基于GSM网络的农田灌溉智能控制系统*

黄文晋 侯时迪 赵聪 李坤 胡安正

（湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北襄阳 441053）

物理·技术·应用

基于GSM网络的农田灌溉智能控制系统*

黄文晋 侯时迪 赵聪 李坤 胡安正

（湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北襄阳 441053）

针对传统农田水位远程控制水平低下和水位信息远程传输方式中布线难、传输距离有限、入网许可限制等不足，本文基于GSM网络技术、超声波传感器技术和先进的STC89LE52单片机等技术，设计出农田水位信息采集及信息远程无线传输和农田智能灌溉系统装置．该系统成本低廉、操作简单、性能稳定可靠，具有一定的市场推广价值．

农田灌溉 智能控制 GSM 单片机 超声波测距

目前，国内市面上的智能农业控制系统仅适用于平原大面积，且系统的环境参数多，信息量多，操作复杂，成本较高，一般农户难以承担．农田信息具有距离远、分布散、难管理等特点，为实时检测及快速反馈农田环境信息，有必要设计一个远程检测及控制系统．从国内外田间信息采集系统的研究现状和方向来看，传统的远程监控系统的传输方式分为有线传输和无线传输两种．无线传输方式远程监控主要采用电台进行无线数据传输，但由于经济原因和技术缺陷都不能广泛应用，而对远程监控系统增加无线通信功能是一个新的切入点．

本文提出一种新型的基于GSM网络的农田灌溉智能控制系统［1，2］，它利用移动无线通信网络［3］，让农户实时掌握农田水位情况．

1 农田灌溉智能控制系统

农田灌溉智能控制系统主要包括US- 020超声波测距模块［4］、水位显示装置、报警装置、RF1101SE无线数据传输模块、GSM主控中心［5］、水位控制装置等．RF1101SE无线数据传输模块将US- 020超声波测距模块测量的水位信息无线传输给GSM主控中心，同时水位显示装置将实时显示水位信息，报警装置根据实时水位作出相应响应；GSM主控中心根据实时测量的水位信息控制抽水设备，同时通过GSM网络技术［3］将水位信息发送给农场主手机或其他管理中心，农场主也可根据接收到的水位信息发送指令到GSM控制中心，GSM控制中心根据指令作出相应响应，开启或者关闭抽水设备．

1．1 模型总体外观图

在模型图中（图1），左边的为蓄水池模型，中间的为农田模型，右边的是中央控制系统模型．无线模块将超声波实时检测的农田水位信息传输给中央控制系统，中央控制系统实现对信息分析，并发送指令控制抽水设备完成农田水位的智能控制．

图1 模型总体外观图

2 基于GSM网络的农田灌溉智能控制系统工作原理

本设计通过单片机［4］控制超声波测距模块实时测量农田水位情况［2］，超声波测距模块将测得的水位信息通过RF1101SE无线模块传送至GSM控制中心［5］，主控MCU对水位信息分析判断后，开启或者关闭抽水设备；同时，主控MCU通过串口通信方式控制GSM模块MC35［3］将水位信息发送至农场主的手机或其他管理中心．农场主也可通过手机发送短信至GSM控制中心，主控MCU将接收到的水位信息进行分析判断后，将控制命令发送给远端进行相应的控制，间接控制抽水设备，从而达到水位信息远程检测和智能灌溉［2］的目的．系统构成如图2所示．

图2 系统构成

3 系统设计

3．1US- 020超声波测距模块

US- 020超声波测距［6］模块可实现2 cm～7 m的非接触测距功能，供电电压为5 V，静态功耗低于3 m A，支持GPIO通信模式，内带看门狗，工作稳定可靠．在US- 020模块的Trig端口输入一个10 μs以上的高电平，可触发模块测距；当测距结束时，US- 020模块的Echo端口会输出一个高电平，电平宽度为超声波往返时间之和，即得出所测距离为（高电平时间t*340 m/s）/2．模块测距的时序如图3所示．

图3S- 020测距时序图

3．2 GSM模块与单片机通信设计

TC35i新版西门子工业GSM模块［3］是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源的范围为直流3．3～4．8 V，电流消耗——休眠状态为3．5 m A，空闲状态为25 m A，发射状态为300 m A（平均），峰值2．5 A；可传输语音和数据信号，功耗在EGSM900（4类）和GSM1800（1类）分别为2 W和1 W，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线．SIM电压为3 V/1．8 V，TC35i的数据接口（CM OS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据，可选波特率为300 b/s～115 kb/s，自动波特率为1．2 kb/s～115 kb/s．它支持Text和PDU格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复．

3．3 系统软件设计

为了确定系统能正常发送短信且缩短GSM模块发送水位信息短信时间，主程序设计为让GSM模块先发送短信至用户手机．本系统主控MCU STC89LE52通过串口通信方式控制GSM模块向远程终端发送数据，利用外部中断来接收数据，确保数据传输的同步性和实时性．每接收一位数据，中断都会响应一次，接收8位为一个有效数据，接收8个数据为一个数据帧．程序流程图如图4．

图4 程序流程图

4 结论

本文给出了利用GSM网络的短消息服务及US- 020超声波测距技术实现农田灌溉智能控制的一种新的实现方法．所设计的控制系统基于发展成熟的GSM网络，无需其他网络支持，成本低、覆盖面广且稳定、易维护，所以具有很好的应用前景．

1 庞树杰，杨青，李莉．基于GPS和GSM短消息的农田信息采集系统．农机化研究，2004（1）：1～3

2 潘峥嵘，徐猛．基于GSM短消息的水渠水位自动测报系统．计算机工程，2007，33（7）：234～236

3 西门子TC3X- AT指令集［EB/OL］．2012- 05- 14

4 村田充弘，汤川克巳，郭秀芬．超声波传感器．压电与声光，1986（03）

5 刘之光，王星．一种GSM接收机设计与实现．硅谷，2011（12）

6 张海英．基于单片机超声波测距仪的设计．科技信息，（）

*国家大学生创新创业项目“风速风向智能检测、无线通讯和管理系统”，项目编号：201410519019；“基于无线网络的智能农业综合管理平台模型研发”，项目编号：201410519005和“基于无线传感网络的土壤环境监控系统”资助．

黄文晋（1993- ），男，在读本科生，主要从事无线通信与自动控制．

指导教师：胡安正（1965- ），男，博士，教授，主要从事电子技术研究．

2014- 05- 17）