基于GPRS的溫室大棚溫濕度監控系統的設計

蔣鼎國

摘要：采用８９Ｃ５１單片機、ＧＰＲＳ模塊ＳＩＭ３００、溫度傳感器ＡＤ５９０、濕度傳感器ＨＭ１５００設計基于ＧＰＲＳ的溫室大棚溫濕度監控系統。該系統可根據用戶設定參數自動采集現場的環境數據，并根據設定溫濕度極限值報警，同時采集數據經過ＧＰＲＳ網絡傳送至上位機進行存儲及處理，從而實現對溫室溫濕度的實時監測。系統檢測精度高、使用簡單、成本較低，工作穩定可靠，可以降低蔬菜大棚的現場監測成本，有助于提高農作物的產量。

關鍵詞：傳感器；ＧＰＲＳ；溫室大棚；監控系統；溫度；濕度

中圖分類號：Ｓ１２６； ＴＰ３９３文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０14）09－2153-03

GPRS-Based Designing Temperature and Humidity Monitoring System of Greenhouse

JIANG Ding-guo

(Department of Science and Technology, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an 223003, Jiangsu, China)

Ａｂｓｔｒａｃｔ： The temperature and humidity monitoring system of greenhouse based on GPRS using 89C51 MCU, GPRS module SIM300, AD590 temperature sensor, humidity sensor HM1500 was established. The system could achieve automatically acquisition of the field environment data by setting parameters of user, and alarm according to the setting temperature and humidity' limit at the same time. The acquisition data could be sent to the host computer through the GPRS network for processing and storage to realize real-time monitoring of temperature and humidity of the greenhouse. The whole system was typical of high precision, simple to use, low cost, stable and reliable work, which could reduce the field monitoring cost of greenhouse, help to raise the yield of crops.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： sensor; GPRS; greenhouse; monitoring system; temperature; humidity

２１世紀以來，綠色蔬菜大棚生產技術在中國推廣發展起來，大棚成為了各種反季節蔬菜的主要生產設施。在對蔬菜大棚的管理過程中，對其環境的監控是最重要的一個環節［１，２］，溫室監控的重點在于協調控制作物生長的小氣候。目前，對于蔬菜大棚的環境監控，大多數還沿用人工值守的方法來實現，該方法浪費了大量的人力物力，除此之外，極少數的自動監控系統也通常采用專門的通信線路實現，但費用昂貴，不適應廣大農民的需求，而且這些方法對蔬菜大棚的環境控制效果均不太理想，從而常常導致由于溫濕度控制不當而造成的作物減產，給菜農帶來了極大的損失［３，４］。為此，提出了基于無線通信ＧＰＲＳ的蔬菜大棚溫濕度監控系統，通過實時采集農業大棚內空氣的溫度、濕度環境參數，來控制自動開啟或者關閉指定的環境調節設備，再將環境參數通過ＧＰＲＳ傳輸至上位機，以實現對溫室的遠程監控與管理。這種基于農業蔬菜大棚的智能監控系統，可以為農業生態信息自動監測、對設施進行自動控制和智能化管理提供科學依據和有效手段。

１系統總體設計

基于ＧＰＲＳ的溫室大棚溫濕度監控系統的總體設計見圖１。系統由８９Ｃ５１單片機、Ａ／Ｄ轉換電路、溫度檢測電路、濕度檢測電路及控制系統組成。在工作過程中，由溫度檢測電路、濕度檢測電路將現場溫度及濕度轉換成電壓信號，該模擬電壓信號經ＡＤＣ０８０９轉換后進入８９Ｃ５１單片機，一方面，單片機通過程序比較輸入溫度與設定溫度來控制風扇或電爐驅動電路；另一方面，再比較輸入濕度與設定濕度來控制噴水電路。同時，以上采集的溫室大棚環境現場數據通過ＧＰＲＳ設備發布給進行總控管理的上位機終端及種植戶的移動電話，從而實現對大棚內植物生長溫度及土壤和空氣濕度的監控，并實現對超過正常溫度、濕度范圍的狀況進行實時處理，使大棚環境得到良好控制。

２系統溫濕度采集模塊

２．１溫度檢測及電平轉換電路

設計中采用的溫度傳感器為ＡＤ５９０，這是美國Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ公司生產的一種電流型二端溫度傳感器［５，６］，由于ＡＤ５９０精度高、價格低、不需輔助電源、線性好，被廣泛應用于諸如測溫和熱電偶的冷端補償等不同的溫度控制場合。

溫度檢測及電平轉換電路見圖２。在設計測溫電路時，首先應將電流轉換成電壓，由于ＡＤ５９０為電流輸出元件，其溫度每升高１ Ｋ，電流就增加１ μＡ，因此，當ＡＤ５９０的電流通過一個１０ ｋΩ的電阻時，這個電阻上的壓降為１０ ｍＶ，即轉換成１０ ｍＶ／Ｋ，為了使此電阻阻值精確到０．１％，可用一個９．６ ｋΩ的電阻與一個１ ｋΩ電位器串聯，然后通過調節電位器來獲得精確的１０ ｋΩ。圖２所示的就是一個電流／電壓和絕對／攝氏溫標的轉換電路，其中運算放大器Ｕ１Ａ被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗，而運放Ｕ１Ｂ的作用是把絕對溫標轉換成攝氏溫標，給Ｕ１Ｂ的同相輸入端輸入一個恒定的電壓（如１．２３５ Ｖ），然后將此電壓放大到２．７３ Ｖ。這樣，Ｕ１Ａ與Ｕ１Ｂ輸出端之間的電壓即為轉換成的攝氏溫標。若將ＡＤ５９０放入冰水混合溶液中，Ｕ１Ａ同相輸入端的電壓應為２．７３Ｖ，同樣使Ｕ１Ｂ的輸出電壓也為２．７３Ｖ，因此Ｕ１Ａ與Ｕ１Ｂ兩輸出端之間的電壓為２．７３－２．７３＝０ Ｖ，即對應于０ ℃。使用Ａ／Ｄ轉換芯片ＡＤＣ０８０９對其進行采集，使用單片機的ＷＲ信號輸出脈沖觸發ＡＤ轉換，使用ＩＮＴ１接收Ａ／Ｄ轉換器的轉換結束指示信號，觸發數據讀操作，電路上使用Ｐ２口讀取數據。

２．２濕度檢測電路

濕度測量過程主要利用濕度傳感器ＨＭ１５００實現［７］，ＨＭ１５００屬于通用型的濕敏傳感器，其內部由ＨＳ１１０１型濕敏電容構成的橋式振蕩器、低通濾波器和放大器組成，能輸出與相對濕度呈線性的直流電壓信號，其輸出阻抗為７０ Ω，測量范圍為５％～９９％ ＲＨ，輸出電壓范圍為１～４ Ｖ，相對濕度為５５％時的標稱輸出電壓２．４８ Ｖ。濕度測量電路如圖３所示。在測量過程中，由ＨＭ１５００的３腳輸出１～４ Ｖ的電壓接入同相放大器Ｕ１Ｃ，調節１ Ｋ滑動變阻器保證當同相放大器輸入電壓為２．４８ Ｖ時，輸出電壓為２．７５ Ｖ，從而使得ＶＯ經后端ＡＤ采集電壓值只需乘２運算后，即可得到對應濕度值。

３風扇、電爐、噴水裝置及鍵盤控制電路

３．１風扇、電爐、噴水裝置控制電路

電爐的基本控制電路如圖４所示。當系統發現大棚中溫度低于規定極限值時，單片機Ｐ１．７口將輸出控制信號“１”，使光耦Ｐ（４Ｎ３５）的發光二極管不發光，光敏三極管不導通，繼電器（ＭＣ１４１３）吸合，２２０ Ｖ電源輸入至ＶＯ，為電爐回路供電，加熱裝置開始工作，從而保證棚內溫度升高。換氣扇、水幕降溫裝置與電爐加溫裝置類似，不同之處在于繼電器吸合提供的電源不同，如水幕降溫裝置只需使用直流電源打開電磁水閥即可。

３．２鍵盤控制電路

鍵盤控制電路如圖５所示。其中，ＡＮ１為溫濕度功能轉換鍵；ＡＮ４為設定值與當前值顯示功能轉換鍵（即當ＡＮ４按鍵按下一次時，顯示溫濕度設定值，當ＡＮ４按鍵按下二次時，顯示溫濕度當前值）；ＡＮ２為溫濕度設定值加１鍵；ＡＮ３為設定值減１鍵。對４個按鍵的檢測采用軟件查詢和外部中斷結合方式來完成，在工作過程中，只要任何一個按鍵按下，即通過與門向８０３１的ＩＮＴ０引腳發送中斷請求碼，然后在對應的中斷服務程序中讀Ｐ０口，以此來判斷被按下按鍵號。

４ＧＰＲＳ模塊傳輸系統設計

４．１ＧＰＲＳ接口與數據通信

通信用ＧＰＲＳ模塊采用ＳＩＭ３００，ＳＩＭ３００是一種完善的即插即用三頻／四頻ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模塊［８］，支持用戶定制的ＭＭＩ和鍵盤／ＬＣＤ，內嵌強大的ＴＣＰ／ＩＰ協議棧。由于ＧＰＲＳ模塊使用４線制ＲＳ２３２接口模式［８］，因此，在設計其接口電路時，需要使用１片ＭＡＸ２３２芯片實現４線制的串口ＵＡＲＴ，其中包括ＲＸＤ、ＴＸＤ、ＲＴＳ和ＣＴＳ，并分別使用ＭＡＸ２３２ＣＰＥ芯片的４路電平轉換電路實現其電氣協議的轉換，具體電路如圖６所示。其中，ＲＸＤ、ＴＸＤ分別完成數據收發，ＲＴＳ和ＣＴＳ分別是單片機的發送請求信號和ＧＰＲＳ的應答信號。

在工作過程中，系統將每個周期采集到的８組（１６字節）數據存儲在內存中，并根據設定好的數據發送門限來決定發送時刻，當采集到的數據量達到發送門限時，８個通道的數據將被封裝成一定格式的數據包，同時，ＧＰＲＳ模塊的一次數據發送過程被啟動，該數據被發送至遠端數據處理用計算機。

４．２基于ＧＰＲＳ的數據采集傳輸程序設計

基于ＧＰＲＳ的數據采集傳輸流程如圖７所示。首先，單片機進行系統資源初始化，然后進行ＧＰＲＳ模塊初始化，根據ＧＰＲＳ通信特點，利用串口發送ＡＴ指令對ＧＰＲＳ進行初始化并對遠端數據服務進行連接，從而建立數據通路，最后啟動數據采集過程，在數據采集過程中，通過編程實現根據不同通道信號的特點選擇不同的模擬量范圍和采樣方式，同時啟動轉換，當數據全部轉換結束后調用數據發送程序，并通過ＧＰＲＳ模塊發送到指定網站進行數據處理。

５小結

采用主控芯片８９Ｃ５１單片機以及ＧＰＲＳ模塊ＳＩＭ３００、溫度傳感器ＡＤ５９０、濕度傳感器ＨＭ１５００設計基于ＧＰＲＳ的溫室大棚溫濕度監控系統，該系統可以實現對大棚里植物生長的溫濕度參數進行檢測、監控，可以對棚內環境溫濕度參數進行預設，對現場溫濕度參數進行實時顯示，對超過正常溫濕度范圍的狀況進行實時處理，并可以利用ＧＰＲＳ無線通信技術將棚內環境數據進行實時遠程傳輸，為進一步的存儲和處理打下良好基礎。基于ＧＰＲＳ的溫室大棚溫濕度監控系統長時間工作穩定可靠，該系統在設施農業溫室大棚溫濕度監測中的運用，可以使反季節蔬菜及花卉生產等有效進行，具有一定的市場價值和良好的發展前景。

參考文獻：

［１］ 樊楊鎏，李琨，李靜．無線分布式溫度測控系統的設計及應用［Ｊ］．昆明理工大學學報（理工版），２００６，３１（５）：４８－５１．

［２］ 蔣園園，宋良圖．農田遠程數據采集系統的設計與實現［Ｊ］．自動化與儀器儀表，２００７（６）：１８－１９．

［３］ 李嚴．蔬菜大棚溫濕度智能控制器設計［Ｊ］．農機使用與維修，２０１２（４）：５５－５８．

［４］ 余華芳，吳志東，林智濤．蔬菜溫室大棚溫濕度控制系統［Ｊ］．安徽農業科學，２０１１，３９（２８）：１７６０１－１７６０３．

［５］ 岳青，張海輝，盧博友．基于ＷＳＮ的溫室環境監測節點設計［Ｊ］．安徽農業科學，２０１０，３８（３０）：１７２１９－１７２２１，１７２５４．

［６］ 梁春英，王熙，懷寶付，等．ＣＡＮ總線在溫室多點溫度監測系統中的應用［Ｊ］．安徽農業科學，２０１０，３８（１５）：８２０４－８２０５．

［７］ 王文成，常發亮．溫室大棚溫濕度無線測控系統［Ｊ］．儀表技術與傳感器，２０１１（３）：９８－１０３．

［８］ 李立揚，王華斌，白鳳山．基于ＺｉｇBｅｅ和ＧＰＲＳ網絡的溫室大棚無線監測系統設計［Ｊ］．計算機測量與控制，２０１２，２０（１２）：３１４８－３１５０．

３風扇、電爐、噴水裝置及鍵盤控制電路

３．１風扇、電爐、噴水裝置控制電路

電爐的基本控制電路如圖４所示。當系統發現大棚中溫度低于規定極限值時，單片機Ｐ１．７口將輸出控制信號“１”，使光耦Ｐ（４Ｎ３５）的發光二極管不發光，光敏三極管不導通，繼電器（ＭＣ１４１３）吸合，２２０ Ｖ電源輸入至ＶＯ，為電爐回路供電，加熱裝置開始工作，從而保證棚內溫度升高。換氣扇、水幕降溫裝置與電爐加溫裝置類似，不同之處在于繼電器吸合提供的電源不同，如水幕降溫裝置只需使用直流電源打開電磁水閥即可。

３．２鍵盤控制電路

鍵盤控制電路如圖５所示。其中，ＡＮ１為溫濕度功能轉換鍵；ＡＮ４為設定值與當前值顯示功能轉換鍵（即當ＡＮ４按鍵按下一次時，顯示溫濕度設定值，當ＡＮ４按鍵按下二次時，顯示溫濕度當前值）；ＡＮ２為溫濕度設定值加１鍵；ＡＮ３為設定值減１鍵。對４個按鍵的檢測采用軟件查詢和外部中斷結合方式來完成，在工作過程中，只要任何一個按鍵按下，即通過與門向８０３１的ＩＮＴ０引腳發送中斷請求碼，然后在對應的中斷服務程序中讀Ｐ０口，以此來判斷被按下按鍵號。

４ＧＰＲＳ模塊傳輸系統設計

４．１ＧＰＲＳ接口與數據通信

通信用ＧＰＲＳ模塊采用ＳＩＭ３００，ＳＩＭ３００是一種完善的即插即用三頻／四頻ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模塊［８］，支持用戶定制的ＭＭＩ和鍵盤／ＬＣＤ，內嵌強大的ＴＣＰ／ＩＰ協議棧。由于ＧＰＲＳ模塊使用４線制ＲＳ２３２接口模式［８］，因此，在設計其接口電路時，需要使用１片ＭＡＸ２３２芯片實現４線制的串口ＵＡＲＴ，其中包括ＲＸＤ、ＴＸＤ、ＲＴＳ和ＣＴＳ，并分別使用ＭＡＸ２３２ＣＰＥ芯片的４路電平轉換電路實現其電氣協議的轉換，具體電路如圖６所示。其中，ＲＸＤ、ＴＸＤ分別完成數據收發，ＲＴＳ和ＣＴＳ分別是單片機的發送請求信號和ＧＰＲＳ的應答信號。

在工作過程中，系統將每個周期采集到的８組（１６字節）數據存儲在內存中，并根據設定好的數據發送門限來決定發送時刻，當采集到的數據量達到發送門限時，８個通道的數據將被封裝成一定格式的數據包，同時，ＧＰＲＳ模塊的一次數據發送過程被啟動，該數據被發送至遠端數據處理用計算機。

４．２基于ＧＰＲＳ的數據采集傳輸程序設計

基于ＧＰＲＳ的數據采集傳輸流程如圖７所示。首先，單片機進行系統資源初始化，然后進行ＧＰＲＳ模塊初始化，根據ＧＰＲＳ通信特點，利用串口發送ＡＴ指令對ＧＰＲＳ進行初始化并對遠端數據服務進行連接，從而建立數據通路，最后啟動數據采集過程，在數據采集過程中，通過編程實現根據不同通道信號的特點選擇不同的模擬量范圍和采樣方式，同時啟動轉換，當數據全部轉換結束后調用數據發送程序，并通過ＧＰＲＳ模塊發送到指定網站進行數據處理。

５小結

采用主控芯片８９Ｃ５１單片機以及ＧＰＲＳ模塊ＳＩＭ３００、溫度傳感器ＡＤ５９０、濕度傳感器ＨＭ１５００設計基于ＧＰＲＳ的溫室大棚溫濕度監控系統，該系統可以實現對大棚里植物生長的溫濕度參數進行檢測、監控，可以對棚內環境溫濕度參數進行預設，對現場溫濕度參數進行實時顯示，對超過正常溫濕度范圍的狀況進行實時處理，并可以利用ＧＰＲＳ無線通信技術將棚內環境數據進行實時遠程傳輸，為進一步的存儲和處理打下良好基礎。基于ＧＰＲＳ的溫室大棚溫濕度監控系統長時間工作穩定可靠，該系統在設施農業溫室大棚溫濕度監測中的運用，可以使反季節蔬菜及花卉生產等有效進行，具有一定的市場價值和良好的發展前景。

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［８］ 李立揚，王華斌，白鳳山．基于ＺｉｇBｅｅ和ＧＰＲＳ網絡的溫室大棚無線監測系統設計［Ｊ］．計算機測量與控制，２０１２，２０（１２）：３１４８－３１５０．

３風扇、電爐、噴水裝置及鍵盤控制電路

３．１風扇、電爐、噴水裝置控制電路

電爐的基本控制電路如圖４所示。當系統發現大棚中溫度低于規定極限值時，單片機Ｐ１．７口將輸出控制信號“１”，使光耦Ｐ（４Ｎ３５）的發光二極管不發光，光敏三極管不導通，繼電器（ＭＣ１４１３）吸合，２２０ Ｖ電源輸入至ＶＯ，為電爐回路供電，加熱裝置開始工作，從而保證棚內溫度升高。換氣扇、水幕降溫裝置與電爐加溫裝置類似，不同之處在于繼電器吸合提供的電源不同，如水幕降溫裝置只需使用直流電源打開電磁水閥即可。

３．２鍵盤控制電路

鍵盤控制電路如圖５所示。其中，ＡＮ１為溫濕度功能轉換鍵；ＡＮ４為設定值與當前值顯示功能轉換鍵（即當ＡＮ４按鍵按下一次時，顯示溫濕度設定值，當ＡＮ４按鍵按下二次時，顯示溫濕度當前值）；ＡＮ２為溫濕度設定值加１鍵；ＡＮ３為設定值減１鍵。對４個按鍵的檢測采用軟件查詢和外部中斷結合方式來完成，在工作過程中，只要任何一個按鍵按下，即通過與門向８０３１的ＩＮＴ０引腳發送中斷請求碼，然后在對應的中斷服務程序中讀Ｐ０口，以此來判斷被按下按鍵號。

４ＧＰＲＳ模塊傳輸系統設計

４．１ＧＰＲＳ接口與數據通信

通信用ＧＰＲＳ模塊采用ＳＩＭ３００，ＳＩＭ３００是一種完善的即插即用三頻／四頻ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模塊［８］，支持用戶定制的ＭＭＩ和鍵盤／ＬＣＤ，內嵌強大的ＴＣＰ／ＩＰ協議棧。由于ＧＰＲＳ模塊使用４線制ＲＳ２３２接口模式［８］，因此，在設計其接口電路時，需要使用１片ＭＡＸ２３２芯片實現４線制的串口ＵＡＲＴ，其中包括ＲＸＤ、ＴＸＤ、ＲＴＳ和ＣＴＳ，并分別使用ＭＡＸ２３２ＣＰＥ芯片的４路電平轉換電路實現其電氣協議的轉換，具體電路如圖６所示。其中，ＲＸＤ、ＴＸＤ分別完成數據收發，ＲＴＳ和ＣＴＳ分別是單片機的發送請求信號和ＧＰＲＳ的應答信號。

在工作過程中，系統將每個周期采集到的８組（１６字節）數據存儲在內存中，并根據設定好的數據發送門限來決定發送時刻，當采集到的數據量達到發送門限時，８個通道的數據將被封裝成一定格式的數據包，同時，ＧＰＲＳ模塊的一次數據發送過程被啟動，該數據被發送至遠端數據處理用計算機。

４．２基于ＧＰＲＳ的數據采集傳輸程序設計

基于ＧＰＲＳ的數據采集傳輸流程如圖７所示。首先，單片機進行系統資源初始化，然后進行ＧＰＲＳ模塊初始化，根據ＧＰＲＳ通信特點，利用串口發送ＡＴ指令對ＧＰＲＳ進行初始化并對遠端數據服務進行連接，從而建立數據通路，最后啟動數據采集過程，在數據采集過程中，通過編程實現根據不同通道信號的特點選擇不同的模擬量范圍和采樣方式，同時啟動轉換，當數據全部轉換結束后調用數據發送程序，并通過ＧＰＲＳ模塊發送到指定網站進行數據處理。

５小結

采用主控芯片８９Ｃ５１單片機以及ＧＰＲＳ模塊ＳＩＭ３００、溫度傳感器ＡＤ５９０、濕度傳感器ＨＭ１５００設計基于ＧＰＲＳ的溫室大棚溫濕度監控系統，該系統可以實現對大棚里植物生長的溫濕度參數進行檢測、監控，可以對棚內環境溫濕度參數進行預設，對現場溫濕度參數進行實時顯示，對超過正常溫濕度范圍的狀況進行實時處理，并可以利用ＧＰＲＳ無線通信技術將棚內環境數據進行實時遠程傳輸，為進一步的存儲和處理打下良好基礎。基于ＧＰＲＳ的溫室大棚溫濕度監控系統長時間工作穩定可靠，該系統在設施農業溫室大棚溫濕度監測中的運用，可以使反季節蔬菜及花卉生產等有效進行，具有一定的市場價值和良好的發展前景。

參考文獻：

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［７］ 王文成，常發亮．溫室大棚溫濕度無線測控系統［Ｊ］．儀表技術與傳感器，２０１１（３）：９８－１０３．

［８］ 李立揚，王華斌，白鳳山．基于ＺｉｇBｅｅ和ＧＰＲＳ網絡的溫室大棚無線監測系統設計［Ｊ］．計算機測量與控制，２０１２，２０（１２）：３１４８－３１５０．