基于GPS和PDA的移动智能农田信息采集系统开发.pdf
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1、第 26 卷 增刊 2 农 业 工 程 学 报 Vol.26 Supp.2 2010年 12月 Transactions of the CSAE Dec.2010 109 基于 GPS 和 PDA 的移动智能农田信息采集系统开发 车艳双，李民赞，郑立华，邓小蕾（中国农业大学 现代精细农业系统集成研究教育部重点试验室，北京 100083）摘 要：根据精细农业发展的需要，开发了移动智能农田信息采集系统。系统以掌上电脑(PDA)为平台，集成了 ZigBee协调器模块、GPS OEM 模块和 GPRS 模块。ZigBee 协调器模块用于管理农田无线传感器网络，通过农田无线传感器网络采集农田信息，应用无
2、线节点进行数据的采集；GPS 模块用于采集并管理各采样点的位置信息，并通过虚拟差分站 VRS接收 GPS 位置的差分信息以提高定位精度；GPRS 模块用于在申请差分信息和与上位机通讯时建立远程无限网络连接。使用VC语言开发了嵌入式应用模块，实现了无线传感器的农田信息、GPS的原定位信息与差分信息的移动接收以及GPRS模块的控制管理。试验表明，系统各部分工作良好，达到了设计要求。关键词：GPS，PDA，农业，精细农业，农田信息采集，ZigBee 无线网络 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.z2.021 中图分类号：S24 文献标志码：A 文章编号：1002-68
3、19(2010)-Supp.2-0109-06 车艳双，李民赞，郑立华，等.基于 GPS 和 PDA 的移动智能农田信息采集系统开发J.农业工程学报，2010，26(Supp.2)：109114.Che Yanshuang,Li Minzan,Zheng Lihua,et al.Development of a movable farm-data acquisition system with PDA and GPS J.Transactions of the CSAE,2010,26(Supp.2):109114.(in Chinese with English abstract)0 引 言
4、 农田信息的实时采集是实施精细农业的基本需求，因此迫切需要开发方便实用的农田信息采集系统。农田数据的测量是获取农业信息资源的重要途径之一，如何准确、及时、高效地获取农业生产过程中的各项指标信息，是提高农业生产管理及决策的关键环节。国外早在二十世纪八十年代中期就已经开始研究探索利用计算机自动获取农田信息数据。硬件设备经历了从无到便携式计算机，再到具有专用操作系统的掌上计算机；工作方式从纸质记录到电子设备的记录。国内在近几年也对农田数据的采集做了很多研究。有些商用的掌上电脑（PDA）已经集成了全球定位系统（GPS）的定位功能，可是定位精度低是影响精细农业的一大难题。西北农林科技大学开发了基于 GP
5、S-OEM 模块的农田基本信息采集系统1，系统具有高性能、低成本、结构紧凑和能耗低等特点，便于长时间在农田中作业，该系统实现了对农田位置的定位和地块长度及面积的测量等功能；一些高校也应用无线传感器网络实现了对农业监测区域数据的远程获取和保存，实现了农田信息的实时采集2-3；国家农业信息化工程技术研究中心于 2003 年研究实现了便携式数字化农业信息技术产品，名叫农务通4，在国内率先研究开发了基于 PDA 的嵌入式操作系统 收稿日期：2010-10-01 修订日期：2010-11-12 基金项目：863 计划“移动式农业信息智能服务系统开发”（2008AA10Z225）作者简介：车艳双（1987
6、），女（汉），黑龙江省伊春人。主要从事精细农业的研究。Email:.通信作者：李民赞（1963），男（汉），教授，博士，主要从事精细农业的研究。北京 北京市海淀区清华东路17号中国农业大学125信箱，100083。Email: Windows CE 的农业专家数据库查询信息系统。本文为移动式农业智能信息系统，在硬件方面将无线传感器网络（ZigBee）、全球定位系统（GPS）、虚拟参考站（VRS）、长距离无线通讯（GPRS）和移动便携式计算机（PDA）集成为一体，和已往的便携式仪器相比，定位精度更高、体积更小并且功能更全面。软件方面将所有模块的控制系统结合在一起，便于模块的管理并可完成与农田服各
7、器时时的信息交换。本文对这种移动式的农业智能信息系统的开发进行了介绍，此系统可以增加农田信息测量的实时性和准确性，也可以对农田中存大的问题进行及时的反应和解决。1 系统总体设计和平台 PDA 选择 1.1 系统框架 开发移动智能农田信息采集系统，根据农田信息时时采集的要求，以及 PDA 的便携等特点，选择 PDA 作为平台，为了满足大量农田信息的时时采集和传输，实现田间移动式智能农田信息采集系统的开发，系统在PDA平台上集成了3 个模块，分别是ZigBee协调器模块、GPS-OEM 模块和 GPRS 模块，构成了移动智能农田信息采集系统。ZigBee 协调器模块用于管理农田无线传感器网络，并通
8、过农田无线传感器网络采集农田信息5-7；GPS模块用于采集并管理各采样点的位置信息8-10；GPRS 模块用于进行 GPS 差分信息的申请，以及将收集到的每个采样点边界的地理信息传送到上位机11-12，再由上位机进一步对农田信息处理和保存。系统的总体框图如图 1所示。1.2 系统模块设计 PDA 主体与各模块是通过串口进行连接的，所以可农业工程学报 2010 年 110 以通过对串口的管理和控制来进行相应模块的控制。PDA 主体选用的是以 ARM920T 为内核，Windows CE 5.0为操作系统的 PDA。图 1 系统框架图 Fig.1 Framework of the system 1
9、.2.1 ZigBee 协调器模块 ZigBee 协调器模块通过一个串口与 PDA 主体连接，串口作为控制口和数据接收口，因为控制命令与接收信息不是同时的，所以用一个串口便可以完成对 ZigBee 协调器模块的控制和农田信息的采集。1.2.2 GPS 模块 GPS 模块与 PDA 主体通过两个串口进行连接，第一个串口用作控制口，可以通过此串口对 GPS 模块发送命令，来完成相应的功能；第二个串口用作数据的收发口，可以完成GPS定位信息的接收和GPS原定位信息向VRS虚拟差分站的上传功能。因为控制命令与收发信息是同时的，所以需要用两个串口才可完成对 GPS 模块的控制。1.2.3 GPRS 模块
10、 GPRS 模块与 PDA 主体也是通过一个串口进行连接的，主要原理和 ZigBee 协调器模块一样，只是完成的功能不一样。GPRS 模块主要是将 GPS 的原定位信息的发送到 VRS 虚拟差分站13-14，再将 VRS 虚拟差分站的差分定位信息接收到 PDA 中。主要的原理图如图 2 所示。图 2 GPS 差分信息原理 Fig.2 Principle of differential GPS information 说明：PDA 先通过 GPS 接收到原定位信息，再通过PDA中的GPRS控制软件将原定位信息读入到GPRS中，再由 GPRS 模块将信息转发到 VRS 虚拟差分站，同时VRS 虚拟
11、差分站15-16将改正的 GPS 差分定位信息回发到GPRS 模块中，再通过 GPRS 模块的控制软件将信息接收并显示。2 移动智能农田信息采集系统开发 2.1 硬件系统设计与开发 移动智能农田信息采集系统的硬件部分包括 PDA 基本硬件平台以及集成在硬件平台上的 GPS 模块、ZigBee模块、GPRS 模块 3 部分。在根据系统的性能要求选择确定了 PDA 之后，需要对另外 3 个模块进行设计开发。2.1.1 GPS 模块 试验所选的 GPS OEM 模块是 NovAtel 公司生产的OEMV1 板。它体积小、功耗低，适用于 PDA、手持机等掌上设备。GPS OEM 模块有 20 针，可根
12、据 GPS 所需要完成的功能来扩展所需的硬件设备。对于精细农业，GPS的定位信息是一项重要的应用。尤其是差分后的定位信息，不仅增加了测量的准确度，也扩展了 GPS 在农业中的应用范围17。硬件扩展结构如图 3 所示。图 3 GPS OEM 模块硬件电路 Fig.3 The hardware of GPS OEM module 串口电路：由于 PDA 集成的需要，扩展两个 RS232作为通讯的接口，一个用作为移动智能农田信息采集系统向 GPS OEM 板输入所需要功能的代码指令和一些相应的串口信息的设置，另一个串口用来收发 GPS 的定位信息。复位电路：为了防止 GPS OEM 板接收到错误的指
13、令或执行错误操作而用来提高电路性能的。信号指示电路：由一个发光二极管来提示用户 GPS OEM 模块的工作状态，外界有信号并且 GPS OEM 模块可以接收到完整信息时，发光二极管亮。电源：由 PDA 主体供电，分别选用 3.3 V 和 5 V。2.1.2 ZigBee 协调器模块 ZigBee 的硬件选用的是 JN5139（32 位 CPU）。移动智能农田信息采集系统集成的部分是 ZigBee 的协调器部分。协调器的硬件扩展电路框图如图 4 所示。图 4 ZigBee 模块硬件电路 Fig.4 The hardware of ZigBee module 串口电路：ZigBee 协调器模块的集
14、成需要扩展一个RS232 作为通讯的接口，与相应的定义管脚连接便可以与 PDA 主体集成。增刊 2 车艳双等：基于 GPS 和 PDA 的移动智能农田信息采集系统开发 111 复位电路：为了防止 ZigBee 协调器模块接到错误的指令，来提高电路性能的。电源：由 PDA 主体供电，选用的是 3.3 V。2.1.3 GPRS 模块 PRS 模块选用的是中兴通讯 MG3030 模块，因为它的体积小和面积都很小，而且是邮票式的硬件接口，便集成在小型的手持机中。模块如图 5 所示。图 5 GPRS 模块 Fig.5 The hardware of GPRS module GPRS 的硬件部分有 36
15、个引脚,可以根据相应的引脚定义接到 PDA 主体中。主要的硬件连接有电源及复位接口、串口、SIM 卡接口、音频接口和天线接口。电源：输入工作电压为 6V-9V，再通过稳压芯片将其稳压在 3.9V，为 GPRS 模块供电。串口电路：GPRS 模块与 PDA 主体的通讯也是通过一个串口完成的，所以需要扩展一个串口用于对 GPRS模块的控制和数据的收发。SIM 卡：标准的 SIM 卡接口。辅助电路：包括天线接口、音频接口等。2.2 系统软件设计与实现 软件18-20包括了 3 大部分。第 1 部分是 ZigBee 协调器和 PDA 的通信过程；第 2 部分是 GPS 模块的控制和GPS 信息的接收与
16、提取；第 3 部分是 GPRS 模块的控制和应用23-24。图 6 ZigBee 模块软件流程图 Fig.6 The flow chart of ZigBee module 2.2.1 ZigBee 无线网络管理系统 ZigBee 模块通过自定义的协议与 PDA 进行通讯，用自编的嵌入式串口通讯软件进行信息的接收和显示，操作流程图如图 6 所示。所完成的功能是将节点传感器的信息接收并显示在PDA 上，可以实时的查看和接收到各节点的农田信息，包括田间的温度、湿度、土壤的电导率和土壤的湿度等。2.2.2 GPS 管理系统 GPS 软件是自编的基于串口通讯的软件，可以完成串口的设置，指令的发送，信息
17、的接收和筛选。操作流程图如图 7 所示。图 7 GPS 模块软件流程图 Fig.7 The flow chart of GPS module 所完成的功能是获取各节点的位置信息，便于使用者对农田节点位置信息的管理。软件界面如下图 8 所示。图 8 嵌入式串口通讯界面 Fig.8 Embedded Serial Communication Interface 串口设置如图 9 所示，图 9 串口设置界面 Fig.9 Serial setting interface 农业工程学报 2010 年 112 2.2.3 GPRS 管理系统 GPRS 无线通讯功能是实现与 VRS 系统的连接；发送移动站身
18、份、权限验证信息及自身概略位置给 VRS 数控中心并接收 VRS 差分改正信息；实现设备网络状态自检，并能在连接丢失的情况下重新与 VRS 网络建立连接。本课题中模块与 CPU 之间的通信波特率设置为115200bps。初始化正确完成后，微处理器通过串口向模块发送 AT 命令，实现设备与 VRS 数控中心的连接。软件流程图如图 10 所示。图 10 GPRS 模块软件流程图 Fig.10 The flow chart of GPRS module 通过 AT 指令完成 TCP 数据的发送和接收，主要使用的 AT 指令有：1）AT+ZPPPOPEN：打开 GPRS 数据连接；2）AT+ZPPPC
19、LOSE：关闭 GPRS 数据连接；3）AT+ZPNUM：设置 AND、用户名和密码；4）AT+ZIPSETUP：和目标 IP 地址建立 TCP 服务器链接；5）AT+ZIPSEND:向目标地址发送 TCP 数据；6）AT+ZIPCLOSE：关闭 TCP 链接等等。VRS 差分数据是遵守 Ntrip 网络传输协议18-20的，下面将具体介绍 NTRIP 协议的实现过程，主要包括以下几部分21-22：1）与 VRS 控制中心的 NtripCaster 建立 TCP/IP 链接。2）以 HTTP/1.1 的格式声明要求接入的数据流节点。3）上传客户端软件名称及版本。4）发送经 BASE64 码编码
20、后的用户 ID 及密码。5）如果用户请求的数据流节点存在，NtripCaster 将返回确认标识。6）以 NMEA 格式的 GPGGA 语句发送用户概略位置信息。7）NtripCaster 向用户发送差分改正信息数据流。步骤 1 和 7 由 GPRS 模块完成。步骤 2 至 6 包含在用户发送给 VRS 控制中心的头文件中。2.3 试验结果和分析 2.3.1 GPRS 管理系统 ZigBee 协调器模块试验 试验时，用 3 个 ZigBee 模块进行组网，1 个是已集成在 PDA 内部的协调器部分，另 2 个是节点部分。节点上带有温度传感器、湿度传感器和土壤电导率传感器等。将节点放在不同的位置
21、上，打开硬件开关，通过 PDA 上自编的串口调试工具进行 ZigBee 信息的接收。接收到的信息如表 1 所示,并且接收到的信息会每秒更新一次。表 1 ZigBee 传感器信息 Table 1 ZigBee information 数据 标识 传感器编号 空气 湿度 空气 温度 土壤 含水量 土壤 电导率$287b 2474 0016 0029 0022 0016$287b 2475 0016 0029 0023 0016 注：以两个节点为例 2.3.2 GPS 模块与 GPRS 模块试验 试验时，将 GPS OEM 模块事先设置好固定的试验所用波特率，再用 PDA 上自编的串口通讯软件进行信
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