马春龙“教育厅项目申报书(基于GPRS的土壤信息采集系统).doc

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项 目 申 报 书学科名称：电子、通信与自动控制技术项目名称：基于GPRS的远程土壤参数信息监测系统申报学校：长春大学光华学院项目负责人：马春龙所在单位：长春大学光华学院联系电话表日期：2010年9月18日吉林省教育厅制2009年1月填 写 说 明一、项目申报书一式八份，其中七份只要盲审部分（本申报书中的第5页至最后一页）。盲审部分文字中不能含有申报学校名称和与项目有关人员姓名，以便评审。采用A4纸，左侧装订，对于篇幅不够的栏目可自行加页。二、学科代码和名称按国际学科代码及名称填写，只填写前3位代码。三、院校学术委员会意见：学术委员会应对课题的意义是否重要，方法路线是否可行，课题完成的条件是否充分，申请经费数额是否合理明确提出意见，学术委员会主任签章。四、学校意见：学校主管科研工作的校长审查，签属具体意见并签字盖章，加盖学校公章方能生效。五、承担省教育厅科研项目尚未结题的负责人，不予受理申报。12项 目 组 主 要 成 员序号姓 名性别年 龄职务职称学 位专 业为本项目工作时间（人年）在项目组中职务及分担的任务所 在 单 位1马春龙男40副教授硕士检测技术2项目负责人 总体设计长春大学光华学院2李晓光男43教授博士检测技术2负责检测模块的设计长春大学光华学院3于书翰男39讲师硕士计算机应用2上位机系统程序设计长春大学光华学院4张淑艳女30讲师硕士电路与系统2上位机系统程序设计长春大学光华学院5张启英女30讲师硕士检测技术2检测模块系统设计长春大学光华学院6王超男29助教硕士电子信息工程2检测模块系统设计长春大学光华学院7田继亚男32工程师本科计算机应用2设备测试长春大学光华学院8柳在华男63教授本科军械工程2设备测试长春大学光华学院 合计： 8 人年项目负责人及团队科研业绩情况（从事过的主要研究、开发及产业化工作及所负责任和所发挥的作用，研究成果和获发明专利等情况，在国内外主要刊物上发表论文情况等。）1项目负责人科研业绩情况项目负责人：马春龙主要研究项目有：（1） 某型飞机结冰信号器试验器作为该项目的主要研制者，仅用一年的时间就完成了该项目，该项目于2002年11月被评为部级三等奖，第二研制人。（2） 某型飞机设备维护模拟器作为课题组组长，负责该项目的组织运转，同时也是该项目的主要研制人，圆满地完成了该项目，于2005年9月该项目获得部级科技进步二等奖。2课题组成员科研业绩情况关秀峰：教授，在1997年、1998年获军队科研成果三等奖2项、四等奖1项；发表学术论文近20篇，其中核心刊物四篇；于书翰：主要研究方向是数据挖掘技术,参与研究吉林省教育厅立项课题数据挖掘技术在中医处方中的应用，发表科研、教研论文多篇。霍金明：主要研究方向是数字信号处理，参与省科技厅项目基于HOS和Radon变换的图像处理。发表科研论文2篇。李伟光：主要研究方向是图像处理，参与研究吉林省教育厅立项课题数据挖掘技术在中医处方中的应用，发表科研、教研论文多篇。张文锋：本科，长春燃气股份有限公司技术科长、工程师，主持长春燃气股份有限公司燃气传输控制系统的研制。田继亚：工程师，参与省教育厅项目智能安全帽的研究。发表科研论文2篇。赵国谦：光华学院信息工程系教授，博士，中国通信学会电磁兼容学会理事，主持长春热力公司无线传输控制系统研制。目前产品运行良好。张子荐：现任光华学院信息工程系教授。获吉林省优秀教学成果三等奖1项，吉林省科技进步三等奖1项。本课题组教师多年积累了大量的科研成果和经验，获得省部级以上奖励多项,承担多项科研项目,包括国家级课题5项,出版书籍近10部,发表文章近70余篇。学校学术委员会意见：马春龙同志所提出的科研课题，是经过对社会需要调查提出的，是针对实现吉林省增产百亿斤商品粮能力建设工程的国家战略提出的，具有广泛的应用前景。该课题组对该课题的相关背景资料全面地掌握，对该课题的关键问题有很明确的解决方案、研究内容、路线和方法清晰、具体、可行，采取的技术先进，创新性强。课题组成员具有研究该课题的知识基础和研发能力，能够按期完成课题任务。 学术委员会主任 年 月 日学校意见： 签 章 年 月 日编 号一、项目基础信息项目名称基于GPRS的远程土壤参数信息监测系统学科名称电子、通信与自动控制技术学科代码510 研究类型应用研究申请经费2万元技术领域信息协作单位吉林农业大学成果形式新产品起止时间2011-3-1至2013-3-1二、项目的目的意义及主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势1项目的目的意义（1）项目的目的该项目所研制的系统能够实现对土壤的主要参数，如温度、湿度、硝酸盐氮、磷酸盐、钾等参数远程自动监测，并根据参数及近段时间天气信息情况，系统能够提出农（林）业工作计划（包括耕种时机、防虫害、防洪捞灾害、抗旱等等工作预案、计划），以实现农业（林业）的增产增收、提高农（林）业技术管理的工作效率及自动化水平，特别是以实现“吉林省增产百亿斤商品粮能力建设工程”的国家战略目标为目的。(2) 项目的意义土壤的主要参数，如温度、湿度、硝酸盐氮、磷酸盐、钾等都是影响植物生长的主要因素，温湿度对植物生长的影响是综合的，而所有植物都必须的三种主要营养物质是硝酸盐氮、磷酸盐和钾。因此，监测土壤的主要参数对农林业的生产具有重要的意义。本系统的研制，可以实现对大片农田、林场的土壤参数情况进行有效的远程监测，从而确保随时了解整个地区的农田、林场的土壤参数情况，该项目不仅能为各级农业技术部门提供可靠的土壤参数信息，为农业技术管理的决策提供可靠的依据，而且，用户还可以在现场直接了解本区域土地的参数，直接指导用户的农业、林业生产，还会为GPRS网络运营商带来业务稳定的集团用户，是实现政府、广大农业（林业）用户、网络运营商三赢的好项目。本监测系统可广泛应用于气象、环境、农业、林业、水利、电力、科研等需要测量土壤水分、温度等参数的领域。综上所述，先进的土壤参数监测系统对于农业（林业）的增产增收、农（林）业技术的管理、提高工作效率及自动化水平、特别是对实现“吉林省增产百亿斤商品粮能力建设工程”的国家战略目标都具有积极的意义。2主要研究技术内容的国内外发展现状与趋势主要研究内容是：利用GPRS网络，实现对土壤参数的远程监测。在国外，全球几乎所有的GSM运营商都在实施GPRS，已处于成熟应用阶段。基于GPRS的远程控制系统也已应用在各个领域，特别是在现代农业技术上的应用，比如加拿大，土壤参数的测量就是基于网络的，技术也很成熟。在我国，中国移动、联通公司先后在7个省市用不同供应商的GPRS设备组织了GPRS网，并都取得了可喜进展。目前，我国土壤参数的测量都是基于便携式检测仪监测，实时性差，监测范围小，随着GPRS网络的发展，基于GPRS的远程控制系统也就大有用武之地了，而基于GPRS的土壤参数监测系统在国内尚无成熟的应用技术。综合国内外GPRS技术，土壤参数监测系统的发展情况，在我省开发本项目的时机是成熟的。 三、主要研究内容、拟解决的技术难点和关键技术，以及预期达到的目标、主要技术、经济指标和水平1 主要研究内容土壤数据采集系统、GPRS网络的安全数据传输及主控中心服务器系统。2拟解决的技术难点和关键技术，以及预期达到的目标（1）技术难点：GPRS长时间在线但不产生流量时，可导致网络的中断，造成无法实时传送数据。（2）解决办法:可在系统中设定“心跳”功能，通过单片机的定时器来实现，每隔一段时间向服务器发送一个TCP数据包，以保证系统的网络连接不断线。“心跳”频率应根据实际情况来设定，频率不宜过高，以免产生过高的额外流量。 (3)预期达到的目标GPRS网络不中断，实现实时数据传输。3.主要技术、经济指标和水平电源供电：DC9-12V工作电流：数据收发时280MA ；空闲时50MA ；断电时20MA工作环境温度范围（工业级）：-40 - +70检测参数精度：5%湿度范围：0-95 非冷凝信号传输整体延时：2秒左右GPRS网络传送速率实际应用值：40Kbps左右四、项目拟采取的研究方法（或技术工艺路线、实施方案）及其可行性和风险分析（一）系统实现的功能 可对各地区土壤参数远程测量、计算、结合天气情况分析计算，给出农（林）业生产计划、并能实现报表、数据库查询、打印等功能。（二）基于GPRS的土壤参数信息采集系统的设计TCP/IPRTU 1RTU nGPRS网 Internet网主控制中心图1 土壤信息采集系统结构框图该系统主要由三部分构成，分别是：位于数据采集现场的数据采集控制RTU，网络运营商提供GPRS、Internet网络系统，主控中心系统。如图1所示。1.数据采集控制RTU硬件设计该部分主要由C8051F040单片机系统、GPRS模块、数据采集模块、电源模块、键盘、显示设备（LR-035AR）、外扩存储芯片（AT25F512、 IS62LV512）等组成。如图2所示。RTU作为监控系统的重要组成部分，以C8051F040处理器为控制核心，配合GPRS模块以及相关的信号采集和终端控制电路完成数据的采集，信息处理、分析计算、传输工作。下面着重介绍GPRS模块、数据采集模块、电源模块。图2数据采集RTU框图温度传感器湿度传感器氧气传感器盐份传感器硝酸盐氮传感器磷酸盐传感器钾传感器数据采集模块RTU C8051F040单片机系统SIMMC55GPRS模块键盘显示存储器电源1.1 GPRS模块GPRS模块作为数据的无线收发模块，主要由MC55模块和SIM卡组成，负责把C8051F040发送过来的IP包或基站传送的分组数据进行相应的处理后再转发。该系统采用内嵌TCP/IP协议栈的MC55模块，此模块是现在市面上最小的GSMGPRS模块，支持语音、短消息、传真和数据传输，通过AT指令可以很方便地对其进行控制。1.2 数据采集模块数据采集模块主要负责采样土壤参数。主要由温度传感器、湿度传感器、氧气传感器、盐份传感器、硝酸盐氮传感器、磷酸盐传感器、钾传感器及变换调理电路组成。其中，变换电路选用C8051F040内部集成的ADC实现。数据采集模块把采集到的信号送给C8051F040处理后，通过GPRS模块发射到GPRS网络、Internet网络传送到主控中心计算机处理。1.3 电源模块方案一是使用一次性电池，采用亿纬锂能电池。 亿纬锂能电池具有易更换、易施工等特性，但系统要求电池的供电周期要达到1年以上。方案二是使用数据采集终端当地交流电，大部分采集终端都有交流电，可直接解决系统的电源问题。本系统拟采用方案二。2.数据采集控制RTU软件设计图3 数据采集控制RTU流程图键盘处理程序YNYNN等待URCY数据采集存储开始系统初始化有键按下？定时时间到？发送成功？发送数据MC55初始化建立TCP连接该设计主要完成单片机系统上电初始化，MC55的初始化配置、建立TCP/IP连接，数据采集等程序。由于网络通信采用的是c/s模式，此处需要设置MC55的Intemet服务类型为基于TCP的socket客户端。（具体设置方法略）RTU有2种工作方式，若进行现场操作，可以通过键盘手动控制RTU的工作状态，比如打开或关断与服务器的连接，数据采集等。若实现远程监测功能，RTU可以定时将采集的数据通过GPRS模块发送给监控中心，实现数据的定时上报。其工作流程如图3所示。3.网络的安全数据传输设计方案一是利用公开的Intemet网络。远程控制系统可以直接连接到这个公网，且利用网关可以访问中心服务器。优点是较经济、实用。缺点是系统的安全性比较低。方案二是APN专线方式，在此种方式中，由网络供应商提供一个专用的APN。每个远程设备可以利用这个专用的APN建立一条到网关的保密信道。另外，在网关和中心服务器之间也需要有虚拟专用网(Virtual Private Network，VPN)和防火墙来增强连接的可靠性。APN和VPN技术的应用使监控系统可以完全与外部数据网隔绝，真正实现了安全的数据传输。其原理如图4所示。本系统拟采用方案二。4.主控中心系统的设计4.1 功能主控中心监测软件对采集到现场数据进行处理，实现对土壤参数的分析计算、并根据参数及近段时间天气信息情况，能够提出农（林）业工作计划（包括耕种时机、防虫害、防洪捞灾害、抗旱等等工作预案、计划），同时具备报表、图表曲线、数据库查询、系统安全设置等功能。4.2 服务器程序实现过程在VB6.0环境下，使用Socket( )控件实现主控中心与数据采集终端的通信。（1）服务器程序必须设置好LocalPort属性，作为侦听端口，该值为可设为1025。（2）使用Listen方法进入侦听状态，等待客户机程序的连接请求。图5主控中心服务器流程图设置LocalPort属性开始Winsockserver.Listen等待客户请求Accept获得请求IDSendData/GetData/Close（3）客户机（数据采集模块）程序发出连接请求，使服务器程序产生ConnectionRequest事件，该事件得到一个参数requestID。 （4）服务器程序用Accept方法接受客户机程序的requestID请求。这样，服务器程序就可以用SendData方法发送数据了。（5）当服务器程序接收到数据时，产生DataArrival事件，在该事件中，可以用GetData方法接收数据。 （6）如果接受到Close事件，则用Close方法关闭TCP/IP连接。主控中心RTU 1RTU n专用APN网关VPN通道服务器移动内网IP图4 安全数据传输模型服务器流程如图5所示。（三）其可行性和风险分析上述设计方案是在我们对GPRS网络应用知识、智能监测知识有充分的实践运用的基础上提出的。所设计的各分系统都曾在其他项目中有过良好的实践，所采用的元器件都是非常成熟的产品，从技术角度说是可行的。另外，由于充分利用了现有的GPRS网络,使得本项目建设成本低、建设周期短、覆盖范围广、通信费用低。 综上所述，本设计方案是可行的。五、项目进度及提供成果形式1、项目进度本项目研究周期拟定为2年方案的论证：3个月；硬件设计：6个月；软件设计：6个月；综合调试：6个月现场使用调整2个月，项目结题准备1个月。2、成果形式 样机系统一套六、预期研究成果应用转化的前景预测及分析（包括国内外应用或市场现状、潜在用户、市场前景及风险预测，经济、环境效益和社会作用及影响分析等）目前，我国并没有基于GPRS网络的土壤参数采集、综合分析、计算、管理的本系统。我们已