劉曉青

(楚雄師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 楚雄 675000)

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溫室大棚GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究*

劉曉青

(楚雄師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 楚雄 675000)

本系統(tǒng)是一個(gè)以AVR單片機(jī)為主控制器，通過(guò)傳感器獲取空氣濕度、空氣溫度、土壤溫度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，利用GSM網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚空氣溫濕度、土壤溫濕度、通風(fēng)、灌溉、施肥的遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制。只需一次性設(shè)置好參數(shù)需求，系統(tǒng)便可長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)管理，也可通過(guò)手機(jī)人為干預(yù)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，并且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的結(jié)合，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值。

AVR單片機(jī)；大棚；自動(dòng)化控制；遠(yuǎn)程控制

0 引言

溫室大棚為農(nóng)作物提供穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，環(huán)境要求比較苛刻的植物對(duì)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)要求也相對(duì)較高，環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)及控制往往是一項(xiàng)困難且復(fù)雜的工作，所以自動(dòng)控制溫室大棚具有較大的研究?jī)r(jià)值。目前，自動(dòng)溫室控制系統(tǒng)主要分為兩大類型：自動(dòng)控制大棚、智能化控制大棚。自動(dòng)控制大棚成本較低，但功能簡(jiǎn)單，而智能大棚功能豐富，甚至可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物不同生長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行不同處置，但成本高昂。本文所研究的自動(dòng)化溫室大棚控制系統(tǒng)，除了在普通自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上大大提高了精度，并且創(chuàng)新了通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程手機(jī)控制，擺脫工控主機(jī)和通訊線路的束縛，隨時(shí)隨地進(jìn)行觀察控制，并且價(jià)格低廉，比較符合目前經(jīng)濟(jì)較不發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)業(yè)需求現(xiàn)狀，以較低的成本投入即可大大提高生產(chǎn)效率，并且具備向智能化控制升級(jí)的可行性。[1]

1.硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 溫室大棚GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能溫室大棚遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，MEGA2560控制器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心?？刂破魍ㄟ^(guò)各類型傳感器獲取光照強(qiáng)度、土壤溫濕度、空氣溫濕度后，進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，然后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模組控制相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證溫室環(huán)境條件精確的處于設(shè)定范圍之內(nèi)。控制器還通過(guò)GSM模塊與用戶手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，用戶可以實(shí)時(shí)了解當(dāng)前溫室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，必要時(shí)可以發(fā)送命令進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)節(jié)。[2]

1.1 MEGA2560微控制器

Mega2560是采用USB接口的核心電路板，具有54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量I/O接口的設(shè)計(jì)。處理器核心是ATmega2560，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，4路UART接口。豐富的模擬和數(shù)字輸入接口使其特別適合于應(yīng)用大量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的環(huán)境，也能夠支持大量的數(shù)字輸出接口進(jìn)行復(fù)雜的外部設(shè)備控制。4路UART接口則可以負(fù)責(zé)與上位機(jī)及配套模組進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。[3]

1.2環(huán)境參數(shù)采集

1.2.1 SHT10溫濕度數(shù)字傳感器

系統(tǒng)采用瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT10傳感器來(lái)獲取大棚內(nèi)的空氣溫度和濕度。SHT10傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，具有極高的精確度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

1.2.2 SEN0014土壤濕度傳感器

SEN0014傳感器是一款采集土壤濕度數(shù)據(jù)的模擬傳感器，其工作原理是土壤的電阻值隨著土壤濕度的變化而變化，土壤濕度越大，電阻值越小，土壤濕度越小，則電阻值越大，隨著電阻值變化的是傳感器輸出腳上的電壓值，控制器對(duì)此信號(hào)經(jīng)行A/D轉(zhuǎn)換，便可以得到土壤的濕度值。

1.2.3熱電堆紅外溫度傳感器

土壤的溫度使用接觸式的傳感器進(jìn)行采集并不理想，因?yàn)橹糜谕寥乐械臏囟葌鞲衅魍鶗?huì)在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障并導(dǎo)致極大誤差。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量，熱電堆紅外傳感器可以直接感應(yīng)熱輻射，溫度測(cè)量范圍內(nèi)能達(dá)到±1℃的精度，所以在土壤上方設(shè)置熱電堆紅外非接觸式溫度傳感器是最理想的方法，精度高、穩(wěn)定性好。

1.2.4光敏傳感器

光敏傳感器中最簡(jiǎn)單的電子器件是光敏電阻，它能感應(yīng)光線的明暗變化，電阻值變化，輸出變化的模擬信號(hào)，控制器對(duì)此信號(hào)經(jīng)行A/D轉(zhuǎn)換，便可以得到大棚的光照強(qiáng)度值。

1.3遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊

1.3.1 SIM900A GSM模塊

SIM900A是SIMCom公司的雙頻GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝形式，通過(guò)AT命令控制，使用UART接口與MEGA2560控制器連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。能夠方便地使用運(yùn)營(yíng)商提供的GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)接入，用戶手機(jī)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)發(fā)出短信指令即可將控制數(shù)據(jù)發(fā)送至控制系統(tǒng)。

1.4執(zhí)行模組

系統(tǒng)使用MEGA2560控制器的數(shù)字輸出信號(hào)來(lái)進(jìn)行外部設(shè)備控制，但是微控制器輸出腳的5V直流信號(hào)功率較小，通過(guò)它僅能驅(qū)動(dòng)小功率電磁繼電器來(lái)控制小功率設(shè)備，所以系統(tǒng)在繼電器后端又加入了大功率交流接觸器，使得系統(tǒng)能夠控制水泵、加熱設(shè)備等大功率設(shè)備的打開(kāi)及關(guān)閉。

系統(tǒng)中頂部遮陽(yáng)簾的開(kāi)合是由微控制器控制一個(gè)可以正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的舵機(jī)來(lái)完成的，遮陽(yáng)簾的開(kāi)合程度并未使用傳統(tǒng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)完成，因?yàn)橄尬婚_(kāi)關(guān)只能在觸動(dòng)它的時(shí)候才能獲取遮陽(yáng)簾的位置信息，難以精確的控制開(kāi)合度，也無(wú)法讓遮陽(yáng)簾停留在任意需要的位置。所以系統(tǒng)采用了一個(gè)超聲波距離傳感器來(lái)獲取遮陽(yáng)簾位置信息，通過(guò)超聲波傳感器不停地回傳一個(gè)距離參數(shù)，便可以準(zhǔn)確的知道遮陽(yáng)簾的開(kāi)合程度，也可以讓其停留在任意需要的位置。[4]

2.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了大量的傳感器盡可能的獲取全面的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，運(yùn)算后由大量的數(shù)字和模擬輸出接口來(lái)完成豐富的外部執(zhí)行模組的控制，所以軟件部分的編寫(xiě)主要涉及到數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行控制、GSM通信三大部分。其基本邏輯如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要邏輯圖

其中傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字輸出接口的執(zhí)行控制較為常見(jiàn)，而GSM模塊的控制則是通過(guò)AT指令集完成的。其原理就是在與GSM模塊通信的串口上發(fā)送已經(jīng)由廠商定義好的各種字符串指令及我們需要發(fā)送的信息，即可讓GSM模塊發(fā)送短信或撥打電話。

在串口發(fā)送AT+CMGF=1 至GSM模塊讓模塊進(jìn)入短信模式，發(fā)送AT+CMGS= ""+13988888888+" " "將讓GSM往號(hào)碼為13988888888的用戶發(fā)送一條短信，內(nèi)容是接下來(lái)串口發(fā)送的文本信息。

而當(dāng)GSM模塊接收到用戶發(fā)送過(guò)來(lái)的短信時(shí)，GSM模塊同樣在串口上向微控制器發(fā)送整條字符串信息，其中包括時(shí)間，對(duì)方號(hào)碼，信息內(nèi)容等諸多信息，通過(guò)字符串的截取便可以將相應(yīng)需要的信息提取出來(lái)，然后進(jìn)行運(yùn)算分析，便可以知道用戶發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令是什么含義，并且根據(jù)命令控制執(zhí)行模塊做出相應(yīng)動(dòng)作完成操作。

部分程序片段：

3.結(jié)論

按照本研究的系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作模型，并在模型中進(jìn)行了模擬種植，在種植的過(guò)程中多次調(diào)整預(yù)置參數(shù)，系統(tǒng)精確度逐步完善，最終成功自動(dòng)種植多種對(duì)環(huán)境要求不同的植物，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。并且系統(tǒng)具備極大擴(kuò)展空間，可以隨意擴(kuò)展上位機(jī)及下位機(jī)，進(jìn)行更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信和控制操作，能夠更進(jìn)一步的發(fā)展成為更優(yōu)秀更強(qiáng)大的溫室大棚智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，本研究對(duì)溫室大棚的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)踐方法做了一次非常有意義的探索。[5]

[1]鄭文剛，趙春江，王紀(jì)華.溫室智能控制的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2004,(02):8—11.

[2]蔣峰，韓先花，賀超英.溫室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(08):87—89.

[3]駱順紀(jì).無(wú)人機(jī)最簡(jiǎn)控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，18(11)，47—50.

[4]郭志偉，張?jiān)苽?，李?等.基于GSM的農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)報(bào)，2009，4(03)：161—166.

[5]楊耿煌.郭開(kāi)榮.李亞偉.基于GSM短信平臺(tái)的灌溉自動(dòng)控制器的開(kāi)發(fā)[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36(06)：753—755.

(責(zé)任編輯 劉洪基)

A Study of the Greenhouse GSM Network Remote Automatic Control System

LIU Xiaoqing

(SchoolofComputerScience&Information,ChuxiongNormalUniversity,Chuxiong, 675000,YunnanProvince)

Using an AVR SCM as the MCU, this system enables remote supervision on and control of temperature and humidity of the air, temperature and humidity of the soil, ventilation, irrigation and fertilization in the greenhouse by obtaining humidity and temperature of the air, temperature of the soil, illumination and other environmental parameters through sensors and communicating with mobile devices through the GSM network. All we need to do is set the required parameters and the system will automatically manage all for a prolonged period of time. Of course, human interference through mobile phone remains possible. Pilot operation shows that the system is stable and reliable, the date accurate, its response fast, and combination between automatic control and manual control enabled. It is, therefore, of high value to popularize this system.

AVR singlechip machine (SCM), greenhouse, automatic control, remote control

云南省教育廳科研基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2012Y132；楚雄師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：11YJRC08。

2016 - 04 - 06

劉曉青(1981—)，女，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程。

S625.5

A

1671 - 7406(2016)06 - 0054 - 04