其中，微控制器和信息采集终端之间通过GPRS无线传输模块连通；云服务器，其通过通信网络与所述GPRS无线传输模块连接，用于存储记录信息采集终端采集到的信号，省去的现场的线缆布线的麻烦和不便，突破了数据不能远距离传输的限制。

Description

一种基于GPRS的农业信息采集监测系统

技术领域

本实用新型涉及农业自动控制领域，尤其涉及一种基于GPRS的农业信息采集监测系统。

背景技术

我国农业具有地域分散、环境因子不确定、对象多样、生物自身变异大等特点，要提高农业的控制管理水平，对农田现场气象环境参数以及由其变化引起的作物状态的改变、作物的长势及各类病虫害状况进行动态监控，无论对于科学研究还是生产管理都非常重要。但从技术层面上看，传统的农田现场数据采集后，通过RS485总线将数据传输至PC机。但在农田现场使用PC机监测存在很多问题：农业现场环境相对比较恶劣，存在湿度大、光照强等较多因素，这大大加速了安放于农田现场工作的机元器件的老化速度；同时RS485总线由于传输距离有限，很难实现信息的远程采集监控。

随着移动通信技术不断发展，无线通信技术为农田现场气象环境数据及作物图像的远程采集传输提供了一个有效途径，GPRS技术以其永远在线、按流量计费、快速登录、自如切换、高速传输等优点，克服了传统有线传输方式布线的限制，因此采用具有数据传输功能的移动通信网络，以降低设备投入，同时也不用自己去专门维护、检修，是比较理想的选择。

实用新型内容

本实用新型设计开发了一种基于GPRS的农业信息采集监测系统，采用GPRS技术进行传感器数据的发送，省去的现场的线缆布线的麻烦和不便。

本实用新型还有一个目的是使用无线通信网络进行数据的上传监控中心，可以到达国家的任意地方，突破了数据不能远距离传输的限制。

一种基于GPRS的农业信息采集监测系统，包括：

GPRS无线传输模块；

微控制器，其连接所述GPRS无线传输模块，能够监测系统的工作状态并且有效地控制系统的运行；

信息采集终端，包括信息采集模块和功能执行模块，用于采集多种感知量和执行多种控制量；

其中，微控制器和信息采集终端之间通过GPRS无线传输模块连通；

云服务器，其通过通信网络与所述GPRS无线传输模块连接，用于存储记录信息采集终端采集到的信号。

优选的是，所述微控制器包括电子控制单元，晶振电路以及复位电路；

其中，所述电子控制单元用于运行程序，所述晶振电路与所述复位电路输出端分别接所述电子控制单元的输入端。

优选的是，所述GPRS无线传输模块采用无线通讯模块与所述电子控制单元通过串口进行交叉物理连接。

优选的是，所述信息采集终端包括：

湿度传感器，其掩埋在田间不同深度，用于采集土壤湿度；

温度传感器，其掩埋在土壤内部，用于检测土壤温度；

光照强度传感器，其设置在田间农作物顶部，用于采集叶面吸收光照情况。

本实用新型的有益效果

1.无线化：本实用新型采用GPRS技术进行传感器数据的发送，省去的现场的线缆布线的麻烦和不便；

2.远程化：本实用新型使用中国移动无线通信网络进行数据的上传监控中心，可以到达国家的任意地方，突破了数据不能远距离传输的限制。

附图说明

图1为本实用新型所述的基于GPRS的农业信息采集监测系统的框架图。

图2为本实用新型所述的基于GPRS的农业信息采集监测系统的硬件连接示意图。

图3为本实用新型所述的是微控制器的原理图。

图4为本实用新型所述的电源电路原理图。

图5为本实用新型所述的GPRS通信接口电路原理图。

图6为本实用新型所述的温度传感器接口电路原理图。

图7为本实用新型所述的湿度传感器接口电路原理图。

图8为本实用新型所述的CO2传感器接口电路原理图。

图9为本实用新型所述的O2传感器接口电路原理图。

图10为本实用新型所述的光照强度传感器接口电路原理图。

图11为本实用新型所述的紫外线传感器接口电路原理图。

图12为本实用新型所述的风速传感器接口电路原理图。

图13为本实用新型所述的系统嵌入式软件程序流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、2所示，本实用新型提供的基于GPRS的农业信息采集监测系统，包括：GPRS无线传输模块100、微控制器200、信息采集终端300和云服务器400。

其中，如图3所示，GPRS无线传输模块100，GPRS通信模块(P7)使用的是SIMCOM公司生产的SIM900模块，其通过串口连接单片机(U2)。GPRS通信模块(P7)引脚6连接单片机(U2)的引脚(PA9)，用于接收单片机(U2)发来的数据；GPRS通信模块(P7)引脚5连接单片机(U2)的引脚(PA10)，用于向单片机(U2)发送数据；GPRS通信模块(P7)引脚3连接单片机(U2)的引脚(PC9)，用于GPRS通信模块(P7)死机时重新复位；GPRS通信模块(P7)引脚1连接4V电源，用于为GPRS通信模块(P7)供电；GPRS通信模块(P7)引脚2和引脚7连接地线，用于与单片机(U2)共地。

微控制器200，其连接所述GPRS无线传输模块，能够监测系统的工作状态并且有效地控制系统的运行，为单片机最小系统电路，包括：单片机(U2)、晶振启动电路、系统复位电路，单片机(U2)采用的32STM32F103RBT6型微控制器，该单片机包括128K闪存空间和20K随机存储空间，其电容C15、C16、晶振Y2构成了单片机(U2)的晶振电路，为单片机(U2)运行提供时钟基础，电阻R1、电容C3构成了单片机(U2)的复位电路，用于单片机(U2)的复位，使单片机(U2)能正常工作，电子控制单元用于运行程序，晶振电路与复位电路输出端分别连接电子控制单元的输入端。

如图4所示，电源电路原理图，包括交流转直流模块(P01)，输入端连接外部220V交流市电，输出端输出直流12V电压；保险丝(FUSE)是对总电路进行电流限制；压敏电阻(MOV)用来保护电子电路免受电压尖峰和电流浪涌的影响；电容C1、C2针对12V输出电压进行高频滤波。

直流转直流模块(P02)，输入端连接交流转直流模块(P01)输出的直流12V电压，输出端输出直流5V电压；电容C3针对输入端电压进行高频滤波，电容C4针对输出端电压进行高频滤波。

4V稳压芯片(P03)，采用MIC29302芯片，输入端连接直流转直流模块(P02)输出的直流5V电压，输出端输出4V直流电压，为GPRS通信模块提供工作电源；电容C5、C6用于电压滤波，电阻R8、R9串联用于分压使得4V稳压芯片(P03)引脚4输出直流4V电压。

3.3V稳压芯片(P04)，采用AMS1117-3.3芯片，输入端连接直流转直流模块(P02)输出的直流5V电压，输出端输出3.3V直流电压，电容C7针对输入端电压进行滤波，电容C8和C9针对输出端电压进行高频滤波。

信息采集终端300，括信息采集模块和功能执行模块，用于采集多种感知量和执行多种控制量；包括：如下传感器：

如图6所示，是温度传感器接口电路原理图，温度传感器(P1)采用的是DS18B20数字温度传感器，通过单总线与单片机(U2)连接。温度传感器(P1)引脚1连接地线，用于与单片机(U2)共地；温度传感器(P1)引脚2连接单片机(U2)的引脚(PA0)；用于将采集的温度数字量发送给单片机(U2)；温度传感器(P1)引脚3连接3.3V电源，用于给温度传感器(P1)供电。其中电阻R7为上拉电阻，用于将与单片机(U2)的PA0引脚上拉到高电平。

其工作原理：单片机(U2)在主循环程序中每隔3秒通过温度传感器(P1)引脚2主动发送读取农业现场环境的温度数据的命令，温度传感器(P1)接收到后同样通过其脚2返回精确到小数位的温度数字量。

如图7所示，是湿度传感器接口电路原理图，湿度传感器(P2)采用的是DHT11数字湿度传感器，通过单总线与单片机(U2)连接。湿度传感器(P2)引脚1连接地线，用于与单片机(U2)共地；湿度传感器(P2)引脚2连接单片机(U2)的引脚(PA4)；用于将采集的湿度数字量发送给单片机(U2)；湿度传感器(P2)引脚3连接5V电源，用于给湿度传感器(P2)供电。

其工作原理：单片机(U2)在主循环程序中每隔2通过湿度传感器(P2)引脚2主动发送读取农业现场环境的湿度数据的命令，湿度传感器(P2)接收到后同样通过其引脚2返回带有整数部分和小数部分的湿度数字量。

如图8所示，是CO2传感器接口电路原理图，CO2传感器(P3)采用韩国进口的S100H型数字传感器，其采用电调制非分光红外(NDIR)技术来高精度测量空气中CO2的浓度。CO2传感器(P3)通过串口与单片机(U2)连接，CO2传感器(P3)引脚1连接12V电源，为CO2传感器(P3)供电；CO2传感器(P3)引脚2连接单片机(U2)引脚(PA15)，用于CO2传感器死机时复位重新工作；CO2传感器(P3)引脚3连接地线，用于与单片机(U2)共地；CO2传感器(P3)引脚4连接单片机(U2)引脚(PA3)，用于向单片机(U2)传输采集的CO2浓度数据；CO2传感器(P3)引脚5连接单片机(U2)引脚(PA2)，用于接收单片机(U2)发来的数据。

其工作原理：CO2传感器(P3)通过串口发送引脚，每隔3秒向单片机(U2)发送一次采集转化后的数字量，单片机(U2)产生串口中断事件，此时通过串口中断服务程序将CO2数据接收到本地缓冲区，以便进行后面的计算处理。

如图9所示，是O2传感器接口电路原理图，O2传感器(P5)采用ZE03-O2型数字传感器，其采用三电极电化学气体传感器来高精度测量空气中O2的百分比含量。O2传感器(P5)通过串口与单片机(U2)连接，O2传感器(P5)引脚1连接5V电源，为O2传感器(P5)供电；O2传感器(P5)引脚2连接单片机(U2)引脚(PC11)，用于向单片机(U2)传输采集的O2百分比含量；O2传感器(P5)引脚3连接单片机(U2)引脚(PC10)，用于接收单片机(U2)发来的数据；O2传感器(P5)引脚4连接地线，用于与单片机(U2)共地。

其工作原理：O2传感器(P5)通过串口发送引脚，每隔4秒向单片机(U2)发送一次采集转化后的数字百分比含量，单片机(U2)产生串口中断事件，此时通过串口中断服务程序将O2数据接收到本地缓冲区，以便进行后面的计算处理。

如图10所示，是光照强度传感器接口电路原理图，光照强度传感器(P6)采用的是BH1750数字环境光传感器，其通过IIC总线与单片机进行相连接。光照强度传感器(P6)引脚1连接3.3V电源，为光照强度传感器(P6)供电；光照强度传感器(P6)引脚2连接单片机(U2)引脚(PB10)，为IIC总线传输提供时钟信号；光照强度传感器(P6)引脚3连接单片机(U2)引脚(PB11)，为IIC总线传输提供数据信号；光照强度传感器(P6)引脚4连接地线，用于与单片机(U2)共地。

其工作原理：单片机(U2)在主循环程序中每隔3通过光照强度传感器(P6)引脚2主动发送读取农业现场环境的光照强度数据的命令，光照强度传感器(P6)接收到命令后通过其引脚3返回短整型类型的光照强度值数字量。

如图11所示，是紫外线传感器接口电路原理图，紫外线传感器(P9)采用的是UVM-30模拟紫外线传感器，其检测紫外线波长为200-370纳米，具有线性电压信号输出。紫外线传感器(P9)引脚1连接3.3V电源，为紫外线传感器(P9)供电；紫外线传感器(P9)引脚2连接单片机(U2)AD采集引脚(PA7)，用于向单片机传输紫外线强度模拟电压信号；紫外线传感器(P9)引脚3连接地线，用于与单片机(U2)共地。

其工作原理：单片机(U2)在主循环程序中每隔2通过其AD转换引脚(PA7)采集紫外线的模拟电信号，然后进行12位精度的AD转换变成短整型数字量，最后按照紫外线传感器(P9)的说明书将数字量按照标准公式转化为紫外线强度等级(0-11级)。

如图12所示，是风速传感器接口电路原理图，风速传感器(P8)采用的是YGC-FS型三风杯数字量传感器，其检测风速范围为0-45m/s，分辨率为0.1m/s，具有串口数字信号输出，因此风速传感器(P8)通过串口与单片机(U2)相连。风速传感器(P8)引脚1连接5V电源，为风速传感器(P8)供电；风速传感器(P8)引脚2连接单片机(U2)引脚(PC11)，用于向单片机(U2)传输采集的风速数字量；风速传感器(P8)引脚3连接单片机(U2)引脚(PC10)，用于接收单片机(U2)发来的数据；风速传感器(P8)引脚4连接地线，用于与单片机(U2)共地。由于单片机(U2)的串口个数有限，这里风速传感器(P8)与权利9中的O2传感器都连接到了单片机(U2)引脚(PC10和PC11)，进行分时复用采集。

其工作原理：当O2传感器(P5)通过串口发送引脚，每隔2秒向单片机(U2)发送一次采集转化后的数字百分比含量后，接着的2S秒时间到，风速传感器(P8)通过串口发送引脚，向单片机(U2)发送一次采集转化后的风速值，单片机(U2)此时产生串口中断事件，通过串口中断服务程序将风速数据接收到本地缓冲区。这样在软件程序上O2传感器(P5)与风速传感器(P8)实现了分时采集和处理。

其工作原理：当单片机(U2)运行程序采集到所有的传感器数据后，对传感器数据进行组包，然后启动GPRS通信模块(P7)，基于115200bps、无校验位、1位停止位、8位数据位的串口通信协议向农业监控中心上位机软件发送数据，单片机(U2)通过引脚(PA9)发送AT指令给GPRS通信模块(P7)，驱动该模块工作；单片机(U2)通过引脚(PA10)收到农业监控中心上位机返回的状态信息，判断数据是否成功到达。

云服务器400，其通过通信网络与GPRS无线传输模块400连接，用于存储记录信息采集终端300采集到的信号。

如图13所示，是系统嵌入式软件程序流程图。实时采集农业信息、保存到系统中的SD卡中，进行历史数据查询和大数据分析、同时组成协议包通过GPRS无线传输方法发送到监控中心软件、在监控中心软件实时显示和保存到数据库。其具体实现步骤为：

单片机时钟、各种外围传感器进行初始化操作；

实时采集农业温室或者大棚中的空气温湿度、空气中CO2和O2浓度、光照强度、紫外线强度、土壤含氧量、风速等农作物生长环境因子；

判断是否已经完成一次所有传感器数据的采集，若采集完，将采集完的数据写入到系统SD卡中进行数据保存，同时将数据组包通过GPRS发送到监控中心软件上去显示和保存到数据库；

若未采集完，则继续进行采集，直到完成一次所有传感器数据的采集。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种基于GPRS的农业信息采集监测系统，其特征在于，包括：

GPRS无线传输模块；

微控制器，其连接所述GPRS无线传输模块，能够监测系统的工作状态并且有效地控制系统的运行；

信息采集终端，包括信息采集模块和功能执行模块，用于采集多种感知量和执行多种控制量；

其中，微控制器和信息采集终端之间通过GPRS无线传输模块连通；

云服务器，其通过通信网络与所述GPRS无线传输模块连接，用于存储记录信息采集终端采集到的信号。

2.根据权利要求1所述的基于GPRS的农业信息采集监测系统，其特征在于，所述微控制器包括电子控制单元，晶振电路以及复位电路；

其中，所述电子控制单元用于运行程序，所述晶振电路与所述复位电路输出端分别接所述电子控制单元的输入端。

3.根据权利要求2所述的基于GPRS的农业信息采集监测系统，其特征在于，所述GPRS无线传输模块采用无线通讯模块与所述电子控制单元通过串口进行交叉物理连接。

4.根据权利要求3所述的基于GPRS的农业信息采集监测系统，其特征在于，所述信息采集终端包括：

湿度传感器，其掩埋在田间不同深度，用于采集土壤湿度；

温度传感器，其掩埋在土壤内部，用于检测土壤温度；

光照强度传感器，其设置在田间农作物顶部，用于采集叶面吸收光照情况。