涂巧玲，周傳興，牟小燕

(重慶理工大學(xué)，重慶　400054)

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基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能植物澆水系統(tǒng)

涂巧玲，周傳興，牟小燕

(重慶理工大學(xué)，重慶400054)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能植物澆水系統(tǒng)。該系統(tǒng)以GSM網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，采用GSM網(wǎng)絡(luò)TC35i模塊實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)植物的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)以STC90C51單片機(jī)為控制芯片，利用濕度傳感器來(lái)檢測(cè)土壤的相對(duì)濕度，通過單片機(jī)進(jìn)行信息處理。當(dāng)檢測(cè)的濕度小于單片機(jī)預(yù)存的濕度范圍最小值時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)向預(yù)存的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送濕度信息，用戶可根據(jù)濕度信息選擇是否澆水及澆水時(shí)間的長(zhǎng)短。在定時(shí)定量的澆水基礎(chǔ)上，加入了GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，用戶可隨時(shí)隨地掌握植物的需水狀態(tài)，增強(qiáng)了對(duì)自動(dòng)澆水系統(tǒng)的柔性控制。

智能澆水；濕度傳感器；GSM網(wǎng)絡(luò)；STC90C51單片機(jī)；TC35i通信模塊

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，會(huì)在自家的陽(yáng)臺(tái)或庭院種植一些植物。植物的成長(zhǎng)離不開水分，一旦人們出差或有事長(zhǎng)時(shí)間不在家，植物的需水量就無(wú)法保證，就會(huì)面臨干枯或死亡的威脅。傳統(tǒng)的澆灌方式大多都采用人工澆水，即人為的主觀意識(shí)判斷植物是否澆水。目前國(guó)內(nèi)外也有自動(dòng)澆水的裝置，大部分采用的是定時(shí)定量的方式[1]。定時(shí)的方式即在固定的時(shí)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(shí)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(duì)于水分的需求更高。一旦遇到連續(xù)晴天，或長(zhǎng)時(shí)間的雨天，就更無(wú)法保證需水量。水分不足，植物無(wú)法正常生長(zhǎng)；水分過多，植物根莖容易腐爛。因此，迫切需要一種能根據(jù)植物需水狀況及時(shí)澆水的裝置。本系統(tǒng)采用GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)植物的遠(yuǎn)程監(jiān)控，即使用戶長(zhǎng)時(shí)間都不在家，只需要給家中的GSM網(wǎng)絡(luò)中的TC35i模塊SIM卡發(fā)送一個(gè)查詢短信，濕度傳感器會(huì)將檢測(cè)到的植物濕度信息立刻反饋給用戶，用戶根據(jù)濕度信息選擇是否需要澆水或澆水時(shí)間的長(zhǎng)短，從而實(shí)現(xiàn)植物的遠(yuǎn)程智能澆水。

1　總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將GSM網(wǎng)絡(luò)中的TC35i通信模塊和STC90C51單片機(jī)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能植物澆水。利用濕度傳感器SLHT5-1檢測(cè)土壤的濕度，將濕度信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行處理[2]。與預(yù)先存入的濕度范圍進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)檢測(cè)的濕度低于存入植物濕度的最小值時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)向預(yù)存的手機(jī)號(hào)發(fā)送澆水的請(qǐng)求，用戶根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣溫綜合判斷是否發(fā)送澆水指令給單片機(jī)。單片機(jī)收到澆水指令后會(huì)自動(dòng)輸出一個(gè)高電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器，打開電磁閥，電磁閥控制水泵開關(guān)進(jìn)行澆水。當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)的濕度信息大于或等于設(shè)定的濕度信息值之后，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)發(fā)送此時(shí)的濕度信息給用戶，用戶接收到濕度信息，給單片機(jī)一個(gè)停止?jié)菜噶?，單片機(jī)的端口高電平會(huì)立即轉(zhuǎn)換成低電平，繼電器線圈失電，整個(gè)回路斷開，水閥閉合，停止?jié)菜甗3]。用戶在異地也能隨時(shí)掌握植物的狀態(tài)。只需要給TC35i模塊中的SIM卡發(fā)送一個(gè)短信，單片機(jī)會(huì)立刻將濕度傳感器檢測(cè)到的植物濕度信息以短信的形式發(fā)送給用戶，用戶確定澆水及澆水時(shí)間的長(zhǎng)短，達(dá)到植物智能澆水的目的。

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要由STC90C51單片機(jī)、GSM網(wǎng)絡(luò)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(jī)等組成。濕度傳感器檢測(cè)到的濕度信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)處理對(duì)比后，以短信形式通知用戶，用戶一旦確定澆水指令，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器控制電磁閥打開水泵，當(dāng)濕度足夠時(shí)停止?jié)菜Ｖ悄苤参餄菜到y(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　智能植物澆水系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2.2STC90C51單片機(jī)

本設(shè)計(jì)采用的是STC90C51單片機(jī)。與其他的單片機(jī)相比，STC90C51有著超強(qiáng)的抗干擾能力、超大的容量、超低的功耗。整個(gè)系統(tǒng)采用單片機(jī)與TC35i模塊相結(jié)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(jī)信號(hào)的地方，這個(gè)系統(tǒng)就能適用，相比其他需要藍(lán)牙、wifi等限制條件的裝置更加方便。

2.3GSM網(wǎng)絡(luò)TC35i模塊

TC35i是西門子公司的一款高度集成的GSM模塊。可以快速、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的短消息服務(wù)[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(gè)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(dāng)TC35i與單片機(jī)連接時(shí)，只需要將TC35i模塊的T-T接到單片機(jī)的RXD引腳，T-R接到單片機(jī)的TXD引腳，然后共地即可。單片機(jī)對(duì)TC35i模塊的所有控制都是通過AT指令進(jìn)行的。TC35i的每一個(gè)動(dòng)作都對(duì)應(yīng)著一個(gè)AT指令，并且每一個(gè)指令之后都有一個(gè)回車符來(lái)告訴TC35i模塊該條命令已經(jīng)發(fā)完[6]。

單片機(jī)本身的內(nèi)存有限，所以在整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的過程中，每當(dāng)接收一個(gè)澆水指令短信，執(zhí)行完畢這條指令后系統(tǒng)會(huì)使用AT+CMGD這條指令自動(dòng)刪除此條短信來(lái)釋放單片機(jī)的內(nèi)存，并且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別垃圾短信。一般用戶在接收到單片機(jī)反饋回來(lái)的濕度信息時(shí)會(huì)給單片機(jī)一個(gè)澆水指令。這個(gè)澆水指令一般都是固定的，當(dāng)單片機(jī)接收到澆水指令時(shí)才執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)接收到的是其他的短信指令，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)為是垃圾短信，不做處理。表1是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中常用的AT指令。

表1　常用的AT指令

例如，現(xiàn)在給手機(jī)用戶發(fā)送一條名為L(zhǎng)OVE的英文短信AT(GSM網(wǎng)絡(luò)TC35i與STC90C51單片機(jī)握手通信)：

AT+CMGF=1(設(shè)置短信為PDU格式)

AT+CSCS=”GSM”(設(shè)置字符集為GSM)

AT+CMGS=”15870429524”(設(shè)置接收的手機(jī)號(hào)碼)

LOVE(發(fā)送英文為L(zhǎng)OVE的短信)

圖2是單片機(jī)與TC35i模塊的通信測(cè)試情況。單片機(jī)通過AT指令控制TC35i模塊，給用戶發(fā)送一條名為L(zhǎng)OVE的短信。硬件連接好單片機(jī)和TC35i模塊，利用串口助手調(diào)試，在串口上按照以上指令依次輸入得到的顯示結(jié)果。

圖2　STC90C51與TC35i的通信測(cè)試

2.4溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)選用的溫濕度傳感器為SLHT5-1。此傳感器為工業(yè)型溫濕度傳感器，全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出，濕度的量程范圍為0～100% RH,溫度的測(cè)量范圍為-40～+123.8 ℃，濕度的測(cè)量精度為±3% RH，溫度測(cè)量精度為±0.4 ℃，響應(yīng)時(shí)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(cè)濕度的環(huán)境中使用，并且可以直接與單片機(jī)相連接，具有很高的一致性。圖3為SLHT5-1濕度傳感器檢測(cè)電路。

圖3　SLHT5-1濕度傳感器檢測(cè)電路

2.5繼電器

本設(shè)計(jì)采用是松樂公司出廠的SRD繼電器，與單片機(jī)的端口P3.0連接，當(dāng)端口P3.0輸出為高電平時(shí)繼電器得電，控制電磁閥打開水泵開關(guān)開始澆水。當(dāng)單片機(jī)得到停止?jié)菜噶顣r(shí)，端口P3.0由高電平變?yōu)榈碗娖剑^電器線圈失電，關(guān)閉水泵開關(guān)，完成澆水。

2.6電磁閥

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

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)的軟件核心代碼

整個(gè)軟件的核心部分就是TC35i模塊與單片機(jī)的通信。初始化單片機(jī)、TC35i模塊、電磁閥的各項(xiàng)參數(shù)。核心代碼如下：

while(1)

{ if(new _sms==open)

{Read Message();//讀取短信內(nèi)容 new_sms=0;

if(sms _content == open)//接收短信內(nèi)容是open

{ P3.2 =0;// 單片機(jī)的P3.2輸出高電平，驅(qū)動(dòng)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(nèi)容是close

{ P3.2 =1;// P3.2輸出低電平，電磁閥關(guān)閉，停止?jié)菜?/p>

Sms _content=0;

}

Delete Message();//清空短信存儲(chǔ)空間

3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程

整個(gè)流程由初始化子程序、濕度傳感器SLHT5-1檢測(cè)土壤濕度子程序、單片機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)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(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要介紹了GSM網(wǎng)絡(luò)的智能植物澆水系統(tǒng)，并進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與軟件分析。整個(gè)設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的人工或者定時(shí)定量澆水方式的基礎(chǔ)上，添加了GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控植物的需水狀況，不同植物可以得到更適宜生長(zhǎng)的需水量。依據(jù)溫濕度傳感器反饋植物的濕度信息，單片機(jī)和TC35i及時(shí)通信，用戶可以隨時(shí)隨地地掌握植物的需水狀況。對(duì)于那些工作繁忙，但又愛養(yǎng)植物的用戶而言，只需要在手機(jī)上操作，就能遠(yuǎn)程掌握自己種植的植物情況。此智能植物澆水系統(tǒng)不僅僅適用于自家陽(yáng)臺(tái)庭院，而且可以運(yùn)用在溫室大棚、苗圃、草坪等場(chǎng)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(diào)控制等[11-12]。整個(gè)系統(tǒng)組網(wǎng)容易，操作靈活簡(jiǎn)單，成本較低，具有較好的應(yīng)用前景。

就設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，需要將溫濕度傳感器置于花盆的土壤中，時(shí)間一久，溫濕度傳感器易被氧化、腐蝕，它的測(cè)量精度就會(huì)降低，必須每隔一段時(shí)間重新更換溫濕度傳感器。因此，在選擇溫濕度傳感器的時(shí)候，要盡可能地選擇測(cè)量精度高而且壽命較長(zhǎng)的器件。在以后的研究中，對(duì)于溫濕度傳感器這方面還需要進(jìn)行深入研究。

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

[2]趙麗，張春林.基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(22);651-664.

[3]高強(qiáng)，唐宏偉.基于BIS0001的智能沖水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2012(2):40-42.

[4]李晨，王巍.基于TC35i GSM模塊的功能調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng)，2010(6):94-95.

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

[6]劉凱，萬(wàn)在紅.基于GSM的智能晾衣架系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng)，2014(3);239-241.

[7]程捷，何辰.基于單片機(jī)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試,2011(6):56-58.

[9]劉明真，陳鴻.基于單片機(jī)智能節(jié)水灌澆系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].學(xué)術(shù)問題研究，2010(1):75-80.

[10]徐文斌，曾全盛.單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社，2012.

[11]童筱鈞,王心語(yǔ).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(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所.半導(dǎo)體所研制成功無(wú)源/半無(wú)源雙模無(wú)線溫濕度傳感器[J].電子元件與材料,2015(8):77-77.

(責(zé)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(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(CCSTC2013KJRC-TDJS40012)

涂巧玲(1963—),女,重慶人,教授,主要從事控制技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的智能植物澆水系統(tǒng)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(8):87-91.