王鑫鑫　周國平　韓晨燕等

摘要：為實(shí)現(xiàn)對溫室光照、溫度的智能控制，本研究設(shè)計(jì)了一種基于GPS、GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以超低功耗的MSP430F149為核心控制器，采用無線數(shù)據(jù)傳輸，具有方便與安全的特點(diǎn)，克服了惡劣條件下架線不便的困難。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能實(shí)時有效地感知溫室的環(huán)境狀況。

關(guān)鍵詞：溫室；光照；溫度；監(jiān)控；溫室

中圖分類號： TP277.2；S127 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0424-04

收稿日期：2013-10-30

基金項(xiàng)目：江蘇省研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（編號：201211068098X）。

作者簡介：王鑫鑫（1989—），男，江蘇沭陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽詣踊刂蒲b備、嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用。 E-mail：m15105192019@163.com。

通信作者：周國平，教授。E-mail：zhougp@njfu.com.cn。溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境，為植物生長創(chuàng)造最佳條件，避免外界惡劣氣候?qū)χ参锷L影響的場所。大多數(shù)的溫室控制設(shè)備只專注于溫度的控制，對光照涉及較少。光照也是農(nóng)作物生長發(fā)育的關(guān)鍵條件之一，直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。光照對作物生長的影響主要有兩個方面：一是為農(nóng)作物光合作用提供能量，二是為溫室氣候環(huán)境提供能量。但是過強(qiáng)的光照會促進(jìn)水分的蒸發(fā)，灼傷葉面；過弱的光照不利于植物的光合作用，使植物不能有效地生長。因此，對溫室光照進(jìn)行檢測和監(jiān)控就變得非常重要，判斷什么時候光照太強(qiáng)需要遮光，什么時候光照弱需要補(bǔ)光，結(jié)合已經(jīng)發(fā)展成熟的GSM、GPS網(wǎng)絡(luò)可以極好地實(shí)現(xiàn)對溫室大棚的智能控制，提高勞動生產(chǎn)率。

1系統(tǒng)的組成

溫室環(huán)境控制系統(tǒng)主要由3個部分組成：一是以MSP430F149、光照度采集探頭和DS18B20為核心的光照度、溫度檢測與自動調(diào)節(jié)、報警系統(tǒng)；二是以TC35I和GSM網(wǎng)絡(luò)為核心的短信控制系統(tǒng)；三是農(nóng)戶手機(jī)或者是PC機(jī)軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)組成見圖1。

系統(tǒng)的主要功能：本系統(tǒng)以MSP430F149作為主控器件，采用DS18B20和光照度采集探頭實(shí)時監(jiān)測蔬菜大棚的溫度、光照并與設(shè)定值比較，如果偏差超過規(guī)定值，則喇叭發(fā)出警報，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短信形式發(fā)送到農(nóng)戶手機(jī)。單片機(jī)控制系統(tǒng)自動啟動加熱或者制冷、補(bǔ)光，遮蓋、噴灑設(shè)備來調(diào)節(jié)大棚的溫度、光照度，并實(shí)時顯示大棚的溫度，光照度和時間以供管理者實(shí)時查看。顯示芯片選用低功耗的LCD12864，它帶有中文字庫，同時該模塊具有接口方式簡單和指令操作靈活的優(yōu)點(diǎn)。此外本系統(tǒng)設(shè)置故障報警功能，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警同時將故障信息發(fā)送到農(nóng)戶手機(jī)或上位機(jī)，以便于農(nóng)戶及時檢修。

1.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微控制器是系統(tǒng)的核心，控制著整個系統(tǒng)各個模塊的工作，所以微控制器的選擇在本設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。MSP430F149是一款16位的超低功耗單片機(jī)，具有12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC12）；擁有大容量的存儲空間，包括多達(dá)60 K Flash ROM和2 K RAM；兩通道的串行通信接口，可以滿足GPS、GSM工作的需要。

1.1.1電源轉(zhuǎn)換電路由于 GSM 模塊工作電壓高于單片機(jī)MSP430F149及 GPS 模塊所需電壓值 3.3 V，故該裝置需要兩路電源轉(zhuǎn)換電路[2-3]。這兩路電路采用了可調(diào)整開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片LM2576、KA78R05、高效線性電源轉(zhuǎn)換芯片ASM1117-3.3。其中，一路將12 V的電壓通過芯片LM2576轉(zhuǎn)換成 3.6 V 電壓，供給 GSM 模塊，這里C2用作對12 V輸入電源濾波，因?yàn)長M2576為開關(guān)電源，需要電容和電感做儲能元件，利用其進(jìn)行充放電，并通過改變占空比來改變充放電時間，來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的改變。D1、L1、C5的功能是進(jìn)行充放電，并依據(jù)芯片Datasheet選擇參考值，R1、R2是兩個分壓電阻，送回Feedback端，其分壓決定了Vout的大小，C3、C4電容起濾波作用。另一路先通過 KA78R05 把12 V電壓轉(zhuǎn)為 5 V 電壓，再經(jīng)ASM1117 降壓至 3.3 V電壓供給主控制器及 GPS 模塊。KA78R05是一款輸出5 V的低壓差穩(wěn)壓集成芯片，最大壓差為0.5 V，輸出精度為（5±0.12）V，C6的作用是消減電源中的噪聲，C8、C9一大一小兩個電容對輸出+5 V電壓濾波，提供穩(wěn)定的+5 V電源。該電源轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，V12 為12 V電壓，VTC 為 GSM 模塊供給電壓。

1.1.2光電傳感器探頭的設(shè)計(jì)常用的光照度計(jì)存在測量范圍窄、精度低、成本高等缺點(diǎn)，而且用戶需要手動調(diào)節(jié)測量范圍。光照度計(jì)連續(xù)測量時需長期暴露在陽光下，會產(chǎn)生溫

度漂移，嚴(yán)重影響儀器的測量精度。針對這些不足，本研究引入差分思想，結(jié)合光電檢測技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型光照度計(jì)。

為了克服光電池的溫度漂移，增大共模抑制比，提高測量精度，在光照度傳感器探頭的設(shè)計(jì)時采用了兩只光電性能相同的光電池，組成差動結(jié)構(gòu)（圖3）。探頭包括2個S1087光電池、濾光片、平面狀余弦校正器。

光電池1作為光電傳感器，接受光照；光電池2作為光電池1的補(bǔ)償器，處于遮光狀態(tài)，但光電池1和光電池2同時安裝于同一塊均溫槽上，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，兩只光電池的溫度同時變化，所產(chǎn)生的溫度漂移也相同。光電池的光電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，輸出的信號進(jìn)入差分放大器進(jìn)行差分放大。差分電路對由于光照產(chǎn)生的差模信號有很強(qiáng)大的放大作用，而對由于溫度漂移產(chǎn)生的共模信號有很強(qiáng)大抑制作用。由于本設(shè)計(jì)采用了差分結(jié)構(gòu)，提高了電路的抗干擾能力，提高了共模抑制比，保證了系統(tǒng)的測量精度。經(jīng)差分放大器放大的光照信號經(jīng)過P5.5送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了光照度的自動測量。

1.1.3溫度采集數(shù)字式溫度傳感器[4]把采集到的溫度信息通過單線接口送入DS18B20或者從DS18B20送出，因此從單片機(jī)CPU到DS18B20僅需一條線（和地線），DS18B20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。同時每一個DS18B20在出廠時都有唯一的64位的序列號，因此可以把多個DS18B20放在一條總線上，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的I/O接口的連接?？梢园丫仍O(shè)置為12位的分辨率，溫度分辨率為 0.062 5，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過警戒值時，通過串口將信息從近端的GSM設(shè)備傳送到遠(yuǎn)端的用戶手機(jī)中。endprint

由于溫室大棚內(nèi)不同的蔬菜以及不同的生長周期需要不一樣的光照度和溫度，因此采用3×4行列掃描式矩陣鍵盤，來設(shè)置不同的光照度和溫度。

1.1.4溫度、光照控制電路溫度、光照度控制電路[5]如圖4所示，光照度低于設(shè)定值，P0.6輸出高電平，反向后為低電平；固態(tài)繼電器SSR交流觸電接通，交流觸電線圈得電，接通遮蓋電機(jī)，溫室大棚遮蓋打開，提高大棚光照，反之亦然。溫度的控制通過室內(nèi)噴淋和開關(guān)窗戶來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的控制電路和光照控制電路相同。

1.1.5GPS和GSM短信服務(wù)模塊GSM短信模塊由新版西門子工業(yè)級TC35I模塊和SIM卡組成，在該裝置中負(fù)責(zé)收發(fā)戶主短信并通過串行口與主控制器通信。GPS模塊采用了瑞士公司的NEO-6Q芯片，可以實(shí)現(xiàn)年、月、日、時、分，秒進(jìn)行精確計(jì)時[6-7]同時可對溫室大棚進(jìn)行精確定位，另外添加溫度、光照度報警電路（圖5）。

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化思想，本系統(tǒng)采用C程序軟件開發(fā)平臺IAR Embedded Workbench，這給程序的修改和調(diào)試帶來了很大的方便。

3結(jié)論

本研究利用MSP430單片機(jī)內(nèi)部的ADC進(jìn)行采樣，簡化系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)并結(jié)合目前已經(jīng)發(fā)展成熟的GSM、GPS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對溫室大棚的光照度、溫度數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時顯示，自動調(diào)節(jié)，以及溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控。結(jié)果證明，本系統(tǒng)可以達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求，具有比較高的可靠性、穩(wěn)定性。此外該系統(tǒng)具有優(yōu)良的擴(kuò)展性可以增加濕度，二氧化碳等傳感器來進(jìn)行控制，最大程度地提高溫室生產(chǎn)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[7]陳大鵬，毛罕平，左志宇. 基于Android手機(jī)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（9）：375-379.

[8]曾光宇. 現(xiàn)代傳感器技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：40-50.endprint

由于溫室大棚內(nèi)不同的蔬菜以及不同的生長周期需要不一樣的光照度和溫度，因此采用3×4行列掃描式矩陣鍵盤，來設(shè)置不同的光照度和溫度。

1.1.4溫度、光照控制電路溫度、光照度控制電路[5]如圖4所示，光照度低于設(shè)定值，P0.6輸出高電平，反向后為低電平；固態(tài)繼電器SSR交流觸電接通，交流觸電線圈得電，接通遮蓋電機(jī)，溫室大棚遮蓋打開，提高大棚光照，反之亦然。溫度的控制通過室內(nèi)噴淋和開關(guān)窗戶來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的控制電路和光照控制電路相同。

1.1.5GPS和GSM短信服務(wù)模塊GSM短信模塊由新版西門子工業(yè)級TC35I模塊和SIM卡組成，在該裝置中負(fù)責(zé)收發(fā)戶主短信并通過串行口與主控制器通信。GPS模塊采用了瑞士公司的NEO-6Q芯片，可以實(shí)現(xiàn)年、月、日、時、分，秒進(jìn)行精確計(jì)時[6-7]同時可對溫室大棚進(jìn)行精確定位，另外添加溫度、光照度報警電路（圖5）。

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化思想，本系統(tǒng)采用C程序軟件開發(fā)平臺IAR Embedded Workbench，這給程序的修改和調(diào)試帶來了很大的方便。

3結(jié)論

本研究利用MSP430單片機(jī)內(nèi)部的ADC進(jìn)行采樣，簡化系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)并結(jié)合目前已經(jīng)發(fā)展成熟的GSM、GPS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對溫室大棚的光照度、溫度數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時顯示，自動調(diào)節(jié)，以及溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控。結(jié)果證明，本系統(tǒng)可以達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求，具有比較高的可靠性、穩(wěn)定性。此外該系統(tǒng)具有優(yōu)良的擴(kuò)展性可以增加濕度，二氧化碳等傳感器來進(jìn)行控制，最大程度地提高溫室生產(chǎn)效益。

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由于溫室大棚內(nèi)不同的蔬菜以及不同的生長周期需要不一樣的光照度和溫度，因此采用3×4行列掃描式矩陣鍵盤，來設(shè)置不同的光照度和溫度。

1.1.4溫度、光照控制電路溫度、光照度控制電路[5]如圖4所示，光照度低于設(shè)定值，P0.6輸出高電平，反向后為低電平；固態(tài)繼電器SSR交流觸電接通，交流觸電線圈得電，接通遮蓋電機(jī)，溫室大棚遮蓋打開，提高大棚光照，反之亦然。溫度的控制通過室內(nèi)噴淋和開關(guān)窗戶來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的控制電路和光照控制電路相同。

1.1.5GPS和GSM短信服務(wù)模塊GSM短信模塊由新版西門子工業(yè)級TC35I模塊和SIM卡組成，在該裝置中負(fù)責(zé)收發(fā)戶主短信并通過串行口與主控制器通信。GPS模塊采用了瑞士公司的NEO-6Q芯片，可以實(shí)現(xiàn)年、月、日、時、分，秒進(jìn)行精確計(jì)時[6-7]同時可對溫室大棚進(jìn)行精確定位，另外添加溫度、光照度報警電路（圖5）。

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化思想，本系統(tǒng)采用C程序軟件開發(fā)平臺IAR Embedded Workbench，這給程序的修改和調(diào)試帶來了很大的方便。

3結(jié)論

本研究利用MSP430單片機(jī)內(nèi)部的ADC進(jìn)行采樣，簡化系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)并結(jié)合目前已經(jīng)發(fā)展成熟的GSM、GPS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對溫室大棚的光照度、溫度數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時顯示，自動調(diào)節(jié)，以及溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控。結(jié)果證明，本系統(tǒng)可以達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求，具有比較高的可靠性、穩(wěn)定性。此外該系統(tǒng)具有優(yōu)良的擴(kuò)展性可以增加濕度，二氧化碳等傳感器來進(jìn)行控制，最大程度地提高溫室生產(chǎn)效益。

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[6]徐新強(qiáng)，李正明，張繼軍，等. 基于GPRS和GPS的便攜式農(nóng)田信息采集器[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008（8）：163-166.

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