基于短信技術(shù)的智能大棚環(huán)境控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

摘 要：文章研究了大棚的環(huán)境監(jiān)測控制問題，提出了一種基于短信技術(shù)的智能大棚環(huán)境控制方案，利用STC89C52單片機和多種傳感器進行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計了智能大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了大棚溫濕度、二氧化碳濃度監(jiān)測和越限報警的功能。同時，利用GSM模塊，結(jié)合手機APP，達到對大棚環(huán)境的實時遠程管理。本系統(tǒng)實時性好，操作方便，工作穩(wěn)定，具有較大的市場應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：單片機；GSM短信模塊；環(huán)境監(jiān)測

引言

隨著社會市場經(jīng)濟不斷的發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展趨勢日益顯著。黨的十八大關(guān)于農(nóng)業(yè)信息化方案中強調(diào)：充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，以不斷提高農(nóng)業(yè)資源利用率和勞動生產(chǎn)率，推動農(nóng)業(yè)發(fā)展向集約型、規(guī)模化轉(zhuǎn)變，提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。目前，溫室大棚的數(shù)量隨著反季節(jié)蔬菜的需求量增加而不斷增長，傳統(tǒng)的溫濕度控制方法只能進行簡單的監(jiān)測和報警，不能及時調(diào)控大棚溫度和濕度，不僅費時費力，而且效率低下[1-2]。目前，有相關(guān)研究采用ZigBee無線通信技術(shù)進行溫室大棚監(jiān)控[3-4]，但是這一方法存在傳輸距離短、無線傳輸路由復(fù)雜經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包等問題。文獻[5]采用GPRS技術(shù)實現(xiàn)遠距離農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，但人機交互性還存在一定的局限性。因此，開發(fā)一套功能完善的蔬菜溫室大棚智能控制系統(tǒng)，將具有良好的經(jīng)濟效益和社會意義。

文章研究的基于單片機的智能大棚環(huán)境控制系統(tǒng)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實時顯示，同時充分利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，完成感知節(jié)點與移動終端的數(shù)據(jù)傳輸，通過手機APP實現(xiàn)遠程控制，更具人性化，可靠性、靈活度更高，利于管理，以提高大棚作物的產(chǎn)量。

1 工作原理

本系統(tǒng)以STC80C52單片機為核心，通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集，然后通過單片機處理數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602液晶顯示模塊上。通過對不同參數(shù)設(shè)定不同閾值，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)超過閾值時就進行聲光報警，同時利用GSM網(wǎng)絡(luò)，以短信形式通知移動終端，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由單片機、傳感器、控制裝置、GSM模塊等組成“人機智能監(jiān)控”系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。該監(jiān)控系統(tǒng)充分利用GSM手機通信模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊、CO2濃度控制模塊和液晶顯示器，實時測量溫室大棚中的環(huán)境參數(shù)，測量結(jié)果可以通過短信通知工作人員。參數(shù)異常時，可利用短信控制相關(guān)設(shè)備，直至溫室大棚中的此項參數(shù)恢復(fù)正常值。在Android平臺上開發(fā)的、用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的APP，實現(xiàn)了智能終端硬件和軟件的分離，從而極大地擴展整個系統(tǒng)的功能。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

以單片機為控制核心，采用溫濕度、二氧化碳濃度測量技術(shù)，通信技術(shù)，控制技術(shù)等技術(shù)，以溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器作為測量元件，構(gòu)成智能大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)。主機模塊由STC89C52、電源、時鐘電路等組成。信號采集模塊由傳感器電路、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器等組成。主要器件有：單片機STC89C52、GSM模塊SIM900A、溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器SHT11、CO2傳感器TGS4160、液晶顯示LCD1602等。

2.2模塊設(shè)計

2.2.1 GSM模塊

GSM模塊采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口和SMT封裝，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，采用ARM926EJ-S架構(gòu)，性能強大，可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序。由于短消息具有實現(xiàn)簡單、通信成本低、保密性好、直接面向用戶手機、且不受地域限制等特點，是目前利用最為廣泛的通訊方式。在該報警系統(tǒng)中，將用戶手機作為接收終端，當(dāng)大棚內(nèi)溫濕度、CO2濃度超過預(yù)設(shè)值時，手機會自動收到一條來自智能報警系統(tǒng)的報警短信，并對此進行數(shù)據(jù)反饋，這樣便可實時、可靠、快捷的實現(xiàn)遠程報警。

2.2.2 溫度檢測模塊

溫度傳感器采用了DS18B20，它能夠?qū)囟戎苯愚D(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 可以通過一根數(shù)據(jù)與單片機進行通訊，不需要外加模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，測量溫度范圍為-55～-125°C，在-10～85°C范圍內(nèi)，精度為±0.5°C，完全可以滿足蔬菜大棚的溫度要求。

2.2.3 濕度檢測模塊

采用SHT11傳感器進行濕度檢測，SHT11具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試等特點，信號的調(diào)理都在芯片內(nèi)部完成，節(jié)省I/O口線和A/D器件，監(jiān)測準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，實現(xiàn)了對溫濕度參數(shù)的測量。

2.2.4 CO2濃度檢測模塊

CO2濃度傳感器采用TGS4160，它一種固態(tài)電化學(xué)型CO2傳感器，該器件除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性強等特性外，同時還具有耐高濕和耐低溫等特點，測量范圍可達0～5000ppm。另外該傳感器模擬輸出端輸出的電平值跟CO2濃度值保持良好的線性關(guān)系，比較適合蔬菜大棚內(nèi)部CO2濃度的檢測。

2.2.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，帶8個模擬量輸入通道，芯片內(nèi)帶通道地址譯碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。典型時鐘640kHz，單電源5V電壓下工作，測得的CO2模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到單片機中進行相應(yīng)的處理。輸出控制通道由繼電器、空調(diào)、CO2發(fā)生器、聲光報警轉(zhuǎn)置等組成。

2.2.6 液晶顯示模塊

人機交互部分由LCD組成，采用的是LCD1602，該點陣的屏顯成本相對較低，適用于各類儀器、小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域，通過編程實現(xiàn)三組參數(shù)的滾動顯示。同時我們利用單片機的串口連接GSM模塊，實現(xiàn)大棚終端與手機的數(shù)據(jù)交換，并開發(fā)手機APP，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程獲取數(shù)據(jù)和對環(huán)境的遠程管理。

2.2.7 報警電路

報警功能根據(jù)農(nóng)作物種類、生長周期和季節(jié)的變化預(yù)先設(shè)定合適的閾值，超出閾值時，二極管和蜂鳴器導(dǎo)通，發(fā)出警報。

3 軟件設(shè)計

工作人員開機后，系統(tǒng)可以根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的溫濕度和CO2濃度對大棚中的環(huán)境進行自動的調(diào)節(jié)。首先系統(tǒng)實時監(jiān)測環(huán)境中的溫濕度和CO2濃度值，在LCD液晶屏上實時滾動顯示，同時也可以進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。如當(dāng)CO2濃度低于我們設(shè)定的最低值時，系統(tǒng)開啟CO2發(fā)生器提高環(huán)境中的CO2濃度，反之則啟動風(fēng)扇，減小其濃度。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

為了安全起見，防止工作人員不在現(xiàn)場時作物因環(huán)境劇烈變化而導(dǎo)致農(nóng)作物死亡，當(dāng)環(huán)境劇烈變化時，系統(tǒng)會開啟聲光報警系統(tǒng)，同時會通過GSM模塊向已設(shè)定的工作人員發(fā)送環(huán)境參數(shù)及報警信號，以便工作人員能及時采取措施。另外當(dāng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障時，工作人員還可以利用APP終端實時獲取大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并通過APP向單片機發(fā)送控制信號來遠程控制大棚環(huán)境，真正的實現(xiàn)蔬菜大棚的智能化、遠程化管理。

4 結(jié)果分析

該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時遠程獲取溫室大棚內(nèi)部的空氣溫濕度、土壤水分溫度、CO2濃度，通過遠程通信控制，遠程或自動控制并調(diào)整溫度、濕度、CO2濃度，保證溫室大棚內(nèi)環(huán)境最佳，為作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全創(chuàng)造條件。充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用。

當(dāng)大棚中出現(xiàn)溫度、濕度、CO2含量低于（高于）監(jiān)測范圍時，系統(tǒng)警報燈亮，并通過GSM模塊實現(xiàn)遠程告知用戶，通過遠程控制采取有效的應(yīng)急措施，使監(jiān)控效果更靈活。

5 結(jié)束語

文章所設(shè)計的智能大棚環(huán)境控制系統(tǒng)是一個針對蔬菜、果物等大棚環(huán)境的在線實時監(jiān)控系統(tǒng)，用來實現(xiàn)對大棚參數(shù)的監(jiān)測、報警與控制，具有遠程控制、測量準(zhǔn)確、安全性好、適用性強、交互性好等優(yōu)點。該系統(tǒng)可對大棚農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境進行及時、適當(dāng)?shù)目刂疲谧魑锏纳L發(fā)育，有助于提高作物產(chǎn)量。

參考文獻

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[5]李明軍，尹文明.基于GPRS的大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32（8）：83-85.

作者簡介：丁童彤（1995-），女，本科生，主要研究方向：單片機系統(tǒng)。

劉璐（1995-），男，本科生，主要研究方向：單片機系統(tǒng)。

尚慶民（1995-），女，本科生，主要研究方向：單片機系統(tǒng)。

杜春賽（1995-），男，本科生，主要研究方向：單片機系統(tǒng)。

*通訊作者：樓旭陽（1982-），男，博士，副教授，主要研究方向：復(fù)雜控制系統(tǒng)理論及應(yīng)用。