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(jī)和多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)了智能大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了大棚溫濕度、二氧化碳濃度監(jiān)測和越限報(bào)警的功能。同時(shí)，利用GSM模塊，結(jié)合手機(jī)APP，達(dá)到對大棚環(huán)境的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程管理。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(jī)；GSM短信模塊；環(huán)境監(jiān)測

引言

隨著社會(huì)市場經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(dòng)生產(chǎn)率，推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展向集約型、規(guī)?；D(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(jìn)行簡單的監(jiān)測和報(bào)警，不能及時(shí)調(diào)控大棚溫度和濕度，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)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(jìn)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(xiàn)[5]采用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但人機(jī)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(jì)效益和社會(huì)意義。

文章研究的基于單片機(jī)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(shí)時(shí)顯示，同時(shí)充分利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，完成感知節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)傳輸，通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jī)為核心，通過傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過單片機(jī)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(shí)就進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)利用GSM網(wǎng)絡(luò)，以短信形式通知移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由單片機(jī)、傳感器、控制裝置、GSM模塊等組成“人機(jī)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(jī)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(shí)時(shí)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(shí)，可利用短信控制相關(guān)設(shè)備，直至溫室大棚中的此項(xiàng)參數(shù)恢復(fù)正常值。在Android平臺(tái)上開發(fā)的、用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的APP，實(shí)現(xiàn)了智能終端硬件和軟件的分離，從而極大地?cái)U(kuò)展整個(gè)系統(tǒng)的功能。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

以單片機(jī)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(jī)模塊由STC89C52、電源、時(shí)鐘電路等組成。信號(hào)采集模塊由傳感器電路、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器等組成。主要器件有：單片機(jī)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(jì)

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(shí)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(qiáng)大，可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序。由于短消息具有實(shí)現(xiàn)簡單、通信成本低、保密性好、直接面向用戶手機(jī)、且不受地域限制等特點(diǎn)，是目前利用最為廣泛的通訊方式。在該報(bào)警系統(tǒng)中，將用戶手機(jī)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(shí)，手機(jī)會(huì)自動(dòng)收到一條來自智能報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警短信，并對此進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，這樣便可實(shí)時(shí)、可靠、快捷的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)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(hào)， 可以通過一根數(shù)據(jù)與單片機(jī)進(jìn)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(jìn)行濕度檢測，SHT11具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試等特點(diǎn)，信號(hào)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(shí)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(qiáng)等特性外，同時(shí)還具有耐高濕和耐低溫等特點(diǎn)，測量范圍可達(dá)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(gè)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(shí)鐘640kHz，單電源5V電壓下工作，測得的CO2模擬信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)中進(jìn)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(bào)警轉(zhuǎn)置等組成。

2.2.6 液晶顯示模塊

人機(jī)交互部分由LCD組成，采用的是LCD1602，該點(diǎn)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(shí)現(xiàn)三組參數(shù)的滾動(dòng)顯示。同時(shí)我們利用單片機(jī)的串口連接GSM模塊，實(shí)現(xiàn)大棚終端與手機(jī)的數(shù)據(jù)交換，并開發(fā)手機(jī)APP，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)和對環(huán)境的遠(yuǎn)程管理。

2.2.7 報(bào)警電路

報(bào)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(shí)，二極管和蜂鳴器導(dǎo)通，發(fā)出警報(bào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

工作人員開機(jī)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(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)。首先系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中的溫濕度和CO2濃度值，在LCD液晶屏上實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示，同時(shí)也可以進(jìn)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(shí)，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(dòng)風(fēng)扇，減小其濃度。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)開啟聲光報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)會(huì)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(bào)警信號(hào)，以便工作人員能及時(shí)采取措施。另外當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障時(shí)，工作人員還可以利用APP終端實(shí)時(shí)獲取大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并通過APP向單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)來遠(yuǎn)程控制大棚環(huán)境，真正的實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚的智能化、遠(yuǎn)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(shí)時(shí)遠(yuǎn)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(yuǎn)程通信控制，遠(yuǎn)程或自動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)警報(bào)燈亮，并通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程告知用戶，通過遠(yuǎn)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(jì)的智能大棚環(huán)境控制系統(tǒng)是一個(gè)針對蔬菜、果物等大棚環(huán)境的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)對大棚參數(shù)的監(jiān)測、報(bào)警與控制，具有遠(yuǎn)程控制、測量準(zhǔn)確、安全性好、適用性強(qiáng)、交互性好等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)可對大棚農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行及時(shí)、適當(dāng)?shù)目刂?，利于作物的生長發(fā)育，有助于提高作物產(chǎn)量。

參考文獻(xiàn)

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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(jī)系統(tǒng)。

劉璐（1995-），男，本科生，主要研究方向：單片機(jī)系統(tǒng)。

尚慶民（1995-），女，本科生，主要研究方向：單片機(jī)系統(tǒng)。

杜春賽（1995-），男，本科生，主要研究方向：單片機(jī)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。