基于GSM網絡的智能植物澆水系統

涂巧玲，周傳興，牟小燕

(重慶理工大學，重慶　400054)

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基于GSM網絡的智能植物澆水系統

涂巧玲，周傳興，牟小燕

(重慶理工大學，重慶400054)

設計并實現了一種基于GSM網絡的智能植物澆水系統。該系統以GSM網絡為平臺，采用GSM網絡TC35i模塊實現用戶對植物的遠程監控。系統以STC90C51單片機為控制芯片，利用濕度傳感器來檢測土壤的相對濕度，通過單片機進行信息處理。當檢測的濕度小于單片機預存的濕度范圍最小值時，單片機會自動向預存的手機號碼發送濕度信息，用戶可根據濕度信息選擇是否澆水及澆水時間的長短。在定時定量的澆水基礎上，加入了GSM網絡遠程監控，用戶可隨時隨地掌握植物的需水狀態，增強了對自動澆水系統的柔性控制。

智能澆水；濕度傳感器；GSM網絡；STC90C51單片機；TC35i通信模塊

隨著人們生活質量的不斷提高，會在自家的陽臺或庭院種植一些植物。植物的成長離不開水分，一旦人們出差或有事長時間不在家，植物的需水量就無法保證，就會面臨干枯或死亡的威脅。傳統的澆灌方式大多都采用人工澆水，即人為的主觀意識判斷植物是否澆水。目前國內外也有自動澆水的裝置，大部分采用的是定時定量的方式[1]。定時的方式即在固定的時間段澆水，比如每天的清晨或者夜晚澆一次水。定量的澆水方式即每次的澆水量都是固定的。人工或定時定量的灌澆方式能保證植物不死，但不同的植物需水量不同，尤其是一些名貴的植物，對于水分的需求更高。一旦遇到連續晴天，或長時間的雨天，就更無法保證需水量。水分不足，植物無法正常生長；水分過多，植物根莖容易腐爛。因此，迫切需要一種能根據植物需水狀況及時澆水的裝置。本系統采用GSM網絡來實現植物的遠程監控，即使用戶長時間都不在家，只需要給家中的GSM網絡中的TC35i模塊SIM卡發送一個查詢短信，濕度傳感器會將檢測到的植物濕度信息立刻反饋給用戶，用戶根據濕度信息選擇是否需要澆水或澆水時間的長短，從而實現植物的遠程智能澆水。

1　總體設計

系統將GSM網絡中的TC35i通信模塊和STC90C51單片機相結合實現遠程智能植物澆水。利用濕度傳感器SLHT5-1檢測土壤的濕度，將濕度信息反饋給單片機，單片機會自動進行處理[2]。與預先存入的濕度范圍進行對比，當檢測的濕度低于存入植物濕度的最小值時，單片機會自動向預存的手機號發送澆水的請求，用戶根據當時的氣溫綜合判斷是否發送澆水指令給單片機。單片機收到澆水指令后會自動輸出一個高電平信號，驅動繼電器，打開電磁閥，電磁閥控制水泵開關進行澆水。當濕度傳感器檢測的濕度信息大于或等于設定的濕度信息值之后，單片機會自動發送此時的濕度信息給用戶，用戶接收到濕度信息，給單片機一個停止澆水指令，單片機的端口高電平會立即轉換成低電平，繼電器線圈失電，整個回路斷開，水閥閉合，停止澆水[3]。用戶在異地也能隨時掌握植物的狀態。只需要給TC35i模塊中的SIM卡發送一個短信，單片機會立刻將濕度傳感器檢測到的植物濕度信息以短信的形式發送給用戶，用戶確定澆水及澆水時間的長短，達到植物智能澆水的目的。

2　系統的硬件設計

2.1系統的整體設計方案

本設計主要由STC90C51單片機、GSM網絡TC35i模塊、土壤濕度傳感器SLHT5-1、繼電器、電磁閥、水泵、植物盆、手機等組成。濕度傳感器檢測到的濕度信息反饋給單片機，單片機處理對比后，以短信形式通知用戶，用戶一旦確定澆水指令，單片機驅動繼電器控制電磁閥打開水泵，當濕度足夠時停止澆水。智能植物澆水系統組成結構如圖1所示。

圖1　智能植物澆水系統組成結構

2.2STC90C51單片機

本設計采用的是STC90C51單片機。與其他的單片機相比，STC90C51有著超強的抗干擾能力、超大的容量、超低的功耗。整個系統采用單片機與TC35i模塊相結合的方式。兩者成本都不高，很適合用戶使用。采用了TC35i模塊，只要在有手機信號的地方，這個系統就能適用，相比其他需要藍牙、wifi等限制條件的裝置更加方便。

2.3GSM網絡TC35i模塊

TC35i是西門子公司的一款高度集成的GSM模塊?？梢钥焖?、可靠地實現系統方案中的短消息服務[4]。模塊的工作電壓在3.3～3.5 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2 W和1 W。模塊有AT命令集接口，支持TEXT和PDU格式的短消息[5]。

當TC35i與單片機連接時，只需要將TC35i模塊的T-T接到單片機的RXD引腳，T-R接到單片機的TXD引腳，然后共地即可。單片機對TC35i模塊的所有控制都是通過AT指令進行的。TC35i的每一個動作都對應著一個AT指令，并且每一個指令之后都有一個回車符來告訴TC35i模塊該條命令已經發完[6]。

單片機本身的內存有限，所以在整個系統執行的過程中，每當接收一個澆水指令短信，執行完畢這條指令后系統會使用AT+CMGD這條指令自動刪除此條短信來釋放單片機的內存，并且系統會自動識別垃圾短信。一般用戶在接收到單片機反饋回來的濕度信息時會給單片機一個澆水指令。這個澆水指令一般都是固定的，當單片機接收到澆水指令時才執行相應的操作。當接收到的是其他的短信指令，系統會默認為是垃圾短信，不做處理。表1是系統設計過程中常用的AT指令。

表1　常用的AT指令

例如，現在給手機用戶發送一條名為LOVE的英文短信AT(GSM網絡TC35i與STC90C51單片機握手通信)：

AT+CMGF=1(設置短信為PDU格式)

AT+CSCS=”GSM”(設置字符集為GSM)

AT+CMGS=”15870429524”(設置接收的手機號碼)

LOVE(發送英文為LOVE的短信)

圖2是單片機與TC35i模塊的通信測試情況。單片機通過AT指令控制TC35i模塊，給用戶發送一條名為LOVE的短信。硬件連接好單片機和TC35i模塊，利用串口助手調試，在串口上按照以上指令依次輸入得到的顯示結果。

圖2　STC90C51與TC35i的通信測試

2.4溫濕度傳感器

本設計選用的溫濕度傳感器為SLHT5-1。此傳感器為工業型溫濕度傳感器，全量程標定，兩線數字輸出，濕度的量程范圍為0～100% RH,溫度的測量范圍為-40～+123.8 ℃，濕度的測量精度為±3% RH，溫度測量精度為±0.4 ℃，響應時間為8 s，低功耗為80 μW[7]?？梢詫⒋藗鞲衅魈筋^直接深入泥土中，很適合在草坪、花盆、大棚等需要檢測濕度的環境中使用，并且可以直接與單片機相連接，具有很高的一致性。圖3為SLHT5-1濕度傳感器檢測電路。

圖3　SLHT5-1濕度傳感器檢測電路

2.5繼電器

本設計采用是松樂公司出廠的SRD繼電器，與單片機的端口P3.0連接，當端口P3.0輸出為高電平時繼電器得電，控制電磁閥打開水泵開關開始澆水。當單片機得到停止澆水指令時，端口P3.0由高電平變為低電平，繼電器線圈失電，關閉水泵開關，完成澆水。

2.6電磁閥

電磁閥用來控制水泵的打開與關閉。需要注意的是：電磁閥吸合瞬間電流較大，會引起單片機電源跌落致使其復位。一般解決的辦法有2種：一是在硬件連接時，電磁閥的位置盡可能地遠離單片機；本系統采用的是第2種方法，即在硬件連接時加入了電阻電容的方式，方便集中布線[8-10]。

3　系統的軟件設計

3.1系統的軟件核心代碼

整個軟件的核心部分就是TC35i模塊與單片機的通信。初始化單片機、TC35i模塊、電磁閥的各項參數。核心代碼如下：

while(1)

{ if(new _sms==open)

{Read Message();//讀取短信內容 new_sms=0;

if(sms _content == open)//接收短信內容是open

{ P3.2 =0;// 單片機的P3.2輸出高電平，驅動繼電器，打開電磁閥，澆水 sms_content=0;

}

if(sms_content ==close )//如果接收的短信內容是close

{ P3.2 =1;// P3.2輸出低電平，電磁閥關閉，停止澆水

Sms _content=0;

}

Delete Message();//清空短信存儲空間

3.2系統的軟件設計流程

整個流程由初始化子程序、濕度傳感器SLHT5-1檢測土壤濕度子程序、單片機數據對比分析子程序、電磁閥子程序等組成。軟件流程如圖4所示。

圖4　軟件流程

4　結束語

本設計主要介紹了GSM網絡的智能植物澆水系統，并進行了硬件設計與軟件分析。整個設計在傳統的人工或者定時定量澆水方式的基礎上，添加了GSM網絡來遠程實時監控植物的需水狀況，不同植物可以得到更適宜生長的需水量。依據溫濕度傳感器反饋植物的濕度信息，單片機和TC35i及時通信，用戶可以隨時隨地地掌握植物的需水狀況。對于那些工作繁忙，但又愛養植物的用戶而言，只需要在手機上操作，就能遠程掌握自己種植的植物情況。此智能植物澆水系統不僅僅適用于自家陽臺庭院，而且可以運用在溫室大棚、苗圃、草坪等場合。將濕度傳感器換成光敏傳感器、溫度傳感器、人體紅外傳感器等還可以適用于智能家居的燈光控制和空調控制等[11-12]。整個系統組網容易，操作靈活簡單，成本較低，具有較好的應用前景。

就設計本身而言，仍然存在著一些不足的地方，如溫濕度傳感器的壽命有限。在設計中，需要將溫濕度傳感器置于花盆的土壤中，時間一久，溫濕度傳感器易被氧化、腐蝕，它的測量精度就會降低，必須每隔一段時間重新更換溫濕度傳感器。因此，在選擇溫濕度傳感器的時候，要盡可能地選擇測量精度高而且壽命較長的器件。在以后的研究中，對于溫濕度傳感器這方面還需要進行深入研究。

[1]張兆朋.基于AT89S52的家庭智能澆花器的設計[J].電子設計工程，2011(19):39-41.

[2]趙麗，張春林.基于單片機的智能澆花系統的設計與實現[J].長春大學學報，2012(22);651-664.

[3]高強，唐宏偉.基于BIS0001的智能沖水器控制系統設計[J].儀表技術，2012(2):40-42.

[4]李晨，王巍.基于TC35i GSM模塊的功能調試系統設計[J].科技廣場，2010(6):94-95.

[5]常書惠.基于單片機控制的智能家居控制系統[J].電子商務，2012(9):68-69.

[6]劉凱，萬在紅.基于GSM的智能晾衣架系統的軟件設計[J].科技廣場，2014(3);239-241.

[7]程捷，何辰.基于單片機的溫度檢測系統的設計與實現[J].電子測試,2011(6):56-58.

[9]劉明真，陳鴻.基于單片機智能節水灌澆系統設計[J].學術問題研究，2010(1):75-80.

[10]徐文斌，曾全盛.單片機技術應用與實踐[M].北京:清華大學出版社，2012.

[11]童筱鈞,王心語.新型聲表面波濕度傳感器的研究[J].壓電與聲光,2014(5):727-729.

[12]中國科學院半導體研究所.半導體所研制成功無源/半無源雙模無線溫濕度傳感器[J].電子元件與材料,2015(8):77-77.

(責任編輯劉舸)

Intelligent Water Plants System Based on GSM Network

TU Qiao-ling, ZHOU Chuan-xing, MOU Xiao-yan

(Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

We designed and implemented an intelligent water plants system based on GSM network. With GSM network as platform, this system used the GSM network TC35i module to implement the users’ remote monitoring of plants. The system took microcontroller as control chip, and used the humidity sensors to detect the relative humidity of the soil, and had SCM information processing through STC90C51. When that testing the humidity is less than the minimum microcontroller pre-existing humidity range, single-chip computer automatically sent information to the cell phone number, and humidity deposited user information according to the humidity and choose whether water plants or not or the length of watering time. On the basis of traditional water, the GSM network remote monitoring is joined, and the user can master plant water status at any time and any place, which enhances the flexible control of automatic watering system.

intelligent watering; humidity sensor; GSM network; STC90C51 microcontroller; TC35i communication module

2016-02-24

重慶市智能家居新產品研發團隊支持計劃項目(CCSTC2013KJRC-TDJS40012)

涂巧玲(1963—),女,重慶人,教授,主要從事控制技術和無線傳感器網絡的研究，E-mail:tql@cqut.edu.cn。

format：TU Qiao-ling, ZHOU Chuan-xing, MOU Xiao-yan.Intelligent Water Plants System Based on GSM Network[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):87-91.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.014

TP368

A

1674-8425(2016)08-0087-05

引用格式：涂巧玲,周傳興,牟小燕.基于GSM網絡的智能植物澆水系統[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(8):87-91.