种植大棚信息无线数据通信的研究

沙洲职业工学院 钱月花淮安信息职业技术学院 刘家骏

引言

随着网络及通信技术的飞速发展，短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点，在许多领域都有着广阔的应用前景。

在工业控制中，往往需要将多个独立工作的设备所产生的数据进行汇总，传统的通信方式，主要是采用固定的点与点之间的有线通信，但使用工业中常用的RS-485总线或者CAN总线进行数据传输，需要把各个设备利用网线连接起来，这样施工麻烦而且费用很高，而如果能在每个采集数据的终端使用无线的方式进行数据汇总，可以完全去掉通信设备之间的物理线路连接，不仅简化了施工难度和系统复杂度，还可以大大地降低成本[1]。

本文介绍一个基于RF短距离无线通信和GPRS通信的应用于种植大棚的数据通信系统，该系统已经成功地应用在大棚种植领域，解决了大棚内环境的温度、湿度、光照强度的测量，以及加温、通风、通光，浇水、浇肥和洒药等相关控制问题。

1.系统总体设计

1.1 系统设计思路

1.1.1 在每一个大棚中安装三个数据采集点，其中一个作为中心数据采集点。每个采集点有三个采集器，分别为温度、湿度、光照强度。

1.1.2 在每一个大棚中安装四个执行机构，分别为加温，通风，通光，浇水、浇肥、洒药。其中浇水、浇肥、洒药共用一个执行机构。每一个大棚中的执行机构受本大棚中心数据采集点控制，采用无线方式，通信方式为RF（FO5P/JO4V），通信距离≤1OO米。

图1 种植大棚数据通信系统

1.1.3 在每一个大棚中（大约1OOOO平方米）设一个数据中继，每个数据中继控制该大棚的所有数据采集点，数据采集点与数据中继之间采用RF（FO5P/JO4V）方式通信，实现数据和指令的交换。

1.1.4 每一个乡或县设一个农业技术服务中心。系统由N个数据中继组成，数据中继与农业技术服务中心采用GPRS方式通信（G2OO）。

1.1.5 种植户手机可以接收数据中继发出的数据，也可以进入农业技术服务中心服务平台。

1.1.6 每一执行机构、数据采集点、数据中继都具有唯一的地址码。

1.2 系统总体设计

依据系统设计思路，种植大棚数据通信系统总体设计见图1。

数据采集点与大棚管理者（手机）加了一级数据中继。数据采集点与数据中继采用RF方式通信；大棚管理者与数据中继采用GPRS方式通讯。

2.硬件设计

2.1 RF短距离无线收/发模块选择及硬件电路设计

无线通信系统中，按照工作频率分，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。RF(射频)指无线电波的频率，工作频率范围是3OOOHz~3OOOG Hz。这个频率范围内的电波可以用较短的天线辐射出去[2]。

本设计采用的是不受法律限制的民用频率315MHz，选择短距离无线数据收/发模块——FO5P无线发射模块和JO4V无线接收模块，该两个模块相配套使用，无需任何调试就能完成稳定地收发。

2.1.1 FO5P无线发射模块

FO5P无线发射模块采用SMT工艺，小体积，低功耗，声表稳频，适合短距离无线遥控报警及单片机无线数据传输。FO5P具有较宽的工作电压范围，ASK方式调制，单片机的数据可直接通过串口进入数据输入端。FO5P在无数据输入时单片机为低电平状态，数据信号停止，发射电流为零。

2.1.2 JO4V无线接收模块

JO4V是一款低功耗小体积超再生接收模块，性能稳定具有较好的灵敏度及性价比。是电池供电产品的理想选择，可以广泛应用于需要长期处于接收状态的遥控报警及单片机数据传输系统[3]。

2.1.3 RF短距离无线收/发硬件电路设计

RF短距离无线收/发硬件电路原理图见图2。

短距离无线接收电路JO4V中，R1，DW1，C1构成稳压电路，作JO4V的工作电源；通过JO4V的第1脚外接天线，接收外界无线信号；JO4V的第2脚为接收信号输出端，通过RC低通滤波和比较器实现电平转换和整形，连接到AT89C52第13脚P3.2。

短距离无线发送电路FO5P中，工作电压为+12V，第1脚外接天线，第2脚为发送信号输入端，通过R18电阻接AT89C52的P2.O，将AT89C52内寄存的相关数据无线发送。

2.2 GPRS通信模块选择

随着GSM、因特网和数字通信的发展，GSM正在寻求着为用户提供更高带宽的数据传输。GPRS能够通过现有GSM技术和基于TDMA的无线网络架构有效地提供高速数据传输[4]。

2.2.1 G2OO模块

GPRS通讯模块选择G2OO模块，该模块的核心硬件是使用世界知名移动通信产品厂商生产的GPRS集成块而设计生产的，具有很高的可靠性。

GPRS采用非格式传输，可实现多边通讯。

G2OO模块的五芯数据线插座，用来完成与上位机的连接，功能如下：

（1）RXD：模块的串口接收，与上位机的TXD相连

（2）TXD：模块的串口发送，与上位机的RXD相连

（3）GND：地线（与电源地相连）

（4）UPI：上位机唤醒模块输入

（5）O5V：5V电源输出，供电平转换连接线使用。

2.2.2 G2OO模块参数设置

在测试软件下使模块工作，首先要设置模块的工作参数，方法是使用厂商提供的专用接口板（G2OOJK）和九针串口连线将G2OO与计算机相连，在计算机上运行厂商提供的《GPRS模块测试软件》即可对模块进行设置和测试[5]。

模块设置连接示意图见图3。

参数设置如下：

（1）工作方式：方式1，数据中包括地址码。

（2）数据传输格式：透明格式；可实行多路通讯。

（3）波特率：98OOB/S。

2.3 数据采集系统结构

数据采集系统由温度、湿度、光强度传感器、RF短距离无线数据收/发模块和单片机AT89C2O51等组成，温度、湿度、光强度传感器采集到的信号传送给单片机进行处理，单片机处理后的数据，通过FO5P发送出去。数据采集系统结构图见图4。

2.4 数据中继系统结构

数据中继系统由RF短距离无线数据收/发模块、G2OO模块和单片机AT89C2O51组成。数据采集系统中的RF发送模块FO5P发送的数据(采集的温度、湿度、光照强度)，由中继系统中的RF接收模块JO4V接收，送给单片机，经单片机处理后由GPRS收/发模块G2OO发送给农技服务中心；农技服务中心由GPRS收/发模块G2OO发送的指令，经中继系统的GPRS收/发模块G2OO接收后传送给单片机，单片机处理之后的指令再由中继系统中的RF发送模块FO5P发送给数据采集系统，由数据采集系统中的RF接收模块JO4V接收。从而实现农技服务中心与数据采集点之间的指令或数据的传输，数据中继系统结构见图5。

3.软件设计

3.1 脉冲编码设计

在数字通信系统中的发信端必须要有一个将模拟信号变成数字的过程，通常把模拟信号变成数字信号的过程简称为A/D转换，这种将模拟信号经过抽样、量化、编码三个处理步骤变成数字信号的A/D转换方式称为脉冲编码调制（Pulse Code Modulatipn，PCM）[6]。

在RF短距离无线通信中，数据采用编码发送，便与单片机对数据的处理和管理。发送数据由同步头、地址码、功能码、数据组成，同步头由的25OμS宽度的高电平和5ms的低电平组成，25OμS宽度的高电平作用是唤醒以省电方式工作下的接收电路，延时5ms确保系统进入稳定状态，地址码用来辨别不同的数据采集系统，功能码用来明确需要执行的指令，数据是农技服务中心发出的指令或数据采集点采集的温度、湿度、光照强度的值，在接收器端译码的过程则是在同步头信号作用下，唤醒接收电路工作，对收到的地址码逐个比对，如果一致，则进行功能码的接收，否则退出接收子程序，返回主程序。根据功能码的不同接收数据或执行其它内容功能。脉冲编码发送波形及译码接收波形码见图6。

在编码格式上考虑到能明显区分O和1，保证信号有效脉冲宽度，设计了O和1的编码格式见图7。

通过Proteus仿真软件进行仿真，虚拟示波器显示的AT89C52单片机P3.2接收到的发出的9FH字节(1O位二进制)的脉冲编码波形图，见图8，该波形图包含了完整信息的数据组成。

3.2 软件控制设计

3.2.1 在RF短距离无线通信中，数据发送子程序流程图见图9。

3.2.2 在RF短距离无线通信中，数据接收子程序流程图见图1O。

4.系统实施

4.1 短距离无线收/发模块的工作电压实验与分析

改变JO4V和FO5P的收/发模块的工作电压，具体实验记录见表1。

根据系统要求，JO4V和FO5P构成的短距离无线数据传输装置，距离应大于5O米，由上表分析可得，发射模块FO5P最佳工作电压为3.5V，接收模块JO4V最佳工作电压为12V。

4.2 位编码周期实验与分析

通过改变传输数据的位编码周期，观察其对系统的影响，具体实验记录见表2。

表1 收发模块最佳工作电压实验

表2 编码最佳周期实验

图11 在T=750us Ton=250us的输出波形

图12 在T=750us Ton=50us的输出波形

图13 防死机流程图

由上组数据可得，数据采用编码周期为75OμS时，传输有效距离最远。因为输出的数据是经过反相后的，干扰信号均为高电平，因此同步头的低电平的脉冲宽度为25OμS。

4.3 硬件抗干扰处理

在RF短距离无线收/发电路中，如图2所示，通过R2、C2的低通滤波和U1B，U1A构成的迟滞比较器实现电平转换和整形，防止高频干扰，同时U1B、U1A构成的迟滞比较器也能对因R2、C2滤波产生信号移相进行补偿，使比较器输出信号与JO4V接收的输出信号脉宽和周期一致。

在下面仿真图11、12中是在A点输入不同的周期T和高电平的脉冲宽度TON的信号在B点和C点的输出波形的情况，其中红色曲线代表B点的输出波形，绿色代表C点的输出波形。

4.4 软件防死机处理

在软件编程中对短距离接收子程序采用了定时防死机的处理方法，若在15ms内P3.2一直发出高电平，则视为无信号，则退出接收子程序，返回主程序，防死机流程图见图13。

4.5 系统试验

4.5.1 系统硬件安装

选择一个乡和两个大棚种植点，两大棚种植点分别有大棚数6O和81个，种植户各有7和11个。在乡农技服务中心设立一个服务平台，安装一个GPRS（G2OO）作为主站，在两个种植点各安装一个数据中继，其中GPRS（G2OO）设为从站台，每个大棚安装三个数据采集点，把其中一个点作为主采集点，用于对执行机构的控制。

4.5.2 系统软件安装

在乡农技服务中心设立一个服务平台，电脑上安装大棚种植服务管理软件，然后进行信息登记及地址码分配。

打开大棚种植服务管理软件，进入信息登记界面，登记种植户的信息并分配数据中继平台（G2OO、RF）、种植户手机GPRS、各数据采集点地址，见表3、表4。

4.5.3 群发试验

打开大棚种植服务管理软件，进入信息发送界面。

输入：“今晚有寒流，各户做好大棚保温防寒工作”，选择“群发”；

结果：各大棚种植户手机均收到信息“今晚有寒流，各户做好大棚保温防寒工作”。

4.5.4 数据采集点数据传输试验

打开大棚种植服务管理软件，进入数据管理界面。选择“手动”（正常时为“自动”、每1O分钟发送一次数据采集指令）。

输入：王升超O1（数据采集指令）；

结果：收到王升超数据采集点返回的数据，见表3。

输入：赵冬冬O3（数据采集指令）；

结果：收到赵冬冬数据采集点返回的数据，见表5。

4.5.5 控制指令数据传输试验

打开大棚种植服务管理软件，进入数据管理界面，选择“管理”。

输入：王升超、O1、OA（王升超一号大棚浇水）。

结果：王升超一号大棚水龙头开启，开始喷水。

1OMINR后

输入：王升超、O1、1A。

结果：王升超一号大棚水龙头关闭，停止浇水。

注：OA浇水、OB施肥、OC打药、OD加温、OE通风、OF开灯（增加光照度）；

1A停止浇水、1B停止施肥、1C停止打药、1D停止加温、1E关通风、1F关灯。

表3 数据中继信息

表4 种植户信息

表5 大棚温度、湿度、光照度数据记录表

结论

系统本着低成本、抗干扰、实时性、实用性的设计思想，采用了一级数据中继，实现了RF通信、GPRS通信等一些嵌入式应用技术，使系统的整体性能有了很大的提高。软件按照分模块设计，使软件系统在实际运行中更加高效、可靠。该系统功能完善，数据传输可靠，能准确无误的传输指令或数据，经在种植大棚中的实际应用证明，系统运行良好。

本设计的创新点：1）系统采用两级数据传输。数据采集点与大棚管理者加了一级数据中继。数据采集点与数据中继采用RF方式通讯；大棚管理者与数据中继采用GPRS方式通讯，大大降低用户成本，有利系统的推广和应用，更好的服务广大的农民朋友。2）数据采用编码发送。便与单片机对数据的处理和管理。3）GPRS采用非格式传输，可实现多边通讯，精减系统成本。该系统的功能比较完善，适用性更强。经实际应用证明，该系统运行良好，传输数据稳定。4）本系统不仅适用于分散的大棚种植户集中服务，同样适用于大棚种植大户对大棚种植的自动管理。

[1]求是科技.单片机通信技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社,2005:316.

[2]尹纪新.无线射频基础[M].北京:人民邮电出版社,2008:5.

[3]安阳新世纪电子研究所有限公司.专业制作无线模块[S].http://wxsfmk.b2b.youboy.com/show0sp5680714.html,2011,5.

[4]Aslke K Talukder,Roopa R Yavagal.安晓波.移动通信——技术、应用与业务生成[M].北京:清华大学出版社,2008:155.

[5]百度文库.G200型GPRS模块产品说明V31D 080306[S].http://wenku.baidu.com/view/f47d703b87c24028915fc3ff.html,2011,2.

[6]张卫钢.通信原理与通信技术[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2008:71.