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1、棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 毕 业 设 计（论 文）中 文 摘 要 基于 SIM900A 的农业远程控制系统设计 摘要：随着 GSM(Global System for Mobile communication)移动通信网络的迅速普及，新技术的开发和应用已经提到一个十分重要的位置。短消息业务（SMS）作为 GSM 网络的一种基本业务，基于这种业务的各种应用已得到越来越多的关注。本文设计了一种基于 GSM 短消息的远程控制系统。在给出系统的总体设计的基础上，设计了系统的硬件和软件，采用模块化的设计。硬件部分以单片机C8051F340为核心，还包括单片机外围电路、SIM900A 通信模块。
2、软件部分通过KeilC 软件进行编程，实现棉蚜快速监测装置的远程控制。基于 SIM900A 的农业远程控制系统通过用户手机向GSM 网络发送短信，接收用户机的控制命令对棉蚜快速监测装置的远程控制。其原理简单、方便快捷、数据精度满足生产要求，与传统的控制系统相比有着独特的优势。关键词：单片机 短信 远程控制 SIM900A 棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 目录 目录 1 1 绪论 3 1.1 研究的背景 3 1.2 发展历史及发展状况 4 1.3 研究的内容及意义 5 2 系统方案论证和选择 6 2.1 设计方案模块 6 2.2 单片机的选择 8 2.3 无线通信模块的选择 8 3 硬件电路
3、设计 9 3.1 单片机外围电路 7 3.1.1 晶振电路：8 3.1.2 复位电路：7 3.1.3 电源电路 9 3.2 SIM900A 模块电路设计 9 3.2.1 SIM900A 模块简介 10 3.3 输出控制模块设计 11 4 软件设计 11 4.1 简介 KeilUvision4 13 4.2 信息接收程序设计 15 1 绪论 棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 1.1 研究的背景 中国是个农业大国，每年爆发的各种虫害给农业生产带来了巨大损失。传统的虫情测报一般由农技人员到农田现场捕获虫体，然后带回实验室汇总预报。这种方式有很多缺点，在一些地形复杂、气候恶劣的地方，现场数据的采集十
4、分困难，人身安全得不到有效保障，己经不适应精细农业的发展要求。随着嵌入式技术和无线通信技术的快速发展，越来越多的数据采集设备都安装有无线通信模块，使得从数据采集到无线传输都实现了自动化和远程化控制，这有效地节省了人力，提高了对害虫灾害监控的实时性，挽回了巨大的损失。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，以及各种智能仪表的大量涌现，各种农业生产过程的自动化水平得到了很大的提高。特别是各种智能测量，控制仪表和高可靠性可编程控制器 PLC 出现以后，设计者可以根据具体的控制要求，选择合适的仪表壳控制单元进行系统集成。这样，系统的设计开发才能周期短，可靠性高，成本低。采用先进的远程控制技术
5、,可以大幅度降低人工成本,提高病虫害的监测精度,可以方便管理,既有社会效益,又有经济效益。1.2 发展历史及发展状况 作为虫情监测的一个重要部分，数据采集和传输有着非常重要的意义。上世纪九十年代开始，世界发达国家如美国、加拿大、澳大利亚及欧洲国家，在其农业虫害预报领域较早使用了各类采集设备和电子信息技术，在实践中完成具备卫星定位、信息采集、土壤采样、农机导航和各种农用传感器信息采集等功能的产品研发，并由经济技术实力强劲的公司进行商业化推广，己经形成较为成熟的系列产品。据调查，国外在数据采集与传输方面主要有如下几种比较典型的产品:1.著名的 Trimble 公司推出了三款用于农业信息管理的手持终
6、端设备:NOMAD、JUNO,YUMA，这些设备都具有现场环境参数记录，农田地图绘制，土壤取样等功能。优点在于将数据采集记录与 GPS 相结合，使得 GPS 的应用更加具体，更加广泛，而且可以借助手持设备编写功能强大的软件，开发较容易。缺点是在野外使用不方面，电源供电时间有限，每次使用时都需要农业技术人员到现场巡视，劳动量较大。棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 2.Cyber Tracker 虫害综合管理系统，该系统是 Cyber Tracker 公司专为解决有机耕种存在的虫害问题而研发的，系统能收集大量的实时数据，基于这些数据来减少环境对农产品的影响。优点在于能实时并跟踪害虫的生长情况，及
7、时作出反应，但适用的范围狭小，不能广泛应用。3.美国 CAMPBELL SCIENTIFIC 公司的 CR 系列数据记录仪。该记录仪是以单片机为核心控制器开发的，与基于笔记本和掌上电脑的农业数据采集与处理系统相比，该记录仪不仅成本低，配置灵活，而且还可以依据实际情况对设备进行单独设置，但由于单片机具有处理速度或存储量有限的缺点，导致这类设备不能采集存储图片等大信息量的数据，采集到的数据往往需要发送至上位机进行后期处理，不支持无线数据传输。相对国外用于农业数据采集和传输的产品己经有较为成熟的体系而言，国内在农业数据采集的研究和应用起步较晚。近年，国内一些有实力的公司与科研院所相互合作，投入了大量
8、的财力和人力，研发了一些能够实现远距离数据采集和传输的装备。在基于笔记本电脑和掌上电脑的研发方面，并没有具有自主知识产权的应用系统，绝大多数都是在常规的软件上进行的二次开发，尚未形成通用的产品，一些公司和研究机构基于单片机的采集系统做了一定的研发。北京惠泽农科技有限公司是国内在农业信息化方面做出过突出贡献的单位之一，该公司研发了大量用于数据采集和环境监测的设备，在实际应用中取得良好的效果。其高精度温湿度记录仪，其自带的存储器最多可以存储十万个记录，用户可任意设置扫描周期。手持式袖珍气象站，该设备内置的各种传感器能准确测量现场的温湿度、风速、大气压及露点温度，并能在屏幕上数字显示。此外，该公司开
9、发的其他设备还有其他各种功能，如用于土壤养分分析、植物生理监视、水质监测等，这些设备对农业信息化都有一定的实际意义。13 研究的内容及意义 计算机控制技术在我国众多领域获得的广泛应用，采用了以计算机控制技术为手段的自动化监控与调度的管理模式。但在农业病虫害监测领域，我国现行管理水平与棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 发达国家相比差距较大，虽然随着病虫害监测技术的推广和远程自控控制技术的不断进步，远程病虫害监控及控制系统逐渐得到应用，因此研制一种适合农民经济承受能力的远程病虫害监控控制系统，就成为一项重要的任务。基于 GSM 短消息的远程自动控制系统是通过手机设定特定命令，以短消息方式指挥控制
10、系统及时或定时开启或关闭电磁阀。农田棉蚜快速监测装置的远程控制系统的设计与开发，不仅为各级用户掌握实时棉花受灾情况，及时播撒相对应的农药，指导生产提供了可靠的依据，提高操作的准确性，还为远程控制系统的推广提供了行之有效的方法和手段，有利于我国广大农村劳动力转移和农村经济结构调整。2 系统方案论证和选择 21 设计方案模块 本设计是用单片机控制GSM 模块采集和控制远程设备信息的无线通信控制系统。棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 该系统主要是以 C8051F340 单片机为核心部件，通过对数据采集、数据处理、GSM、输出控制等模块的设计，实现土壤水分、灌溉流量信息的自动采集、无线传输、灌溉控制
11、等功能。本设计采用模块化设计，整个系统由单片机模块、外扩存储模块、土壤信息采集模块、GSM 通信模块和输出控制模块组成，系统的整体方案框图如下图 2.1：图 2.1 系统框图 系统中各个模块的功能如下：(1)单片机模块：完成参数设置及储存、数据比较与处理、控制与管理外部设备等功能。(2)GSM 通信模块：收取用户的手机短息进行译码，并通过串口实现与单片机的通信 (3)输出控制模块：实现对外部设备的控制，通过控制继电器来控制棉蚜快速检测装置的工作。22 单片机的选择 方案一：采用 C8051F340 单片机。C8051F340 器件是完全集成的混合信号片上系棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 统
12、型 MCU。是增强型 51 单片机。C8051F340 器件使用 Silicon Labs 的专利 CIP-51微控制器内核。具有标准8052 的所有外设部件，包括4 个 16 位计数器/定时器、两个具有扩展波特率配置的全双工UART、一个增强型 SPI 端口、多达 4352 字节的内部RAM、128 字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及多达 40 个 I/O 引脚。高速、流水线结构的 8051 兼容的微控制器内核（可达 48MIPS），并含有电源稳压器，多达 64KB的片内 FLASH 存储器，多达 4352 字节片内 RAM（256+4KB）。真正 10 位 200 ksps 的单端/差
13、分 ADC，带模拟多路器。具有片内上电复位、VDD 监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F340 器件是真正能独立工作的片上系统。对本系统而言是一个高性价比的单片机。方案二：采用 AT89C51 单片机。AT89C51 单片机是 8 位的微处理器芯片，它是高性能的微处理器，带有 4KB 的闪存空间，可以通过电擦除，便于程序的修改调试。AT89C51 微控制器在使用上有很高的效率，是由于该芯片组合了 8 位 CPU 和闪存，以及中断控制和定时器等部件。它的兼容性很好，与 8051 等其他型号单片机兼容，结构简单且价格便宜。由于单片机控制系统的核心，通过外围电路和 GSM 模
14、块要实现能够控制 GSM 模块短消息的接收和发送、接收频率、功耗大小、工作模式等各项参数设置及各项控制输出的功能。因此必须需要一个功能强大的微控制器才能达到要求，而 C8051F340 单片机不仅满足设计要求，而且内部有 A/D 转换器，在短时间内和有限的条件下使设计更加轻松和方便。因此本设计采用 C8051F340 单片机为系统的控制核心。23 无线通信模块的选择 方案一：采用 SIM340 SIM340 GSMGPRS 模块应用于 WLL，M2M 和手持设备的 GSMGPRS 模块。SIM340是小体积即插即用模块中完善的四频GSMGPRS 解决方案使用工业标准界面，使得具备 GSMGPR
15、S 85090018001900MHz 功能的 SIM340 以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM340 的优良性能让它应用于许多方面，例如 WLL、M2M、手持设备等等。四频 GSMGPRS 模块，外形尺寸 40mm x33mm x2.85mm。支持用户定制的MMI 和键盘LCD 内嵌强大的 TCPIP 协议栈 棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 方案二:采用 SIM900A。SIM900A是一款尺寸紧凑型、高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器 ARM9216EJ-S 内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。
16、可以内置客户应用程序。SIM900A GSM/GPRS 使用工业标准界面，使得具备 GSM/GPRS 900/1800MHz 功能的 SIM900A 以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM900A 能满足 M2M 几乎所有应用要求，尤其是小巧、紧凑型的设计。其物理尺寸为：24mm x 24mm x 3mm。可广泛应用于车载跟踪、车队管理、无线 POS、手持 PDA、智能抄表与电力监控等众多方向。设计此系统的是基于短消息方式，简单、方便使用、价格低廉的实用性系统，因此我们选择 SIM900A。两者功能相似，SIM340 在相同技术领域相对 SIM900A 更胜一筹，但
17、对本系统而言 SIM900A 性价比更高。3 硬件电路设计 3.1 单片机外围电路 单片机外围电路包括C8051F340单片机、复位电路、晶振电路、电源电路。3.1.1 晶振电路：单片机的晶振电路有两种形式，一种是采用外部时钟信号，外部时钟信号需从XTAL1 引脚输入，XTAL2 引脚悬空，原因是CPU 片内时钟信号取自作为反馈放大元件的二输入与非门的一个输入端。另一种是使用片内的震荡电路，XTAL1、XTAL2 作为系统时钟信号的输入、输出端，此时，晶振、电容以及片内与非门（起反馈、放大作用的元件，类似于电容三点式震荡电路中的三极管）构成电容三点式振荡器。由于石英晶体振荡器中的静态电容、外接
18、震荡电容均远大于晶体弹性等效串联电容，因此震荡频率主要由晶体振荡器并联谐振频率决定。本系统的晶振采用方法二，Y1 为11.0592MHz 晶振，以产生准确的 9600bps 的串口通信波特率，使单片机和 SIM900A模块通信出错率降低。C1 和 C2 为 30pF 瓷片电容。棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 3.1.2 复位电路 干扰以脉冲的形式出现，而最终造成微机系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是 CPU 在执行某条指令时，受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时，CPU 执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为
19、使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种有效的办法是采用硬件“看门狗”技术。用看门狗*程序的运行。若程序发生“死机”，则看门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。此外，当电源电压降低或掉电时，会造成重要的数据丢失，系统不能正常运行。若设法在电源电压降至一定的限值之前，单片机快速地保存重要数据，将会最大限度地减少损失。单片机的掉电工作方式电路原理图如下图所示：当 PD 设置为 1 时，激活掉电方式，此时0，与非门输出为低电平，时钟发生器停止工作，单片机内所有运行状态均被停止，只有片内 RAM 和 SFR 中的数据被保存起来。在单片机系统中可借助于一定的外部附加电
20、路监测电源电压，并在电源发生故障时及时通知单片机（如通过引发中断来实现）快速保存重要数据，且断开外围设备用电电源，使整个应用系统的功耗降到最少。当电源恢复正常时，取消掉电工作方式，通过复位单片机，使系统重新正常工作。图3.2复位电路 棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 3.1.3 电源电路（1）C8051F340电源模块设计 LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有 3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。这里固定输出 VCC 为 5V A1117是一款正电压输出的低压降三端
21、线性稳压电路,在 1A 输出电流下的压降为1.2V.。X1117 分为两个版本,固定电压输出版本和可调电压输出版本.固定输出电压1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V 和可调版本的电压精度为 1%；。A1117 内部集成过热保护和限流电路，适用于各类电子产品。这里采用固定电压输出版本且固定电压输出VDD 为 3.3v 本系统的电源电路采用的电源模块如图 棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 图 3.3 源电路 3.2 SIM900A 模块 3.3 输出控制模块设计 主要作用是驱动电磁阀，使继电器闭合，实现开关控制。：其工作原理：这里用一个 PNP 型的三极管，e 集接 VCC，C 集接
22、继电器的 3 脚，用于驱动继电器闭合，b 集接一个 200 殴的电阻，并接到单片机的 P14 口，刚开始时单片机的 P14 口是高电平，根据 PNP 型三极管的工作原理，e 集合 c 集不导电，棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 继电器接的是 1 脚和 2 脚，当单片机的 P14 口把电位拉低时，三极管导电，驱动继电器的电磁阀，使 1 脚和 3 脚闭合（相当于水阀的开关闭合导电），从而实现灌溉功能。图 3.14 输出控制电路 4 软件设计 4.1 简介 KeilUvision4 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编
23、相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。Keil 提供了包括编译器、汇编、连接器、库管理和一个仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些组合在一起。棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 Keil 有以下几个特点：1.拥有全功能的源代码编辑器；2.器件库用来配置开发工具设置；3.项目管理器用来创建和维护用户的项目；4.集成的 MAKE 工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用；5.所有开发工具的设置都是对话框形式的；6.真正的源代码级的对 CPU 和外围器件的调试器；7.高级 GDI(AGDI)接口
24、用来在目标硬件上进行软件调试以及和 Monitor-51 进行通信 KeilC的优点：1、开发效率非常高，设计周期短。2、集成C 环境是单片机等微型芯片的首选开发环境。3、操作容易，使用方便，内部包含可非常多的常用芯片便于编程。KeilC使用过程：1、先建立一个工程。点击Project New uVision Project点击保存,新建一个工程，然后存入文件夹 棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 图 4.1 建立工程 2、选择器件 选择 Silicon Laboratories,Inc.C8051F340 点击 OK 图 4.2 选择器件 3、新建一个*.c 文件并保存 点击 FileNew
25、 新建一个 Text 编程序,编好程序,保存为.c 文件 棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 图 4.3 编写程序 4、编译并生成 HEX 文件 通过编译后点击 Target1，右击 Source Group1，点击 Add Files to Group Source Group 点击.c 文件，然后点击 Add，关闭窗口.重新编译一下，点击 Target Options 在弹出的窗口点击 Output 栏，在 Create HEX File 前打勾，点击 OK.最后再点击编译就能生成.hex 文件了。接收短信息程序设计 信息接收程序设计主要是中断处理，将收到的 PDU 串进行解码，得出发送方手机号码、发送方信息中心号码、信息发送时间、数据长度及发送内容。棉蚜快速监测装置的远程控制系统设计 图 4.10 短消息接收程序流程