（农业电气化与自动化专业论文）基于gps、gprs的农田信息采集管理系统.pdf

一ij丫llll11ih8iii11ioifoll116ih2llu 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在两年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囹 学位论文作者签名：缘崭纯 指导教师签名： ，2p pg 年6 月i r e l 夕声。君年艿月归 孑 l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：绵薪弓氖 日期：2 口9 笤年月f ，日 江苏大学硕士学位论文 摘要 我国农业存在生产规模小，生产和管理技术落后，生产效率低，水肥资源浪 费严重等一系列问题，其已影响到我国国民经济可持续发展。精细化农业作为世 界农业的发展方向，也为解决我国农业问题指明了方向。 为推进我国精细化农业的发展，简单有效地实施精细化农田作业，本课题根 据我国精细化农业研究发展的现状，研究分析了影响农作物生长的主要农田信息 及其采集方法，并结合精细化农业对农田信息采集、分析和管理等方面的需求， 以农田温度、土壤含水量和p h 值传感器作为农田信息获取手段，结合当前比较 成熟的g p s 定位技术、g p r s 无线通信技术和数据库管理技术，研究开发了基于 g p s 、g p r s 的农田信息采集管理系统。主要研究开发成果为： ( 1 ) 研究分析了影响农作物生长的主要因素，在研究了g p s 原理及其应用 技术、g p r s 原理及其应用技术基础上，合作设计开发了农田信息采集终端硬件 电路和软件系统，实现了农田信息的实时采集、显示、传输。 ( 2 ) 按照软件工程的思想，分析研究了信息管理系统的开发模型与开发方 式，采用了渐进式开发模型。在研究数据库原理和应用技术的基础上，以v i s u a l b a s i c 为开发平台，a c c e s s 为数据库管理系统，设计开发了适用于农田地理和属 性信息存储、分析、管理和报警等应用的服务器管理平台，实现了农田信息的实 时存储、处理和报警，并可根据需要生成各种农田信息报表。 进行了信息采集终端和服务器管理平台的联机试验，试验结果表明，本系统 解决了农田信息实时获取和延时问题，实现了农田信息的远距离实时传输和接收 到农田信息的实时管理，达到了预期的效果，实现了预定的目标，经过局部优化 可直接用于精细化农业农田信息管理。作为精细化农业农田信息管理的一部分， 整个系统集g p s 全球定位技术、g p r s 通用分组无线业务、计算机网络和数据库 等技术于一体，可实时的进行数据的采集、显示、传输和管理，具有一定的实用 价值和推广价值。 关键词：精细化农业g p r s 技术g p s 技术信息采集终端信息管理系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea ear a n g eo fp r o b l e m si nc h i n a sa g r i c u l t u r es u c ha ss m a l l s c a l e o p e r a t i o n , l e s s - d e v e l o p e dp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n tt e c h n i q u e ，l o wp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y ，t h es e r i o u sw a s t eo fw a t e ra n df e r t i l i z e ra n ds o o n i th a sa f f e c t e dt h e s t r a t e g yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，a n e wt r e n do ft h ew o r l d sa g r i c u l t u r a ld e v e l o p m e n tp o i n t st h ew a yf o rs o l v i n gt h e p r o b l e mo fc h i n e s ea g r i c u l t u r e i no r d e rt o p r o m o t ec h i n a sp r e c i s i o na g r i c u l t u r e a n dc a r r yo u tp r e c i s i o n a g r i c u l t u r es i m p l ya n de f f e c t i v e l y ， af a r m l a n di n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n a n d m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do ng p s a n dg p r st e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fc h i n a sp r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，i ta n a l y z e st h e f a r m l a n di n f o r m a t i o nw h i c ha f f e c t sc r o pg r o w t ha n dt h ec o l l e c t i o nm e t h o d t h e i n f o r m a t i o ni sb a s e do nt h ed e m a n do nf a r m l a n di n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，a n a l y s i sa n d 江苏大学硕士学位论文 i n f o r m a t i o ns t o r e ，a n a l y s i s ，m a n a g e m e n ta n da l a r ma n ds oo n a l s oi tc a nc r e a t et h e r e p o r tf o r m sa c c o r d i n gt ot h en e e d a no n l i n e e x p e r i m e n to nc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ni n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n t e r m i n a la n ds e r v e rm a n a g e m e n tp l a t f o r mi sp e r f o r m e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mc a ns o l v et h ep r o b l e mo fi n f o r m a t i o nd e l a ya n da c q u i s i t i o n ，t r a n s m i tr e a l t i m e f a r m l a n di n f o r m a t i o na n dm a n a g ei ti m m e d i a t e l y ，s oi ta c h i e v e st h ed e s i r e dr e s u l t s ， r e a c h e st h ed e s i r e dg o a la n di tc a nb ea p p l i e dt of a r m l a n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to f p r e c i s i o na g r i c u l t u r et h r o u g hl o c a lo p t i m i z a t i o n a sap a r to fp r e c i s i o na g r i c u l t u r e f a r m l a n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，t h ew h o l es y s t e mi n t e g r a t eg p st e c h n o l o g y ， g p r st e c h n o l o g y ，i n t e r n e tn e t w o r ka n dt h ed a t a b a s em a n a g e m e n t ，a n dc a na c q u i r e ， s h o w ，t r a n s m i ta n dm a n a g ei n f o r m a t i o ni n r e a lt i m et h e r ei ss o m ev a l u ef o rp r a c t i c e k e y w o r d s ：p r e c i s i o na g r i c u l t u r e g p st e c h n o l o g yg p r st e c h n o l o g y ，鼍。， i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nt e r m i n a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m i i i 江苏大学硕士学位论文 i v 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 第五章 5 1 5 2 5 2 5 3 5 4 5 5 第六章 6 1 6 2 江苏大学硕士学位论文 第七章总结与展望5 3 7 1 全文总结5 3 7 2 研究工作展望5 4 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 7 致谢5 9 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 农业现代化过程中，有一些专业的技术问题需要解决，如农田环境信息的采 集、农田地理信息的采集、农田环境污染监测、精细化耕作、精细化施肥、病虫 害监测等。它促使工程技术人员对农田信息系统进行深入的研究，利用信息技术 和全球定位技术，开发出新的适应现代化农业的新的技术体系，带动农业可持续 的发展。由此产生了一种将现代信息技术、生物技术、农业科学技术和农机工程 装备技术应用于农业生产的精细化农业( p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ) 。它已成为发 达国家合理利用农业资源、提高农作物产量、降低生产成本、改善生态环境的主 要农业生产形式，使农业生产进入一个崭新的发展阶段。 准确、及时、可靠地获取农田气候、土壤特性、病虫害情况等信息是实现精 细化农业的基础。精细化农业的技术思想是：获取农田小区域农作物产量和影响 作物生长的环境因素( 如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等) 实 际存在的空间和时间的差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，采取技术上 可行、经济上有效的调控措施，区别对待，按需实施定位调控的“精细农作 【l j 【2 】。精细化农业解决了人口的大量增长和耕地面积的大幅减少之间的矛盾，使农 业的生产效率越来越高，单位面积的产出比也越来越高。 我国是一个农业大国，人口占世界人口总量的2 2 ，而耕地面积仅占世界总 量的7 ，需要用世界7 耕地养活世界2 2 人口，我国农业发展任重道远。我 国农业生产特点是：以家庭为单位，小规模作业。这样不利于新的生产和管理技 术的推广。我国农业生产的现状是：生产规模比较小、生产和管理技术落后、生 产效率低、水肥资源浪费严重。因此，我国农业生产需要一种新的方法和技术用 于解决上述问题，精细化农业作为世界农业现代化的发展方向，为我国农业指明 了出路。 怎样推动我国精细化农业快速地发展，怎样通过简单操作实现精细化农田作 业，成了我国农业面临的主要难题。为了解决上述的部分问题，本文设计了基于 g p s 、g p r s 的农田信息采集管理系统。它可作为精细化农业的一部分，满足了精 江苏大学硕士学位论文 细化农业对农田实时性信息的需求，并可对采集的信息进行实时管理。 1 2 课题的国内外现状 美国2 0 世纪8 0 年代初提出精细化农业的概念和设想。美国国家研究院于 1 9 9 7 年建议将精细化农业的研究与发展纳入国家战略。欧洲各国随后也相继开 始了精细化农业的研究与实践。日本政府还专门启动了“2 1 世纪农业机械紧急 开发课题”的研究，也将精细化农业的相关技术的研究列入计划【3 】- 【5 1 。 目前，精细化农业在国外发达国家发展十分迅速，其应用已涉及到施肥、播 种、耕作、水分管理等相关领域。在美国、加拿大等国，精细化农业已逐渐为各 农场经营者了解和熟悉。北美的精细化农业技术在施肥上的应用最为成熟。在美 国和加拿大的大型农场上，农场主在农业技术人员的指导下，应用g p s 取样器 将田块按坐标取样，约0 5 2 公顷取一土壤样品，分析各取样单元格( 田间操作 单元) 内土壤理化性质和各大、中、微量养分含量，应用g p s 和g i s 技术，做成 该地块的地形图、土壤图、各年的土壤养分图等。同时在联合收获机上装上g p s 接收器和产量测定仪，在收获的同时每隔1 2 秒g p s 定点一次，同时记载当时当 地的产量，然后用g i s 做成当季产量图。所有这些资料均用来作为下一年施肥 种类和数量的决策参考。作施肥决策时，调用数据库内所有有关资料进行分析， 主要按照每一操作单元( o 5 2 公顷) 的养分状况和上一季产量水平，参考其它因 素，确定这一单元内的各种养分施肥量，应用g i s 做成各种肥料施用的施肥操 作指挥系统( g i s 施肥操作图) 。然后转移到施肥机具上，指挥变量平衡施肥。变 量施肥机有用传统的施肥机改装的一次作业施一种肥料的简易型和新研制的大 型多种肥料同时变量施肥的机具两种类型【6 】【9 】。 国际上几个大型的农机制造企业相继生产出带有定位系统和产量传感器的 收割机与其它支持精细化农业生产的智能化农业机械，并研制了相应的信息处理 系统。精细化农业在大农场生产中得到广泛的应用，形成了许多成熟的技术。据 统计，到1 9 9 5 年，美国已经有很多农场不同程度地应用了精细化农业技术。在 西方发达国家，精细化农业技术思想逐渐被农场管理人员了解和接受，并且成立 了许多提供精细化农业为基础的服务机构。近年来，不仅西方发达国家日益重视 精细化农业的技术实践，而且在韩国、巴西及马来西亚等国亦已开始了试验示范 2 江苏大学硕士学位论文 研究【l o l 。1 9 9 4 年美国精细化农业的作业面积达到1 0 0 万英亩，而1 9 9 8 年则增到 2 0 0 0 - 2 5 0 0 万英亩，己有5 的农场实际引入了精细化农业技术。 美国八十年代初提出精细化农业的概念和设想，九十年代初进入生产实际应 用，目前还处在研究发展阶段，部分技术和设备己经成熟和成型，但还没有形成 系统。美国实施精细化农业是根据需要、经济、实用的原则来进行的，很少把所 有的技术都全套应用，这是值得我们在精细化农业实践中重视的一个问题。 在国内，精细化农业思想经过多年的传播，已经有很多人对它有了一定的了 解。科技和产业界对精细化农业的研究也变更加重视。国家在8 6 3 计划中已列入 了精细农业的内容，国家计委和北京市政府共同出资在北京搞精细化农业示范 区，北京和上海精细农业示范工程项目，己开始启动实施。农作物生长性状遥感 监测、土壤养分和水分快速监测、作物生长模型、专家系统、决策支持系统、施 肥、喷药、灌溉的智能化技术研究已在中国农业大学、中国科学院、中国农业科 学院、北京市农林科学院、河北农业大学、合肥智能研究所等单位展开。 由上海交通大学机器人研究所刘成良博士等科研人员承担的中国科学院知 识创新工程项目，于2 0 0 1 年9 月研制出我国首台精细化农业联合收割机智能测 产系统。该系统基于国内的联合收割机机型，运用了遥感技术、地理信息系统、 全球卫星定位系统和计算机自动控制系统等信息技术，利用装在联合收割机车项 上的全球卫星定位系统装置，可以确定每一平方米地块，通过谷物产量传感器、 湿度传感器等，能准确记录每块地的稻谷产量，并显示在驾驶室内的显示屏上。 用电子盘存储数据，当一块稻田收割完毕，用计算机进行数据处理，可累计水稻 亩产量，进行产量统计分析、绘制产量分布图等。该课题组下一步将把测产仪通 过无线的方式与计算机联网，管理人员在办公室即可了解粮食产量及其分布，这 对大面积耕种的农场或农业园区的生产管理将更方便、更科学 i l l 。 我国在精细化农业的应用研究方面已取得了不少研究成果，但在整体应用水 平上，特别是与发达国家相比差距依然很大。西方发达国家在精细化农业方面的 成功经验是我们很好的借鉴资料。但我国农业有自己的特点，不同于美国、欧洲 一些经济发达国家，因此我们需要根据我国的国情走有中国特色的精细化农业道 路，使研究成果能够推广，转化为生产力。 江苏大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容 本课题在精细化农业的理论和技术原则的基础上，结合我国的国情，充分利 用现有的g p r s 移动通信网络，设计了基于g p s 、g p r s 的农田信息采集管理系 统。下面对本课题的研究内容作了简单的介绍，它主要包括： ( 1 ) 对精细化农业理论与实现，进行了深入的探讨，详细调研了国内外精 细化农业现状，分析了我国农业的国情，提出了本课题的研究方向和目的。 ( 2 ) 分析了影响农作物生长的主要因素和这些因素包含的农田信息，探讨 了这些农田信息的测量方法。综合分析各种因素，设计制定了系统的总体框架。 通过比较，选择了农田信息的采集、传输、处理、存储方式。 ( 3 ) 合作设计了农田信息采集传输终端。根据信息采集、处理、传输等要 求，选择了c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为微处理器，m c 3 5g p r s 模块作为信息传输模块， g s u 3 6 作为定位模块。信息终端的软硬件以模块为单位进行设计，降低了系统 模块之间的耦合性，有利于软硬件各模块的升级。 ( 4 ) 设计开发了服务器端信息管理平台。以v b 作为管理软件开发环境， 快速的开发出了基于图形用户界面的农田信息处理的数据库管理系统。对数据库 的设计和数据库数据的处理作了深入的分析。并对应用程序系统架构的设计进行 了初步的探索，尽量使管理平台操作简单。 ( 5 ) 进行了农田信息采集终端和服务器管理平台的联机通信试验。通过试 验，验证了系统的可行性，达到了预期的目的，并为以后的系统升级和其它相关 系统的开发积累了宝贵的经验。 ( 6 ) 对设计和实验过程及结果进行了简单的总结，提出了一些系统升级的 建议，并为今后相关系统的设计提供了参考意见。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章农田信息分析及系统的总体设计 2 1 影响农作物生长的主要因素 影响农作物产量和生长的环境因素有土壤结构、地形、植物营养、含水量、 病虫草害等。分清了影响农作物生长的主要因素，能更好的帮助我们进行精细化 农业农田管理系统的设计和开发。精细化农业的本质是对农作物的生产采用变量 作业，针对农田内不同地方采用变量物质投入，从整体上降低物质的浪费，发挥 资源的最大潜力。和上述因素有关的农田信息可分为三类，农田地理信息、农田 土壤信息、农田环境信息。农田地理信息影响农作物生长主要因素有农田的河流 分布、方位、高度、地形等；农田的土壤信息影响农作物生长主要因素有土壤水 分、土壤含氮磷钾量、土壤p h 值、土壤含水量、土壤的压实度等；农田的环境 信息影响农作物生长主要因素有气候、环境温度、风速、湿度、光照、二氧化碳 浓度、病虫害情况等【l l 】【1 2 】。 2 2 农田地理信息及其测量方法 农田地理信息包括农田所处的地理位置( 如经度、纬度、高度等) 、农田的一 地貌特征及环境的分布( 如河流、湖泊、道路等) 。它们对农作物的生长起着十 分重要的作用，能直接影响到生物系统的分布。因此对农田地理信息的采集，有 助于合理的配置农作物的品种和种植季节，同时可以掌握各种农田面积、形状、 灌溉等信息，有助于估算作业量或预测作物的产量。 对于农田地理信息的采集有多种手段，传统的有经纬仪、水准仪、罗盘针、 光电测距仪等对农田进行静态的测量，对于大范围的区域，还可以采用航拍、遥 感等技术进行观测。也可利用g p s 全球定位系统对农田地理信息进行准确快速 测量。g p s 定位系统具有如下的优点【1 3 】【1 4 】： ( 1 ) 定位精度高，观测时间短：g p s 能连续地为拥护提供三维位置、三维 速度和精确时间信息；利用g p s 进行导航定位，1 秒即可完成一次定位，对高 动态用户尤其重要。 ( 2 ) 被动式全天候导航定位：由g p s 导航定位时，用户设备只需接收机 5 江苏大学硕士学位论文 g p s 信号就可进行导航定位，而不需用户发射任何信号。这种方式隐蔽性好， 而且可容纳无数多用户。 ( 3 ) 全球覆盖连续导航定位：由于g p s 有2 4 颗卫星，且分布合理，轨 道高达2 0 2 0 0 k m ，所以在地球上和近地空间上任何一点，均可连续同频地观测4 颗以上卫星、实现全球、全天候连续导航定位。 由于上述优点，g p s 技术应用越来越广泛，越来越多地人使用g p s 卫星定 位系统进行农田地理信息( 如经纬度信息、面积信息、高度信息等) 的采集。 2 3 农田土壤信息及其测量方法 土壤是农作物赖以生长的基础，我国的土壤类型有红壤、棕壤、褐土、黑土、 灌瘀土、水稻土、盐碱土等。中国南方热带、亚热带地区的重要土壤资源，自南 而北有砖红壤、燥红土( 稀树草原土) 、赤红壤( 砖红壤化红壤) 、红壤和黄壤等 类型。褐土又称褐色森林土，分布于中国暖温带东部半湿润、半干旱地区，形成 于中生夏绿林下。黑垆土以深厚的淡黑色垆土层而得名。首先形成于半干旱草 原植被下，后又经长期耕种熟化的土壤，主要分布在陕北、晋西和陇东一带的黄 土地区。中国温带森林草原和草原区的地带性土壤，包括灰黑土( 灰色森林土) 、 黑土、白浆土和黑钙土。以强烈的腐殖质累积过程为特点。 不同地区的土壤种类和它的矿物质含量均不相同，土壤的性质对农作物的生 长有重要的影响。它是由固相、液相、和气相物质组成的体系。固相部分有许多 大小不等的无机矿物质颗粒和有机质颗粒两部分组成，对于一般的农田土壤来 说，无机矿物质部分占约9 5 以上，是构成土壤的最基本的物质。液相主要有土 壤水，土壤水是重要的组成部分，是农作物吸收水的主要来源。土壤水参与了许 多化学、物理及生物学过程，它的变化和运动直接影响了土壤的各种反应过程和 农作物生长。气相主要是空气，存在于土壤的空隙中，对农作物的生长发育、土 壤中微生物的活动、养分的转化及土壤温度的变化都有很大的影响。 土壤信息用于表征土壤状况和性质的系列参数，包括物理性质和化学性质。 在精细化农业中，需要采集的土壤信息有土壤的类型、有机质含量、土壤的氮磷 钾含量、含水率、p h 值、含盐量等。对于土壤信息的采集目前还主要依靠试验 分析手段，使用传感器技术对土壤性质进行现场快速的测量是国内外研究的重 6 江苏大学硕士学位论文 点。 土壤的水分测量是精细化农业中实施节水灌溉的基础，可以用直接测量方法 也可用间接测量方法。直接法是通过干燥或化学反应后直接测出绝对含水量，烘 干称重法是国际上测量土壤水分的标准方法。间接法是通过测量与水分变化相关 的物理量的变化间接地测量水分含量，如采用驻波间接测量土壤中的水分含量。 土壤p h 值是标志溶液酸碱度的基本参数，目前有多种测量溶液的p h 值传 感器，如光学p h 值传感器、玻璃电极p h 值传感器、酶p h 值传感器等。玻璃 p h 值传感器具有测量范围广、重复性好、稳定性高、精度高等特点，因此得到 了广泛的应用。土壤的电导率测量有四电极原位测定法和配比溶液测定法。四电 极法可直接对农田的土壤进行测定，简单方便；配比溶液法是：将样土风干、筛 选、加入蒸馏水，按一定的水土比例配置成土壤溶液，然后测定溶液的电导率值。 土壤压实是指土壤颗粒之间的j , 孑l 丢失，从而引起空气和水不能自由流通。 土壤压实严重时，就会引起作物生长缓慢，影响作物的发育，降低土壤的生产能 售 力。压实过小，会造成土壤流失等。一般采用灌沙法、环刀法、落锤式测量方法 等间接方法来测量压实度。 2 4 农田环境信息及其测量方法 农田的环境信息可分为大气环境信息和水环境信息。大气环境信息是指距农 田地面几米至几十米范围的大气特征，主要包括环境的温度、湿度、光照、二氧 化碳浓度、风速等。这些因素对农作物的生长十分重要，如农作物的化学过程都 需要在一定的温度条件下才能完成，如果低于最低温度或高于最高温度，植物的 生理代谢活动将不能正常进行。大气环境信息随时间和地点及空间的不同会有较 大的变化。精细化农业中，对大气环境的监测有助于及时掌握环境的变化并采取 措施为作物提供最佳的生长条件。水环境是指以水为中心的物理环境和化学环 境，在精细化农业中，主要测量信息有水的p h 值、电导率、温度、溶解氧、环 境污染程度等。 风速的大小对农作物的影响也是很明显的。目前测量风速的仪器主要有风杯 风速计、螺旋桨风速计、热线风速计和声学风速计等。检验光照度可用来分析光 合作用的效果，比较各种光照度下的农作物生长情况，得出最适宜的光照条件。 7 江苏大学硕士学位论文 它的测量一般采用敏感元件，大多数为硅光电池。 农田环境温度对农作物的生长也十分重要，可采用的温度传感器很多，部分 设备内含热敏电阻电路来检测温度。也有一些i c 化的温度感测器，如a d 5 9 0 温 度传感器。 2 5 农田信息传输方法 农田地理环境复杂，信息传输采用有线传输方式，则需要架设专门的传输线 路，施工、维护难度都较大。无线移动网络信号已经覆盖了我国大部分地区，采 用现有的移动无线通信技术传输农田信息，是近年来农田信息传输研究中的热点 问题。使用移动通信技术传输信息，传输距离不受限制，投资少，维护费用也很 低。 常用的无线传输方法主要有s m s 短消息方式和g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 数据传输业务方式。s m s 方式传输数据，方法简单容易实现，但信息传 输量小、短信阻塞和延时问题时有发生，影响了信息及时传输，本系统采用了 g p r s 数据传输业务进行农田数据传输。 g p r s 数据传输业务不同于原有的g s m 电路交换方式，它利用存储转发原 理，把不同终端的数据分割成等长标准数据格式，通过非专用的逻辑子信道进行 数据快速交换，即将信息分成数据分组或信息包，再加上目的地址、分组编号、 控制比特等的分组头，沿不同路由进行传送，接收端按分组编号重新组装成原始 信息。分组通信的实质是依靠高处理能力的计算机来充分利用宝贵的通信信道资 源。基于分组交换的g p r s 业务理论上的速率可达到1 7 1 2 k b p s 【1 4 】【1 5 1 。 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n 和s g s n 来实现的，使得 用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。g g s n 通过基于i p 协议的 g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接g s m 网络和外部分组交换网( 如因特网和 局域网) 的网关。g g s n 主要是起网关作用，也有将g g s n 称为g p r s 路由器。 g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些 分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。s g s n 和g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现二者之间的数据传输。 与原有g s m 的数据业务相比，g p r s 技术具有以下优点【1 4 】【1 7 】： 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 资源利用率高：g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路 交换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，与电路交换模式相比， 用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这样可以多个用户共享同一个无线 信道，大大的提高了资源的利用率。另外，如果g p r s 用户的计费以通信的数 据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少 的原则。这样，g p r s 用户的 连接时间无论多长，却只是支付相对低廉的连接费用。 ( 2 ) 传输速率高：g p r s 可以提供17 1 2 k b p s 的速率。这意味着通过便携 式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传 输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。 ( 3 ) 接入时间短：g p r s 的接入时间缩短为小于1 秒，能够提供快速的即 时连接。可大幅度提高一些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率，并可使 己有的i n t e m e t 应用( 如e m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 ( 4 ) 支持x 2 5 协议和i p 协议，可与外部数据网进行互联。由于存在大量 的分组数据网( p d i v ) ，支持x 2 5 协议，可使己存在的x 2 5 应用能在g s m 网 络上继续使用。由于g s m 网络覆盖面广，所以g p r s 能提供i n t e m e t 和其它 分组网络的全球性无线接入。可以认为，g p r s 加强了这种趋势，即移动网络和 数据网络的融合。 ( 5 ) 用户永远在线，计费合理，采用流量计费。通信费用低廉。 利用g p r s 业务传输数据，可以通过两种不同的方法把农田数据发送到远程 的数据中心服务器。一种是服务器和网络直接相连，采集终端先发送数据到移动 中心，中心根据信息地址信息把数据传送到因特网固定i p 地址的服务器中。 g p r s 基于t c p i p 数据分组协议信息传输业务，它把g p r s 网络和i n t e m e t 网络 有效地连接在一起，使分组数据可以自由地在两种网络之间传输。另一种是服务 器连接有无线g p r s 终端，和信息采集终端g p r s 模块进行端对端的通信，此种 适合于服务器没有开通因特网的情况。 2 6 农田信息管理系统的整体设计 分析了影响农作物生长的主要农田信息，结合我国农业生产的现状，为推进 精细化农业的发展，充分利用了现有的g p r s 通信网络和逐渐普及的g p s 全球 9 江苏大擘硕士学位论文 定位技术，设计了基于g p s 、g p r s 的农田信息采集管理系统。 本课题根据实际情况，把农田信息采集管理系统分成独立的两部分分别来设 计，一是农田信息采集传输终端，二是服务器农田信息管理平台。 信息采集传输终端设计思想为t 它既可以单独作为一个农田信息采集智能仪 表，又可作为信息传输工具。它主要负责采集农田的经度、纬度、温度、土壤 p h 值、土壤含水量等信息，把经处理农田信息显示在终端的液晶屏上，并通过 g p r s 模块发送打包的数据。 服务器信息管理平台的设计思想，作为一个管理平台，操作要简单实用，不 但能进行接收信息的管理，还能接收和发送信息。它主要负责信息的接收、处理 和管理，并发送提醒信息指导农田负责人进行工作。接收信息主要为农田环境信 息和属性信息。环境信息包括纬度信息和经度信息。属性信息包括温度、光照、 土壤p h 值、土壤水分等信息。接收到的农田信息，经分析处理存入服务器数据 库，平台会判断接收数据是否在正常农田信息范围，不正常则发送提醒信息给负 责人，提醒工作人员进行相应的农田作业。工作人员使用管理平台对数据库信息 进行整理，并可根据要求生成相关信息报表。 农田信息通过终端传送到服务器数据库的过程如图2 一l 所示，终端取样农田 各传感器对应通道的信息，并对采样信息进行处理得出实际的反映值，然后对这 些数据进行t c p i p 封装，经g p r s 模块发送出去。数据经过通信基站传输，经 服务g p r s 支持节点( s g s n ) 传输到g p r s 网络服务中心，在经过服务中的g p r s 支持网关( g g s n ) 传输到g p r s w l a n 移动网关( w m g ) ，经此网关进入通用 因特网，经路由器把数据传送到对应的服务器。 传感器8 彳叁 器叁一 通信基站 多 g p r s 图2 - 1g p r s 信息传输示意图 l o 江苏大学硕士学位论文 第三章农田信息采集终端的设计 3 1 信息采集终端硬件的总体结构 信息采集终端包括进行无线通信的g p r s 模块m c 3 5 i 、实现农田采样点准确 定位的g p s 模块g s u 3 6 、c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机、扩展的数据和程序存储器模块、 液晶显示模块、采集农田信息的各种传感器、电源模块和时钟电路。信息采集终 端硬件结构如图3 1 所示： 嚣h 反相器卜 r r 土 j 圄 囵 上 地址 倒 锁存 d 时s 毽2 甜c 8 8 7h 器 广 7 4 h c 叫鼎 l l 、i m c u 3 7 1 1 2 8 6 4 液晶i 1 。 c 9 0 5l f 0 2 0 l 显尔模块i - , 7 l 传感器l l ”4 ”1 倒 按键 一 i 。 - l ：e o 图3 - l 信息采集终端结构图 信息采集终端的原理：系统上电启动，首先对微控制器c 8 0 5 1 f 0 2 0 进行初 始化配置；其次对g p s 模块、g p r s 模块、各传感器模块进行初始化设定。系统 根据按键选择，调用相应的功能函数。采集方式分为自动采集和手动采集，自动 采集模式，采集定时到，根据具体的采集标志，启动相应的模块采集对应的地理 信息和农田属性信息，手动模式则根据选择相应的信息；若需传送信息，则根据 选择的信息传输方式g p r s 数据传输业务或短消息，经g p r s 模块m c 3 5 i 把信 息传送到远程数据中心。信息中心可通过因特网向信息采集器或信息接收终端向 信息采集终端发送控制命令，对各模块和系统运行的参数进行重新修改设置。 系统终端硬件设计主要是由课题组其他人员负责完成，本人主要参与了终端 软件整体规划和部分功能的设计实现，因此本论文在终端设计说明中重点介绍部 分功能模块的软件设计，为了编程需要，也简单的对相关器件进行了说明。 江苏大学硕士学位论文 3 2 信息采集终端软件总体结构 终端软件开发，采用k e i lu v i s i o n 2 开发环境，开发语言为c 5 1 。终端软件系 统包括模块的初始化，对g p s 接收板的数据进行处理和存储，通过m c 3 5 ig p r s 模块的接收控制命令和发送检测数据，对实时时钟芯片的读取和校正，l c d 液 晶显示模块及键盘处理程序等。其中模块初始化包括对c 8 0 5 1 f 0 2 0 的初始化、 g p so e m 板的通讯初始化过程、g p r s 模块的初始化、时钟芯片的初始化、l c d 液晶显示模块的初始化等。采集终端主控程序流程图如3 2 所示。 开始 上电复位、对各模块进行初 始化配置、定时器启动 r s 枵 含a e , g r j g p r s 模块进行相应 的仞始化置 土! 兰： 执行键盘处理程序 图3 - 2 信息采集终端主控程序流程图 为了提高编程效率，提高程序的可重用性，编程时尽可能的把各个功能，细 分为一个或多个耦合性小的函数，这样如果系统有变化时只需改变相关的函数， 而不需要修改程序的其他部分。 3 3 微处理器模块及按键处理模块设计 ( 1 ) 终端微处理器 根据系统的要求，控制核心单元选择c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，它具有1 0 0 p i n 的p q f p 封装；功耗低，供电电压为2 7 3 3 v ，全部v o 、r s t 、j t a g 引脚均允许5 v 电 压输入；有与8 0 5 1 指令集完全兼容的c i p 5 1 内核，但与8 0 c 5 1 系y u l e , 较增加 了很多的资源【1 8 】 2 2 1 。 控制核心单元c 8 0 5 1 f 0 2 0 的两个串口u a r t 0 和u a r t l 分别接g p s 接收 板和m c 3 5 模块，液晶显示模块和时钟芯片的地址数据线复用一个并行接e lp 7 。 j t a g 调试电路可进行非侵入式、全速、在系统调试，在使用j t a g 时所有的模 1 2 江苏大学硕士学位论文 拟和数字外设都可全功能运行。 ( 2 ) 终端c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片配置 c 8 0 5 1 f 0 2 0 初始化程序，首先对优先权交叉开关译码器进行配置，按优先权 将端口0 3 的引脚分配给数字外设。端口引脚分配顺序是从p 0 0 开始，可以一 直分配到p 3 7 ，没被分配到的引脚继续当作通用i o 引脚使用。可以通过对交叉 开关控制寄存器的设置将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、以及微 控制器内部的其他数字信号配置为出现在i o 的引脚。使得用户可以根据自己 的特定应用选择通用端口i o 和所需的数字资源的组合。 本系统需要配置u a i 盯o u a r t l 、s p i 、i n t 0 ，p 0 和p 1 分配给数字外设， p 2 用作键盘信号输入，p 3 作为通用i o 口，p 4 用作日历芯片控制引脚，p 5 液晶 显示，p 6 通用i o 引脚，其中一个引脚作为时钟芯片的片选信号，p 7 用作数据 输入输出口，日历芯片和液晶显示复用。 低i o 口配置，设置x b r 0 = 0 x 0 6 ，分配数字外设引脚u a r t o e n ，s p i o e n ， 允许u a r t 0 ( t x 0 、r x 0 ) 和s p i ( s c k 、m i s o 、m o s i 、n s s ) ，p 0 0 和p 0 1 分配 给t x 0 和r x 0 ，p 0 2 p 0 5 分别分配给s c k 、m i s o 、m o s i 、n s s ，p 0 6 和p 0 7 分配给t x l 和r x l ；设置x b r l = 0 x 0 4 ，分配i n t 0 连接到端口引脚；设置 x b r 2 = 0 x 4 4 ，x b a r e 允许功能选择开关控制：设置p 1 m d i n = o x f f ，p 1 口作 为数字输入。 高i o 口功能配置，设置p 7 4 0 u t = 0 x 3 a ，p 4 高p 5 低，p 6 为推挽可以起作 用；外部数据存储器配置，设置e m i o c f 为0 x 2 b ，e m i o c n 为0 x d f le m i o t c 为0 x 4 d ，数据地址复用，带块选择的分片方式，一个a l e 周期为3 个系统周期； 设置p o m d o u t = 0 x 7 5 ，允许t x 0 、s c k 、m o s i 、n s s 、t x l 为推挽输出；设 置p 1 m d o u t = o x l 4 ，允许p 1 4 ( l e d ) ，p 1 2 ( c sf l a s h ) 为推挽输出；设置 p 2 m d o u t = 0 x 2 0 ，允许p 2 5 ( g a t e ) 为推挽输出；p 3 m d o u t = 0 x 0 f ，允许p 3 0 到p 3 3 为推挽输出。 时钟系统配置，设置o s c x c n = 0 x 6 7 ，启动外部振荡器( 2 2 1 1 8 4 m h z 晶振) ， 大于6 7 m h z 的晶体振荡器未用或不稳定，f o r ( i = o ；i l m s ) ，w h i l e ( ! ( o s c x c n & 0 x 8 0 ) ) ，等待晶体振荡器 稳定；设置o s c i c n 为0 x 8 8 ，选择外部振荡器为系统时钟源并允许时钟丢失检 江苏大学硕士学位论文 测【1 9 】【2 0 l 。 ( 3 ) 按键处理程序设计： 本系统按键共有四个k e y l 与p 2 0 相连为向下键，k e y 2 与p 2 1 相连为取消 键，k e y 3 与p 2 2 相连为向右键，k e y 4 与p 2 3 相连为确定键。按键处理程序的 流程图如图3 3 所示。 开始 显示系统菜单 有按键按下? 是第一次按下? 土竺 延时1 0 m s 进入按键处理函数 判断是哪个键按f 根据按下按键从按键 结构数组中查出当前 所对应的数组值 执行当前状态所对 应的按键功能函数 二 结束 图3 - 3 按键处理程序的流程图 此函数需用到一个带有函数指针的结构变量。该结构变量包括，当前状态索 引号、按下向下键时的索引号、按下向右键时的索引号、按下确定键时的索引号、 当前