基于GPRS的荔枝园防盗远程监测系统

唐 宇，骆少明，黄伟锋，张培锋，王克强

(仲恺农业工程学院 自动化学院，广州 510225)



基于GPRS的荔枝园防盗远程监测系统

唐 宇，骆少明，黄伟锋，张培锋，王克强

(仲恺农业工程学院 自动化学院，广州 510225)

针对种植规模大的荔枝园劳动力短缺以致安保管理困难的问题，提出了一种基于GPRS网络的防盗远程监测系统。该系统由单片机控制模块、GPRS通信模块、传感器模块、显示模块、报警模块及远程数据中心6部分组成，借助GPRS数据业务，实时地将荔枝园现场的防盗信息发送至远程数据中心，实现对异常情况的报警。测试结果表明：系统的平均数据传输时间为29.91s，6种传感器相邻安装模式中能正常报警的模式有两种。一种模式是传感器间距为3cm且夹角为30°，人到传感器距离为40cm；另一种模式是传感器间距为6cm且夹角为30°，人到传感器距离为70cm。该系统安全性高，使用灵活，相比传统的监控系统更有优势。

远程监测；AT89S52；防盗；GPRS；荔枝园

0 引言

近年来，随着农机电子产品自动化的快速发展，农业生产对电子设备的需求领域逐渐变宽，越来越多的人们选择大面积的果园进行水果种植[1-2]，我国岭南地区的荔枝园产业规模化明显。由于荔枝种植业具有地域分散[3]、对象多样和环境因子不确定等特点，园内盗窃案经常发生[4-6]。传统的防盗报警产品多采用四周布线方式，应用断线报警原理，达到防盗目的，其布线工作量大且容易暴露，断线成本迅速提高。因此，设计一种安装拆卸方便、体积小和性价比高且具有一定实用价值的无线防盗报警系统将对于农业生产具有一定的现实意义。

GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统[7]。它采用蜂窝式小区结构，在用户密集的地区采用小区制，提高了频率利用率，容量也不存在问题[8-9]，主要提供语音、短信息及数据等多种业务。基于GPRS的数据传输功能可做成各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，能广泛用于远程监控[10]、定位导航及个人通信终端等。

本文设计了一种基于GPRS网络的荔枝园防盗远程监测系统，包括信号采集处理、GPRS无线发送接收及报警显示部分。红外热释电传感器采集人体红外信号后，输入给处理器，通过GPRS数据业务进行无线信息传输和报警，把报警地点的具体位置发送到荔枝园安保人员的手机屏幕上，使安保人员实时监控果园状态，从而解决荔枝园的防盗问题。

1 系统方案设计

报警系统由处理器模块、人体红外感应模块、GPRS模块、显示模块、报警模块和远程数据中心等6部分组成，如图1所示。处理器模块以AT89S52单片机为核心，通过异步串行口(UART)与GPRS模块连接，实现远程数据通信；通过普通I/O口控制其它模块的工作，实现系统的全部软硬件功能。

荔枝园现场的盗情信息被传感器实时采集后，通过GPRS 分组数据包进行协议转换，然后把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP 网络。SGSN(Serving GPRS Support Node，GPRS服务支持节点) 和GGSN(Gateway GPRS Support Node，网关GPRS支持节点)利用GPRS隧道协议(GTP) 对IP分组进行封装，并以端到端方式实现数据分组的发送和接收数据。

1.1 单片机与GPRS模块的接口设计

AT89S52单片机以RXD、TXD和GND三线形式的异步串行口与Motorola公司的GPRS模块G20进行数据双向全双工通信[11-12]，发送指令，使G20模块完成联网挂接、注册登录和短消息收发等相应操作，同时监听接口，接收来自G20的回传数据。由于AT89S52与G20模块分别采用DC+5V和DC+3.3V供电，两者的I/O电平不一致，不能直接与电气连接，需通过电平转换电路进行数据通信。转换电路如图2所示。电路的核心是EL817C高速光耦，实现两端电气隔离与信息耦合传输。AT89S52的TXD口电流输出能力较弱，需经过7404同相驱动器才能正常点亮光耦中的发光二极管。G20开发板具有通信接口电平切换、通信接口选择、来电显示和信号显示等功能，其TXD口通过一个8050NPN型三极管实现逻辑反相和驱动电流增强。

图1 系统组成结构

图2 单片机与GPRS模块接口

1.2 单片机与人体感应模块的接口设计

AT89S52通过普通I/O口P1.0接收人体感应模块HC-SR501的感测信息，其接口如图3所示。HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品，可实现全自动感应、光敏控制、温度补偿和双模式触发等功能，具有工作电压范围宽、功耗低和输出电平通用性强等特点。

图3 单片机与人体感应模块接口

1.3 单片机与显示模块的接口设计

LCD1602显示屏是显示模块的核心，可显示阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等信息，系统采用该模块的“2行16个字”的模式显示相关检测数据和报警信息，显示模块与单片机的接口电路如图4所示。

图4 单片机与显示模块接口

1.4 报警电路设计

系统中的报警电路核心为直流蜂鸣器，采用直流电压驱动，结构简单，通过执行相关程序使单片机驱动蜂鸣器实现报警，具体电路如图5所示。

图5 报警电路

2 系统的软件设计

荔枝园防盗远程报警系统的果园端软件采用C语言编写，分为单片机主程序和子程序两大部分。主程序主要完成系统中各功能单元的初始化工作，并不断循环检测人体感应模块输出的检测信息，一旦发现异常便启动报警并发送警示短信，如图6所示；子程序实现系统的各个子功能，主要包括传感器信息采集程序、液晶显示程序和报警模块程序等。

图6 主程序流程图

2.1 传感器信息采集子程序

系统中的传感器为HC-SR501和DS18B20两种，HC-SR501的输出信号只有高、低电平两种状态，信息读取较为简单；DS18B20采用串行总线的硬件结构和软件协议，需按步骤进行初始化和读、写操作。DS18B20 的操作中，延时分两种：短时间延时和较长时间延时。单片机系统所用的晶振频率为12 MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：初始化子程序、写命令或数据子程序和读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始。单片机读取温度信息控制程序流程如图7所示。

图7 温度采集子程序流程图

2.2 显示子程序设计

系统中采用的显示器件LCD1602液晶内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，单片机发出指令通过字符寻址的方法将要显示的字符点阵分布信息读出并显示出来，其程序流程如图8所示。

图8 显示子程序流程图

2.3 报警模块程序设计

系统的报警功能以发送GPRS远程数据信息[17]和奏响本地蜂鸣器两种方式实现。第一种方式中，通过单片机向G20发送以ASCII字符代码组成的标准格式的AT指令实现，步骤如下(使用UDP协议)：

1)“at+mipcall=1,cmnet” 建立一个GPRS无线链接。

2)发送指令“at+mipopen=1,2000,”219.222.

73.240”,6800,1”打开一个端口(Socket)。

3)发送指令“at+mipsend=,”将要发送的数据压入G20的发送堆栈。这里的是前面已经打开的端口序号，设定为1；是所要发送的数据，设定为报警信息字符串“Theft alarm！”的ASCII码。

4)发送指令“at+mippush=1”使G20将既定数据信息发送出去。

5)发送指令“at+mipclose=1”，关闭端口。

6)发送指令“at+mipcall=0”，关闭GPRS网络连接。

报警子程序流程如图9所示。

图9 报警子程序流程图

3 系统运行测试

将调试好的系统程序固化到AT89S52的EEPROM后通电，等待所有模块初始化完毕后，进行全系统运行测试。人为多次触发感应模块，发现系统均能及时响应并做出警示：发送短消息和奏响蜂鸣器。通过在不同时段对系统进行15次发送报警的发送时间与接收时间间隔记录，其结果如表1所示。测试结果表明：发送接收时间间隔最大值为32.2s，最小值为28.5s，平均发送接收时间间隔29.19s。

表1 传输测试数据

位于广州市从化区街口镇的从化华隆果菜保鲜有限公司的荔枝园出入口现场的人体感应模块探头为阵列式分布(见图10)，相邻的两个探头之间的距离、夹角和人到传感器之间的距离对监测结果有影响，通过试验找出安装参数的适当组合，如表2所示。测试结果表明：当相邻两个探头靠的太近时，无法正常报警。6种传感器相邻安装模式中能正常报警的模式有两种：一种模式是传感器间距为3cm且夹角为30°，人到传感器距离为40cm；另一种模式是传感器间距为6cm且夹角为30°，人到传感器距离为70cm。

图10 人体感应传感器安装示意图

传感器间距/cm夹角/(°)人到传感器的距离/cm测试结果31540报警不正常33040报警正常34540报警不正常61550报警不正常63070报警正常64590报警不正常

4 结论

基于GPRS的荔枝园防盗远程监测系统克服了传统有线传输方式布线的限制和无线电电台数传方式的局限性，实现了对荔枝园现场安保环境的监测。测试结果表明：该系统结构模型合理，软硬件设计可行，具有灵活的扩充性和伸缩性，能较好地满足荔枝园及其它果园远程监视报警的需要。系统安装方便，易于扩展，成本较低，不仅能应用在果园防盗领域，还可以推广到楼宇、仓库和货港等场合，应用前景广阔。

[1] 吴伟斌，冯运琳，许棚搏，等.山地果园履带运输机底盘行走机构的设计与仿真[J].农机化研究,2016,38(12): 112-116.

[2] 周良富,张玲,薛新宇.3WQ-400 型双气流辅助静电果园喷雾机设计与试验[J].农业工程学报,2016,32(16): 45-53.

[3] 刘影,唐莉,王毅，等.果园主要灌溉方式及其节水节肥效果[J].北方果树,2016(4):1-3.

[4] 刘维洲,左红玉.苹果园鸟害的防治方法[J].果树实用技术与信息, 2016(7):33-34.

[5] 胡波,白振江.果园实行间作套种的优势与模式[J].新农业,2016(11):24-25.

[6] 邓云明.春季果园管理技术研究[J].中国农业信息,2016,11(5):67-68.

[7] 徐保岩，宋月鹏，陈苗苗,等.基于ZigBee和GPRS的果园信息远程化决策系统设计[J].农业装备与车辆工程,2015,53(12):20-24.

[8] 李震，洪添胜，文韬，等.基于物联网的果园实蝇监测系统的设计与实现[J].湖南农林大学学报：自然科学版,2015,41(2):89-93.

[9] 任肖丽，陈佳喜，王骥，等.基于GPRS技术在线环境监测系统的研究[J].现代电子技术,2015,38(4):60-65.

[10] 白云鹏，张玉新，赵洋，等.基于移动终端的数字果园管理系统[J].无线互联科技,2016,38(12):119-121,134.

[11] Cubero S，Aleixos N，Albert F，et al. Optimized computer vision system for automatic pre-grading of citrus fruit in the field using a mobile platform [J].Precision Agriculture，2014，15(1)：80-94.

[12] 潘鹤立，景林，钟凤林,等.基于ZigBee和3G/4G技术的分布式果园远程环境监控系统的设计[J].福建农林大学学报：自然科学版,2014,43(6): 661-667.

A Remote Alarm System Against Theft for Litchi Orchard Based on GPRS

Tang Yu， Luo Shaoming， Huang Weifeng， Zhang Peifeng， Wang Keqiang

(College of Automation, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Aiming at the security management difficulties in large-scale litchi orchards with labors shortage, a remote anti-theft alarm system based GPRS was proposed in this paper. The system was composed of single chip microcomputer module，GPRS communication module，sensor module，display module and alarm module. The human body infrared induction probe was adopted to monitor orchard information in real time.The GPRS communication module was used to send abnormal location information to the users’ mobile phones. Results showed that average data transmission time was 29.19s.Two modes could normally alarm in adjacent installation mode of six sensors. One mode was that the sensor spacing was 3cm with 30°sensor angle and 40cm-distance between the people to the sensor. Another mode was that the sensor spacing was 6cm with 30° sensor angle and 70cm-distance between the people to the sensor. This system was safe and agile，and it has more advantages over traditional monitoring systems.

remote monitoring; AT89S52; guard against theft; GPRS; litchi orchard

2016-08-26

国家星火计划项目(2015GA780054)；广东省公益研究与能力建设专项(2015A020209175，2015A020209179，2016 B020202008)；广东省协同创新与平台环境建设专项(2016 A040402044)

唐 宇(1982-),男，江西萍乡人，副教授，博士后，青年珠江学者，(E-mail) tangyu_mycauc@163.com。

S126

A

1003-188X(2017)07-0098-05