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GSM短消息技术在现场数据采集中应用的可行性研究

Chwan-Lu Tseng , Joe-Air Jiang , Ren-Guey Lee , Fu-Ming Lu, Cheng-Shiou Ouyang, Yih-Shaing Chen, Chih-Hsiang Chang

摘要:本文提出了一种可行性研究ongsm–smstechnology应用现场数据采集。这种可行性研究是基于现场数据采集原型系统，该系统是由现场监测和主机控制平台。这两个平台的数据传输，通信和控制是通过GSM - SMS技术完成的。基于短消息的传输特性和能力，本文提出了一种基于GSM短信的通信架构，然后提出一个短消息包格式，适合用于监测农业区和现场数据的采集，如温度、湿度、风速、害/昆虫捕获数。建立原型系统后，进行了认证和性能测试。认证测试表明，现场数据传输正确。基于性能的测试结果超过915的数据传输，单向短信发送时间为现场监控平台主控平台约10–15 s，而现场监控平台响应主机的控制命令的平均传输时间为30.5 s，在考虑环境参数的波动，这些延误在宽容边界。此外，使用GSM SMS收集的现场数据的正确性是100%的基础上交叉检查发送和接收的数据，并保证传输的完整性。实现的数据丢失率可以降低到0.66%，这主要取决于商业电信公司的服务质量。所提出的技术非常适合实现现场数据监测和收购精准农业。

关键词：全球移动通信系统；短消息服务；全球定位系统（GPS）；野外数据采集

1 介绍

在传统农业中，人类劳动对农田数据的收集和管理起着重要的作用。然而，由于耕作面积的增加，这种人工的做法被认为是费时和劳动密集。为了提高现场数据采集效率和精准农业技术，现代通信技术可以提供极大的帮助。目前遥感技术可以广泛应用于变化研究、地表环境和资源调查等领域。通过航空或卫星高光谱图像（Sommer et al.，1998；Sandor Leahy，Beiso，2000）或卫星光学图像（morgenthaier et al.，2003；DORAISWAMY et al.，2004）通过应用图像处理技术获取农业信息。但考虑到方法的高费用和气候效应对农业信息的获取，需要更有效的机制。虽然遥感光谱技术提供了良好的估计的范围和程度的虫害损害，促进田间作物的疫病，病虫害防治，目前的方法是耗时的，它是很难计数害虫遥感机制。一般来说，田间害虫的规模很小，很难检测到。例如，钻石背蛾的大小约1厘米，蛾通常隐藏在后面的叶子。因此，远程监测系统应该更有助于收集害虫信息。也,

由于植物生长收获期短，准确和即时的环境变化和土壤条件的信息，将有助于农民照顾他们的种植（张等人，2002）。对于巨大的农村领域，通过硬连线系统和互联网的现场数据传输可能不合适。因此，一个无处不在的无线系统，收集和传输现场数据是一个更合适的选择精确农业应用。

到目前为止，无线通信技术非常流行。在传输距离方面，有红外数据协会（IrDA），蓝牙和IEEE 802.11times;技术，都属于短距离通信，无线电和卫星在远程远程无线通信范畴。

关于无线电或卫星通信，大功率传输设备需要在这些农场应用和这些通信方法也非常昂贵。在短距离无线通信应用的数据收集，Hirafuji和二宫（2003）介绍生殖信息库（肋）探讨利用信息技术基础的可能性（它）的方法收集现场数据及相关的管理工作，对于消费者来说，农民和研究人员从网站获得实时数据。IP能力监测服务器安装在农业领域收集和发送/接收现场相关数据。热点被用来整合这个无线局域网与公共互联网。由于传输范围的限制，安装足够的热点覆盖作物生产领域是昂贵的，总系统成本相应增加。

随着IT技术的普及，利用现有的商用无线通信系统和使用相关技术交流正在成为一种流行的实践。劳伦森（2002）等人认为，互联网提供了一个非常方便的阅读方式和传播农业信息和提出MetBroker收集数据从各种计量数据库格式的数据使用一个预定义的数据格式。现在的系统的用户农民，可以访问全球计量数据使用java手机和连接到MetBroker通过互联网实时获取现场信息。然而，在这种情况下，移动设备只用于读取字段数据。

为了充分利用移动通信技术，本文的目标是利用全球移动通信系统（GSM）和短消息服务（SMS）进行现场数据采集和进行调查的相应可行性。在这个解决方案有四个优点：（1）简单的电源解决方案。由于大多数农田位于偏远的农村地区，电力是不容易的，GSM，其低功率传输的要求，肯定是一个可行的选择。（2）GSM系统覆盖范围广泛，在台湾，这也是一个加上大，偏远的生产领域，因为有良好的移动电话普及率后，许多移动运营商在那里实施基站有。（3）使用GSM–短信服务，如果主服务器停止服务，用户数据可以保持24小时在GSM服务中心（欧洲电信标准协会，1996），可以实现数据的接收一旦服务器修复。（4）当任何监控装置功能不正常时，组广播功能可方便地即时向工人发送即时警报。

2．材料与方法

根据上述讨论，本文将采用GSM短信技术进行现场数据采集试验。为了达到这个目的，GSM短信通信架构–设计和测试系统的实现，这是由现场监控平台（FMP）和主机控制平台（HCP）。相关的技术和所需的功能进行了介绍如下。

2.1 GSM - SMS技术概要

GSM手机普及后，许多短信应用如便携式心脏记录和急救反应系统已经推出了服务大众（Tseng et al.，2003）。以下是GSM和SMS的基本概念和体系结构的讨论。

2.1.1 GSM系统结构

GSM最初是欧洲移动通信标准，可以提供户外高速移动。今天，GSM已经是世界上部署最广泛的数字移动通信系统。GSM采用900和1800MHz频率和时分多址（TDMA）技术来发送和接收移动数据。GSM还将系统模拟数据转换成数字数据。文本和图片也可以通过GSM发送。

GSM可以提供更好的语音质量，网络容量，短信，数据加密和漫游，国内和国际的特点。GSM还可以与普通老式电话系统（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）、因特网或其他数据网络互连。在与世界GSM国家的同步发展中，台湾在GSM方面取得了快速的进展。2000年，GSM运营商在台湾，包括春hwua电信（CHT），台湾细胞（TC），和FarEastone（Fe），已经安装了，总共约20000的移动基站，并安装全国。台湾拥有世界上最高的手机普及率112%（他，2003）。此外，随着通用分组无线服务（GPRS）介绍，移动数据通信进入2.5G（瑟尔et al.，2003）和传输速度提高。然而，本文是基于GSM–短信数据传输系统间的无线通信的需求，原因如下：（1）当前GPRS推送功能可能不足够成熟来获得普遍接受；（2）端到端的广播功能不准备监测系统试验；（3）环境参数，如温度、湿度、风速和害虫/昆虫捕获的数字可以以文本方式表示；（4）在3G时代短信，短信仍然起着重要的作用。

2.1.2。短消息服务（SMS）

SMS是一种改进的寻呼服务使用GSM能力发送字母/数字数据。GSM利用控制信道发送SMS数据，同时允许用户继续他们的语音对话。如果用户说，慢速随路控制信道（SACCH）将被用来实现短信发送。如果用户没有说话，然后用户可以使用独立专用控制信道接收短信数据（SDCCH）。与场景，短信总是使用低功率传输通道（peersman et al.，2000）。图1说明了短信网络结构（peersman et al.，2000）。当手机发出的短信，短信服务中心（SMSC）将传递数据到短信–网关移动交换中心（SMS–GMSC）。短信–GMSC将访问归属位置登记（HLR），搜索终点定位手机地址，并发送路由信息到移动交换中心（MSC）。接收数据后，MSC将决定哪个中心为此点接触。如果来访者在漫游模式，短信–互通移动交换中心（SMS–iwmsc）将消息的下一站。三个优点可以归因于使用SMS在这个领域的数据采集系统：

（1）现场点（POS）连接不需要长电缆。

（2）GSM加密可以保护短信数据。

（3）在传输失败的情况下，可以通过配置重传定时器来实现重发。

由于上述的SMS优势，有GSM - SMS应用程序发布，以提供进一步的细节。现场SMS文本长度测量进行跟踪访问时间和延迟。如果消息通过SDCCH信道发送为60字节的短信数据，平均等待时间约为3.2 s的数据到GSM–SMSC然后MSC。快的话有时可以达到2.9秒。事实上，并发短信用户也将决定系统的实际等待时间。

图1 短信网络体系结构。

图2 设计测试系统的体系结构

2.2 原型测试系统的实现与探讨

2.2.1 原型系统实现

原型测试系统体系结构采用的主要是如图2。与GSM无线传输为主要关注点，该系统还包括一个自动野外数据采集子系统称为现场监控平台（FMP）和远程主机控制平台（HCP）。FMP是触电感应模块、GPS模块、GSMmodule、环境参数测量模块和集成的内核模块。由PC机和GSM模块的hcpis，可提供的功能包括远程硬件调试、数据库的建立、生成和监控报警。

FMP的集成内核模块采用通用同步/异步接收发送器（USART）与环境感知模块连接并进行数据处理，装配，和排序功能对现场数据接收。在GSM模块的帮助下，这些数据可以无线发送到现场。当主机控制平台接收到携带所有字段信息的数据时，HCP将这些数据解码并保存到数据库中进行长期的监测和统计分析，为今后的农业改进提供参考框架。一旦检测到任何异常，将产生报警，例如，如果害虫的分布，可以通过分析由电击器捕获的害虫的趋势估计，超过阈值。这些警报将发送给主管，农民和任何一方，应告知这一事件。

根据前面的描述，该原型系统采用德克萨斯仪器（TI）的16位RISC微处理器MSP 430-f449（http://focus.ti.com）实施FMP内核。该SoC芯片具有内置A/D电路、硬件脉冲宽度调制（PWM）、硬件加法器和多路复用器和随机数发生器。MSP 430-f449具有RS232通信和额外的I/O端口与其它设备连接的两个USART。的第一个USART波特率为9600 bps与GSM模块连接（wmod2b，WAVECOM公司，http://www.wavecom.com）进行数据传输和控制信道。GSM模块是与远程主机平台的接口。第二USART连接开关电路。IC utc-4052（友顺科技有限http://www.utc-ic.com）是开关电路的主要组成部分。图3说明了使用FMP数字风速仪/湿度计（am-4205，路创电子，HTTP：/ / www.lutron。kr / 2002cat / 2001 / am4205 .htm），这是一种便携式装置提供快速、准确的读数，例如风速、湿度和温度。风速计由传统的扭叶片臂和低摩擦球轴承，测量范围是0.4和25米/秒，分辨率为0.1米/秒，精度为等于2%。湿度测量采用薄膜电容传感器，以获得高精度。此外，温度补偿电路被嵌入在设备中。湿度测量范围从10到95%的相对湿度，分辨率是0.1%左右的精度plusmn;（3%阅读 1% RH）RHge;70%和plusmn;3%相对湿度RH＜70%。温度采用精密热敏电阻的范围从0到50◦C测量，具有0.1 ◦C的分辨率和0.8 C◦精度。

图3 am-4205风速计/湿度计

如图4所示，电路切换到温度，风和湿度传感器，8051计数器，和GPS收集数据。采用IC最大232信号转换电路（德克萨斯仪器，http://www.ti.com）将包括温度不同器件的电压、湿度传感器、GPS、GSM模块的MSP 430-f449芯片兼容的电压水平。拟议中的FMP系统的实际实施和集成如图5所示，其中MSP，GSM，和高压变压器的进一步应用表明。请注意，本文中提到的组件都是市售的。

图5 FMP系统的实际实施和集成

由于本文的目的是为了验证该字段发送的SMS数据的正确性和可行性，一个简单的陷阱设备飞蛾集成在现场监测平台和一个8051芯片被用来计数捕获的害虫。作为一个说明性的例子，一个电击陷阱装置实施提供害虫信息。利用高压变压器，如图5所示，输入电压从110上升到2400v为了赶蛾。高压陷阱与蛾信息素引诱相结合。当飞蛾吸引到电子陷阱，在电压输入由于陷阱捕捉一个小菜蛾的变化是觉察和转化成一个数。图6显示了飞蛾捕获的波形。请注意，示波器上屏幕所描绘的波形已被整流，幅度减小，下部的波形是由单稳态电路处理的前信号，然后送入8051芯片进行计数。小菜蛾性信息素可以用来引诱雄蛾接近陷阱和电陷阱或其他装置是用来诱捕害虫（米切尔，2002）。因此，这个被困的害虫数据可以用来估计害虫的分布，并进一步建立蛾分布和环境参数之间的关系。我们已经进行了许多实验测试，包括在台大实验室和不同领域。图7a–D表示历史监控现场数据在30分钟的时间间隔由FMP的记录，表明该测试系统性能。注意测量范围内的读数是可记录的，但不可靠。同时，记录的数据在图7中显示了小菜蛾的活动对天气条件的依赖。在台大实验室进行的陷阱的平均计数错误率约为13.2%。然而，在现场试验中，环境因素通常会恶化设计的害虫陷阱的性能，使计数陷阱错误率可以增加到23.8%，在最坏的测试情况下，尤其是恶劣的天气条件下。这种性能降低意味着一个复杂的设备可能需要在实际情况下。由于本文的目的是研究GSM短信传输技术的可行性，这项工作的重点是传播内容的正确性和小菜蛾陷阱性能的改善是暂时留给未来的研究。从所示的图中，可以看出，所获得的现场数据可以被发送在实时操作和在该字段中的详细信息，可以得到。现场实时数据，可以为农业生产提供福利（beaulah et al.，1998；schoenig et al.，2004；科埃略等，2005）。

图6 一个小菜蛾捕获过程中记录的波形

图7 监测现场数据：(a)温度，(b)湿度，(c)风速，和(d)害虫数

HCP原型上实现的PC和Visual Basic

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