GSM-SMS技术应用于现场数据采集的可行性研究外文翻译资料

GSM-SMS技术应用于现场数据采集的可行性研究

摘要

本文提出一种GSM-SMS技术在数据采集领域应用的可行性研究。这个可行性研究是基于一个农田数据收集原型系统,该系统由现场监控和主机控制平台组成。使用GSM-SMS技术完成对通信和数据传输两个部分的控制。基于短消息的传播特点和能力,本文提出了一个基于GSM-SMS通信架构,然后发展的短消息包格式适用于监测农业地区,收集现场数据,如温度、湿度、风速、昆虫和害虫的捕获数据等。在建立原型系统后，进行了身份验证和性能测试。验证试验表明,该农田数据正确传输。基于性能测试结果超过915次数据传输,单向短信传输时间的现场监测平台主机控制平台大约是10 - 15 s,而现场监测平台响应主机控制命令的平均传输时间是30.5 s。考虑到波动的环境参数,这些延迟是在容忍范围内。同时,使用GSM-SMS技术实时收集的农田数据是 100%基于收发数据交叉检查,因此可以保证传输的完整性。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。拟议的技术非常适合实现精准农业的现场数据监测和采集。

关键词:全球移动通信系统(GSM)、短消息服务(SMS),全球定位系统(GPS);数据采集

1. 介绍

在传统农业中,人类劳动在收集和管理农业领域中的数据起着重要作用。然而,由于农业地区的面积增加,这种手工实践被认为耗费了大量的时间和人力。提高野外数据收集效率和精准的农业技术,现代通信技术可以提供很大的帮助。目前,遥感技术得到广泛应用,例如改变研究发现,地球表面环境和资源调查。通过航空和卫星高光谱图像(Sommer et al .,1998;Sandor-Leahy Beiso,2000)或卫星光学图像(Morgenthaier et al .,2003;Doraiswamyet,2004)是用来获取农业信息应用图像处理技术。但考虑到高成本的方法对获取农业信息和气候的影响,更有效的机制是必要的。尽管遥感光谱技术在作物种植领域提供良好的方法估计害虫损害的范围和程度,预防流行疾病和害虫防治,但目前的方法很费时且很难计算害虫与遥感系统相互机制。一般来说,害虫领域的规模很小,使他们难以探测。例如,归还宝石蛾的大小大约是1厘米，斜纹夜蛾通常隐藏在树叶中。因此,接到监控系统应该更有助于收集害虫信息。而且,由于植物生长收获的时期很短,准确和即时的信息环境变化与土壤条件将有助于农民照顾他们的作物(Zhang et al .,2002)。农村土地广阔，,农田数据传输通过硬编码系统和互联网可能不合适。因此,用无处不在的无线系统来收集和传输农田数据对于精细化农业是一个更合适的选择。

到目前为止,无线通信技术是非常受欢迎的。传播范围而言,有红外数据协会(红外线),蓝牙,和IEEE 802.11times;技术,都属于短程通信,无线电和卫星通信属于远程无线通信范畴。

关于无线电或卫星通信,由于需要大功率传输设备因此在农业领域应用这些设备非常昂贵。短程无线通信在数据收集方面的应用，Hirafuji和Ninomiya(2003)介绍了生殖信息库(RIB)探索的可能性,利用基本的信息技术(IT)的方法来收集现场数据和相关管理工作，对于消费者来说,农民和研究人员可以从网站获取实时数据。IP-capable监控服务器被安装在农田里收集和发送/接收与农场相关的数据。热点被用来集成这个无线局域网和公共网络。由于传播范围的局限，需要安装足够的热点覆盖作物生产区域成本十分高昂，将使系统总成本相应增加。

由于IT技术的无处不在,利用当前商业无线通信系统和使用相关技术正在成为一种流行的方式。Laurenson et al(2002)得出的结论是,互联网提供了一个非常方便的方法来阅读和传播农业信息，MetBroker提出了从各种计量数据库收集数据并且这些数据使用一个预定义的数据格式。农民,也就是系统的用户,可以使用基于JAVA的手机访问全球计量数据和通过互联网连接到MetBroker获得实时的农田信息。然而,在这种情况下,移动设备只用于读取农田数据。

为了更充分利用移动通信技术,本文提出利用全球移动通信系统(GSM)、短消息服务(SMS)进行现场数据采集和处理相应的可行性并展开讨论。这个解决方案有四个优点:(1)简单的电力解决方案。因为大多数农田位于偏远农村地区电力并不容易获取,拥有低功率传输需求的GSM,无疑是一个可行的选择。(2)GSM系统涵盖了广泛的领域，在台湾,自从移动运营商布置了很多相应的基站后，移动手机有着很高的普及率。(3)使用GSM-SMS服务,如果主机服务器在GSM服务之外,用户数据可以保存在GSM服务中心24小时(ETSI,1996),一旦服务器接收到数据可以即时回复。(4)当任何监控设备不正常运作，集团广播功能可以轻松发送实时警告，提醒工人立即处理。

1. 材料和方法

根据上面的讨论中,本文将使用GSM-SMS技术进行现场数据采集试验。为了达到这个目标,GSM-SMS通信体系结构设计和测试系统将由现场监测平台(FMP)和主机控制平台(HCP)来实现。所需的相关技术和功能介绍如下。

2.1.GSM-SMS技术概述

GSM手机普及之后,许多短信应用,如便携式心脏病学的记录和应急响应系统已经推出了为公众服务(Tseng et al .,2003)。以下是GSM和SMS的讨论基本概念和体系结构。

2.1.1.GSM系统架构

欧洲移动通信GSM最初是一个标准,可以提供户外高速移动通信。今天,GSM已经是在全球范围内部署发展最广的数字移动通信系统。GSM利用900和1800 MHz频率和时分多址(TDMA)技术来发送和接收移动数据。GSM系统可以将模拟数据转换成数字数据。文字和图片也可以通过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、国家和国际的特性。GSM还可以与普通的旧电话系统互连(PSTN),综合业务数字网(ISDN),互联网,或者其他数据网络。在与世界并行开发GSM的国家中,台湾一直在GSM领域进展迅速。2000,GSM运营商在台湾,包括Chun-Hwua电信(CHT),台湾移动(TC),和FarEastone(FE),在全国大约安装了两千多个基站。台湾拥有世界上最高的手机普及率为112%(He,2003)。此外,通过引入通用分组无线业务(GPRS),移动数据通信正在进入所谓的2.5 G(Seurre et al .,2003)且传输速度提升。然而,本文是基于GSM-SMS来传输无线通信需求的文本数据,因为以下原因:(1)当前GPRS的功能可能不够成熟还未获得普遍接受;(2)端到端和广播功能都不适合本次监测系统试验;(3)环境参数如温度、湿度、风速和害虫/昆虫捕捉数字可以在文本模式下传输;(4)在3 G时代，SMS仍然扮演着重要的角色。

2.1.2.短消息服务(SMS)

短信是一种使用GSM发送字母/数字数据的改进的分页服务。GSM利用控制通道来发送短信数据,同时允许用户继续他们的语音对话。如果用户是说话,缓慢的相关控制通道(SACCH)将被用来实现短信发送。如果用户没有说话,用户可以接收短信数据使用独立专用控制信道(SDCCH)。在两个场景下,短信总是使用一个低功率传输通道(Peersman et al .,2000)。

图1演示了SMS网络体系结构(Peersman et al .,2000)。当一个手机发送一个短信,短信服务中心(SMSC)将数据转发给短信网关移动交换中心(SMS-GMSC)。SMS-GMSC将访问位置寄存器(HLR),搜索来定位手机地址在终点,并发送路由信息到移动交换中心(MSC)。接收数据后,MSC将决定由哪个SMSC联系终点。如果调用者在漫游模式,短信互通移动交换中心(SMS-IWMSC)将作为消息的下一站。在这个农田数据采集系统:利用手机短信可以归因于三大优势：

(1)不需要长电缆的网站(POS)连接。

(2)GSM加密可以保护短信数据。

(3)在传输失败的情况下,传输可以通过配置重新传输计时器。

由于上面列出的短信的优势,这里将阐述GSM-SMS的应用场景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。如果发送SMS消息通过SDCCH渠道传输60-byte短信数据,数据的平均等待时间是3.2秒，到达GSM-SMSC然后到达MSC。有时可以实现快2.9s(Collesei et al .,1994)。事实上,系统中同时发送短信的用户也将决定实际的等待时间。

图1：SMS网络架构

移动设备

拜访位置寄存器

归属地寄存器

移动交换中心

短信交换中心

短信中心

图2：设计测试系统的架构

远程硬件调试

建立数据库

远程硬件调试

警报

系统异常

管理者

主机控制平台

GSM模块

农田监控平台

GSM模块

环境参数传感模块

电击传感模块

GPS定位模块

基站

卫星

2.2.原型测试系统的实现和讨论

2.2.1.原型系统的实现

此工作中采用的原型测试系统架构如图2所示。与GSM无线传输为主要焦点,该系统还包括一个农田数据采集子系统称为农田自动监控平台(FMP)和远程主机控制平台(HCP)。FMP由电震传感模块、GPS模块、GSM模块、环境参数传感模块和集成内核模块组成。HCP由PC和GSM模块组成，可以提供远程硬件调试、数据库建立和报警生成和监控等功能。

FMP的集成内核模块使用通用同步/异步收发两用机(USART)与所有环境传感模块进行连接和执行数据组装、加工、排序以及农田数据接收功能。在GSM模块的帮助下,可以将这些数据通过无线发送的方式穿过田野。主机控制平台接收到的数据包含所有的农田信息,HCP将解码这些数据并保存到数据库中以便未来的长期监测和统计分析,为未来的农业改进提供一个参考框架。一旦发现异常，就会产生警报，例如，如果通过分析由电击装置捕捉到的害虫的趋势，害虫的分布就超过了阈值。这些警告将被发送给管理员、农民和任何应该被告知该事件的组织。

根据前面的描述,这个原型系统使用德州仪器(TI)16位RISC微处理器430 - f449 MSP实现FMP内核(http://focus.ti.com)。这SOC芯片有一个内置的A/D电路、硬件脉宽调制(PWM),硬件加法器和多路复用器和随机数发生器。430 - f449 MSP有两个USARTs RS232通信和额外的I / O端口连接其他设备。第一个USART的波特率是9600，与GSM模块(WMOD2B WAVECOM公司http://www.wavecom.com)进行数据传输和控制通道。GSM模块是与远程主机平台连接的接口。第二个USART是与开关电路相连的。IC utc - 4052(Unisonic技术有限公司http://www.utc-ic.com)转换电路的主要组成部分。图3说明了FMP中使用数字风速计/湿度计(am - 4205,Lutron电子,http://www.lutron.co.kr/2002cat/2001/am4205.htm),这是一种便携式设备，提供快速、准确的读数,如风速、湿度和温度。传统扭曲叶片的风速计由手臂和低摩擦球轴承,测量范围是0.4到25.0 m / s分辨率为0.1 m / s的精度。湿度测量使用薄膜电容传感器来获得高的精度。此外，温度补偿电路也嵌入到设备中。湿度的可测量范围从10%到95%RH。

风速计

主要仪器

温湿度计

图3：AM-4205风速/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。信号转换电路采用集成电路MAX232(德州仪器,http://www.ti.com)将电平转换为不同的设备的标准，包括将温度、湿度传感器和GPS、GSM模块的电平兼容MSP 430 - f449芯片。提出了FMP的实际实现和集成系统如图5所示,MSP,GSM,高压变压器为进一步应用程序表示。请注意，本文中提到的组件都是可用的。

因为本文的目的是验证短信发送的数据的正确性和可行性,飞蛾集成在一个简单的陷阱装置现场监测平台和一个8051芯片被用来计算捕捉害虫。作为一个例子，实施了一个电震陷阱装置来提供害虫信息。通过使用高压变压器作为显示，在图5中,输入电压从110到2400 V为了捕获斜纹夜蛾。高压陷阱与蛾类信息素结合在一起。当飞蛾被捕获时，电子陷阱产生感应形成一个计数。图6显示了蛾子被捕捉到的波形。

注意,示波器的波形描述屏幕上已经纠正和降幅，较低部分的波形是由前一级的信号处理电路处理的,然后交给8051芯片计数。小菜蛾信息素可以用来吸引雄蛾，组成陷阱和电动陷阱或其他设备用于捕获害虫(米切尔,2002)。因此，该方法可用于预测害虫的分布情况，进一步确定蛾的分布与环境参数之间的关系。我们进行了许多实验测试包括在南大的实验室和不同的领域。图7模拟表明历史监测现场数据记录的FMP 30分钟的间隔,这表明该测试系统的性能。注意，测量范围之外的读数是可记录的，但不可靠。另外,图7中的记录数据显示了小菜蛾的活动依赖天气条件。在NTU实验室中，该陷阱的平均计数误差约为13.2%。然而,在实地测试,环境因素通常恶化的性能设计害虫陷阱的计算错误率蛾陷阱可以增加了23.8%在最糟糕的测试用例,尤其是对恶劣的天气条件。这种性能的降低意味着在实际环境中可能需要一个复杂的设备。因为本文的目的是研究GSM-SMS传动技术的可行性,这工作是专注于传播内容的正确性，小菜蛾捕集器的性能改善是暂时留给未来

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[138635]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word