基于GPRS模块温室小气候预警查询系统设计

宫志宏++李春++薛庆禹

摘要 传统的电话传真、广播电视、网络、手机短信等气象信息发布在实际运用中难以针对特定客户提供设施农业温室作物长势和小气候气象数据及温室外天气状况的预警查询服务的问题，研究依托业务运行的天津市设施农业远程监控系统，以GPRS模块为基础，通过VB.NET编程语言，SQL server数据库平台，以Client/Server为构架，建立了基于GPRS模块的设施农业预警查询系统，通过电话、短信等接入手段，以短信、彩信自动回复方式为媒介，实现了温室小气候的实时查询、灾害天气的多极自动预警、发布一体化，提高了设施农业气象预警信息的准确率及查询制作发布的时效性和针对性。

关键词 GPRS；彩信；温室小气候；预警查询；发布

中图分类号 P409 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）12-0335-03

Study on Warning and Query Based on GPRS Module for Greenhouse Microclimate Information

GONG Zhi-hong LI Chun XUE Qing-yu

（Tianjin Climate Center，Tianjin 300074）

Abstract In view of the time and place shortage of traditional weather information dissemination based on telephone，fax，radio，television，internet and SMS of meteorological observatory，using remote monitoring system of agricultural facilities，based on GPRS module，selected SQL server as database，Client/Server as structure and VB as programming language，the study established a warning and query system based on GPRS module for greenhouse microclimate information.By phone，SMS，MMS，the system has completed the integrated of real-time query of greenhouse microclimate，multi-polar automatic warning of weather disasters and information dissemination.Finally the study has improved the accuracy of weather warning of agricultural facilities and the effectiveness and relevance of services.

Key words GPRS；MMS；greenhouse microclimate；warning and query；dissemination

近年来，设施农业逐渐成为农民增收的重要增长点与突破口。而现有设施农业类型中，日光温室比例较大，但调控能力有限，受灾害性天气影响风险性大[1-2]，迫切需要有针对性的农业气象保障[3]。传统的电话传真、广播电视、手机短信等监测预警信息难以针对特定农户提供设施农业温室作物长势和小气候气象数据及温室外天气状况的查询服务[4]。

随着现代农业的发展，专门针对日光温室的监测预警方法技术欣然而起。黎贞发等[5]、马为红等[6]、关福来等[7]、武永峰等[8]基于B/S或C/S形式发布监测预警信息，梁居宝等[9]通过3G进行温室小气候及图像的监测，常国旭等[10]、徐巧年等[11]、张佐经等[12]、宫志宏等[13]以短消息的方式将信息发送给用户，于合龙等[14]用Android手机客户端软件实现数据接收，刘德义等[4]、徐高威等[15]通过GPRS进行温室现场LED终端进行预警信息发送。经过几年积累，目前国内基本已拥有一套从远程数据采集入库到桌面、网页图形图像显示、智能手机及LED信息发布技术。但是仍不能满足农村用户没有电脑、智能手机，或者远离电脑等情况时需要实时了解温室状况的需求。

本研究从提高气象预警信息的时效性和针对性出发，将灾害性天气多极预警、预警信息快捷制作和高效发布三者紧密结合[16]，根据用户定制，自动选定手机发布对象，实时发布预警，实现了用户与监测预警系统平台的双向通讯[17]。以期能够解决时间、地点的限制性，满足用户移动性需求，提高日光温室灾害性天气监测预警能力。

1 系统结构

1.1 设备组成

主要包括硬件部分（温室自动站、GPRS模块和用户手机端）和软件部分（支撑数据库平台及设施农业预警查询软件系统）。

1.1.1 温室自动采集站。温室自动采集站主要包括温室小气候自动站（型号为DZN1）及温室实景监测自动站（型号为CICI-IGHM-NVS3G-1）。其中，DZN1型自动站主要采集温室小气候要素，包括温室内部空气温湿度、土壤温度、光合有效辐射、二氧化碳浓度。CICI-IGHM-NVS3G-1型实景监测系统主要采集温室作物长势长相图片及温室外棚室图片。

1.1.2 GPRS模块。系统采用WAVECOM GPRS模块，内嵌工业级通信模块的双频调制解调器（WAVECOM Q2403A 工业型A级），采用宽电压供电（5～32 V），可以在-20 ℃～+55 ℃运行，通过计算机RS-232串口进行来连接。模块以彩信（MMS）或短信息（SMS）的方式向用户发送监控信息，用户则通过手机短信或电话呼叫的方式对系统发送命令和进行相关设置。endprint

1.1.3 用户手机端。无特殊要求，可收发短信息，并可接收彩信。

1.1.4 数据库。具体有：①信息平台数据库。平台数据库采用SQL网络数据库，主要包括用户表（User）、短信服务表（Sms）、来电服务表（Ring）、自动站点信息表（Station）和日志表（Record）。User表用于设置用户基本信息及权限，SMS表和Ring表作为用户短信查询编码对应表，与User表中SMS列和Ring列相关联。Station表为设施农业站点信息表，与User中Station列相关联。②实时气象数据库。系统数据库平台主要依托目前已业务运行的天津市设施农业远程监控系统后台SQL网络数据库，数据库中包括DZN1型自动站实时远程传输的温室小气候要素，CICI-IGHM-NVS3G-1型实景监测系统传输的温室内外图片以及天津气象区域自动站采集的温室外温度、风速要素。本系统中主要用的2张表，分别为数据库温室小气候要素表（TabtimeData）和温室内外图片信息表（ImageData），TabtimeData每隔10 min更新1次，ImageData每隔1 h更新1次。

1.1.5 温室小气候预警查询软件系统。软件系统在GPRS模块和实时更新数据库的基础上开发完成，系统采用Vb.net开发。核心界面包括用户管理、功能浏览、系统设置、初始化及发布5个模块。用户管理模块包括不同级别用户的添加、修改及删除管理；功能浏览包括电话、短信查询服务代码（0～9）代表的含义解释；系统设置包括SQL数据库路径及灾害预警指标预警频率的设置；初始化包括GPRS模块连接及各功能的启动。发布主要为人工信息发布。

1.2 设备组装与运行

如图1所示，系统包括图中A、B两部分。其中A部分为数据自动采集，工作原理为温室自动采集站实时采集数据后通过GPRS和3G网络的方式将数据传输到远程数据服务器进行监测校准入库。B部分为客户端软件系统，采用Client/Server结构体系[18]。本研究重点为B部分。设备组装与运行时，首先安装GPRS模块电脑驱动，然后将带有SIM卡的GPRS模块通过电脑串口[19]安装于装有温室小气候预警查询软件的服务器，启动软件进行初始化，等待返回模块与移动运营商连接信息和数据库连接信息[20]，如果二者均正确连接，则系统进入侦听状态。之后用户只需要通过能够接收文字或图片的已注册的移动设备与系统GPRS模块联系即可及时得到自己所需要的信息，不存在时间、地点限制。

2 系统功能设计

2.1 短期自动预警

基于数据库服务器实时传输的农田小气候数据和室外环境数据，进行短期预警。具体方式为：设置相应的短期预警指标，实时分析数据，当达到指标值进行预警，包括每年12月1日至次年3月末5 cm地温小于0 ℃的冻害预警，2～8 d的低温寡照预警，温室外风速大于17 m/s的大风预警。

2.2 手机温室数据查询反馈

用户通过拨打电话或发送短信的方式对温室数据进行查询，具体操作方式为：GPRS模块收到指令后，通过RS-232传到客户端软件系统，首先进行身份识别[21]，剔除不合法用户，之后根据不同用户的定制需求及指令要求，进行文字短信息或图片彩信息反馈。反馈信息包括实时空气温湿度、实时二氧化碳浓度、温室内外图片、日最高最低气温及帮助等信息。

2.3 人工信息发布

如遇突发性灾害或其他一些需要及时通知农户的信息，管理员可通过将短信息发送到客户端系统或直接在客户端服务系统操作进行群发送或有区别发送，从而达到预警或发布的目的。

3 系统关键技术

3.1 软件与GPRS模块通信功能实现

由于GPRS模块具有一个全双工的串行通信口，因此客户端PC机与模块通信采用标准的RS-232串口。建立客户端系统的通信时，.net中的SerialPort串口类实现了该功能，通过确定通信协议中的端口号（COM1）、串口通信波特率（9600）、数据位（8）、奇偶校验（0）、停止位（1）、读超时（1000）等信息[21]，与GPRS模块建立连接。系统通过SerialPort类中的DataRecieved事件，监控串口的接口缓冲，实现一旦有数据进来，应用SerialPort类提供的ReadReadLine等函数立刻处理。数据的发送应用SerialPort类中Write和WriteLine实现。

3.2 数据的接收与反馈

用户想要得到系统的反馈，需通过管理员进行注册，注册方式为管理员直接在电脑客户端软件注册或通过手机进行远程注册，之后用户可以根据权限接收预警信息或进行查询获取反馈信息，例如，当你拨打电话或发送短信代号时系统会根据用户定制进行反馈。这些功能的实现在系统后台通过4个关联表来完成，分别为User、Ring、Sms和Station表。以发送短信息为例，如图2所示，当用户编辑指令发送到客户端GPRS模块后，系统侦听到户手机号码、通信方式或发送指令，并和User表中的用户进行比较，如不存在该用户，过滤非法连接；如存在此用户，查看指令内容，如果指令为管理员，为用户注册信息，查看Uers表中Permissions列的代码（0—普通用户，1—管理员），匹配且指令格式正确，注册成功并反馈注册成功信息，否则返回帮助信息；如果为要素查询，查看User表中Sms列是否有服务代码（0为无服务，1～8为功能，9为帮助），如果有服务，查看User表中Station列，并关联到SMS及Station表，进行相关服务分析，并进行反馈。如果为拨打电话查询则关联到Ring表。

4 系统应用示例

基于GPRS模块温室小气候预警查询系统依托已业务运行的天津市设施农业远程监控系统后台数据库，在天津市宝坻区圣人庄，西青区青凝侯、武清农科院创新基地，开展了温室黄瓜和西红柿等温室蔬菜瓜果小气候要素及其环境图像信息的监测，初步实现了温室小气候的手机电话、短信智能查询和温室灾害短期预警。endprint

经过2年的运行，结果显示，系统性能稳定，及时性较强。温室实时温度、湿度、CO2浓度及环境图像等要素的反馈及短期灾害预警能够较为充分满足农户对温室大棚内外环境的及时、准确了解。

基于GPRS模块设施农业监测预警系统主界面如图3所示。用户发送温室内环境图片服务代码后反馈的图片如图4所示，可较清晰地反映图像中黄瓜的生长状况。

5 结论

系统的应用情况显示，基于GPRS模块设施农业预警查询系统性能稳定、及时性强，通过电话、短信、彩信等方式，不仅实现了实时空气温湿度、实时二氧化碳浓度、温室内外图片、日最高最低气温及帮助等信息的自动反馈，而且实现了温室短期灾害自动预警监测预警及信息发布，最终实现了温室小气候的实时查询、灾害天气的多极自动预警、发布一体化。

研究突破了传统电话传真、广播电视、手机短信等气象信息发布在时间、空间的局限性，可以全天24 h，无论用户身在何方，只需带有能够接收文字和图片的移动设备，即可及时查询温室环境并接收预警信息及农用天气预报信息发布。

应用本系统可有效地对设施农业灾害性天气进行实时预警，提高了针对特定客户提供设施农业温室作物长势和小气候气象数据及温室外天气状况的查询服务，提高了设施农业气象预警信息及查询制作发布的时效性和针对性。

系统也存在一定的问题，由于应用单卡GPRS模块，当用户达到一定数量时，系统在信息反馈时，会发生时间的滞后，后期可与运营商协商，购置相应的服务从而进行改进。

6 参考文献

[1] 孙智辉，刘志超，曹雪梅，等.日光温室气象服务体系设计与应用[J].中国农学通报，2011，27（11）：219-223.

[2] 黎贞发，王铁，刘德义.日光温室气象监测与灾害预警系统研制[J].气象科技，2011，39（2）：247-252.

[3] 李明财，黎贞发，李春.中国设施农业气象服务现状与前景分析[J].农业工程学，2009（16）：214-215.

[4] 刘德义，黎贞发，李春.基于GPRS的LED屏信息发布系统及在设施农业气象服务中的应用[J].照明工程学报，2011，22（2）：67-70.

[5] 黎贞发，王铁，宫志宏，等.基于物联网的日光温室低温灾害预警技术应用[J].农业工程学报，2013，29（4）：229-236.

[6] 马为红，吴华瑞，孙想，等.基于无线传输的温室环境智能监测与报警系统[J].农机化研究，2014（11）：188-194.

[7] 关福来，杜克明，魏瑞江，等.日光温室低温寡照灾害监测预警系统设计[J].中国农业气象，2009，30（4）：601-604.

[8] 武永峰，宫志宏，刘布春，等.基于远程监控的农业气象自动采集系统设计[J].农业机械学报，2010（10）：174-179.

[9] 梁居宝，杜克明，孙忠富.基于3G和VPN的温室远程监控系统的设计与实现[J].中国农学通报，2011，27（29）：139-144.

[10] 常国旭，董秀辉，刘红艳.加密自动气象站实时短信报警查询系统[J].安徽农业科学，2009，37（1）：427-428.

[11] 徐巧年，张海辉，胡强.基于GSM无线传输的温室环境因子监测系统设计[J].安徽农业科学，2009，37（28）：13845-13847.

[12] 张佐经，张海辉，翟长远，等.设施农业环境因子无线监测及预警系统设计[J].农机化研究，2010（11）：78-82.

[13] 宫志宏，李春，黎贞发.设施农业气象预警平台管理层预警方式设计[J].农业网络信息，2012（6）：13-15.

[14] 于合龙，王佳琪，陈程程，等.基于物联网的设施农业监控预警技术及应用[J].吉林农业大学学报，2014，36（3）：360-365.

[15] 徐高威，程勇，姜杰.设施农业实时气象信息采集与发布系统的设计[J].电子设计工程，2014，22（12）：9-12.

[16] 罗宝华，童以长，张深寿，等.地市级气象灾害短信预警系统[J].气象科技，2007，35（5）：755-758.

[17] 杨安祺，王钟斐，王彪，等.基于短信模式的农产品交易系统设计与实现[J].计算机工程与设计，2010，31（9）：2144-2146.

[18] 刘雪洁，刘衍珩，王鼎.基于C/S与B/S模式的纵向综合结构管理系统的实现[J].吉林大学学报，2004，34（1）：146-149.

[19] 葛磊蛟，姚素娟，毛一之，等.基于C#.NET的GSM MODEM短信猫应用设计开发[J].现代电子技术，2009（6）：94-96.

[20] 齐军岐，王婷.短信数据库技术在气象预警互动系统中的应用[J].软件导刊，2013，12（4）：135-136.

[21] 王刚，张鹰，潘刚，等.SMS自动回复在企业销售平台中的设计与实现[J].陕西科技大学学报，2010，3（28）：131-134.endprint