全球移動通信系統（GSM）和單片機技術在家庭農場高效管理中的應用

趙方+蘇詠梅

摘要：根據家庭農場種植規模大且分散的特點，設計基于全球移動通信系統（GSM）短信息技術的家庭農場高效管理的遠程實時監控裝置。該裝置由檢測終端、監控中心終端和手機監控終端組成。檢測終端用SHT11檢測家庭農場的溫、濕度，用BH1710FVC檢測家庭農場的光照強度，用KSC-6V檢測土壤濕度信息，采用TC35I模塊通過GSM網絡將家庭農場的環境參數實時傳送至監控中心和農場主手機中，從而實現用較少的勞動力集中管理較大規模家庭農場的目的，節約了大量的勞動力，該設計將會加快我國家庭農場發展的步伐。

關鍵詞：家庭農場；全球移動通信系統（GSM）；短信息；單片機；遠程監控

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）04-0194-04

“家庭農場”一詞源于歐美，2013年“家庭農場”的概念首次在中央一號文件中出現。在我國，家庭農場是指以家庭成員為主要勞動力，從事農業規模化、集約化、商品化生產經營，并以農業收入為家庭主要收入來源的新型農業經營主體，農場主本人及其家庭成員直接參加生產勞動。2013年，中央一號文件提出家庭農場的經營模式后，各地政府鼓勵和支持承包土地向專業大戶、家庭農場、農民合作社流轉。透過中央一號文件對“家庭農場”的鼓勵和支持態度，人們看到了一條農業農村改革的新路徑，一條充滿陽光和希望的新路徑。

[JP2]當前，隨著城鎮化的不斷發展，數以億計的農民工進城打工，有很多農民工還長期在城市駐扎下來。而與之相對應的問題是，在不少村莊出現了“青壯年荒”，或者說是“勞力荒”，村里留守的大多是老人和兒童，青壯年已經不愿意或者因工作原因不能、不便回家種地，大量的耕地主要靠老人打理。盡管有日益發展的農業機械化幫忙，但年齡越來越大的老年人們還是越來越感到力不從心了。當前家庭農場的種植主要以溫室大棚和大面積的規模種植為主。不論是數目較多的溫室大棚管理還是大面積的規模種植管理，都需要花費大量的人力去查看溫室的溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照度等指標。所以，要響應中央的號召加快家庭農場發展的步伐，就必須想辦法充分利用信息技術，在勞動力有限的條件下，實現家庭農場的高效管理。本研究開發了1種利用全球移動通信系統（GSM）短信息技術，是實現家庭農場的集中管理、遠程監控的裝置。[JP]

1遠程實時監控裝置整體思路

當前，制約家庭農場迅速發展的因素很多，其中家庭勞動力不足是導致家庭農場的規模不大、發展緩慢的重要原因。目前，家庭農場主要以溫室大棚種植和大面積產業化種植為主，對于溫室大棚來說，溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照度等參數是影響大棚內植物生長的關鍵因素，對于大面積產業化種植來說，土壤濕度的保持即何時澆水是關鍵因素。據此，基于單片機技術、檢測技術和GSM無線通信技術設計可以通用于溫室和大面積種植的土地的集中檢測、管理和自動控制裝置，可節省人力、物力，有助于加快家庭農場的規模和發展速度。本裝置主要包括監控終端控制器、上位機監控中心軟件及農戶手機3個部分，系統組成結構見圖1。

本裝置通用于溫室大棚、大面積種植等模式的家庭農場。加上圖1虛線框中的傳感器可以構成溫室大棚的遠程集中管理，對于大面積種植的集中管理可以去掉虛線框中的部分。整個裝置分為兩大部分：一部分是以微處理器為核心的溫度、濕度、光照度的自動控制終端；另一部分是以GSM模塊和個人計算機（PC）為核心的信息遠程傳輸和監控終端。控制終端的功能是溫度傳感器、空氣濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器將采集到的實時信息經過模擬量/數字量（A/D）轉換后經微處理器的輸入/輸出（I/O）口送入微處理器并與事先設定的值比較，根據比較結果決定是否通風、澆水等，微處理器把決策結果信號經過D/A轉換電路后經功率放大去驅動執行機構發出相應的動作，如接通澆水電源開始澆水、啟動大棚覆蓋溫控設備進行升溫或降溫、開啟加濕/除濕設備從而實現溫、濕度和光照度等的自動調節。裝置中的液晶顯示器可以實時顯示現場的溫度、濕度、光照度等信息。通過系統鍵盤可以設定現場的溫度、濕度、光照度等信息。若現場的某個傳感器故障或者執行機構自動調節不成功，則發出聲光報警，同時微處理器啟動GSM模塊，將報警信息傳輸至上位機監控中心和用戶手機，以便用戶及時作出處理，避免造成不必要的損失。遠程監控終端的功能是接受來自控制終端的各種信息和數據并在上位機監控軟件中顯示以方便農場主查看，農場主還可以通過上位機軟件和GSM通信對控制終端進行控制，上位機軟件帶有數據庫，農場主可以方便地查看各

個監測點的歷史數據信息。同時為實現雙重保險，監控終端的報警等緊急信息還可以同時發給農場主手機。

2監控裝置的硬件設計

2.1控制器的選擇

主控制器選擇MSP430單片機，它具有豐富的片上資源，有2個16位定時器、14路的12位模數轉換器、6路I/O口，2路串行通信端口等資源，具有功耗低、抗電磁干擾能力強、速度快等特點[1]，本設計選擇該單片機作為主控制器，完全滿足設計和工作環境的要求。

2.2家庭農場環境參數檢測電路的設計

家庭農場（以溫室大棚為例）中空氣的溫、濕度采用數字集成溫濕度傳感器SHT11，SHT11是將溫濕度傳感器、信號放大調理電路、A/D轉換電路、工業標準的I2C總線接口全部集成在1塊微型電路板上，輸出完全標定的超低功耗的數字信號傳感器。默認的測量溫度、相對濕度的分辨率分別為14、12位，設計中均設置為12位分辨率，則相對濕度測量范圍為0%～100%，分辨率為0.3%，溫度測量范圍為-40～1238 ℃，分辨率為0.01 ℃。其供電電壓是2.4～5.5 V，推薦值是3.3 V。空氣溫、濕度檢測電路見圖2-a。

光照度傳感器選用數字照度傳感器BH1710FVC，它是16位串行數字輸出型環境光照傳感器，采用I2C總線結構。該傳感器接近人的視覺，具有低功耗、與人的視覺靈敏度相似的光譜靈敏度等特點，可以檢測從黑暗到日光直射范圍的光照度，工作電壓是2.4～3.6 V，溫度范圍是-40～100 ℃。該傳感器本身具有高、中、低3種測量精度模式，可以通過指令進行選擇，其測量電路見圖2-b。