李澍源，馮奇杰，余文泉，曾明海，林壽英

（福建農(nóng)林大學，福建 福州 350002）

一種家庭澆花遠程遙控系統(tǒng)的設計

李澍源，馮奇杰，余文泉，曾明海，林壽英

（福建農(nóng)林大學，福建 福州 350002）

設計一個基于STC89C52單片機遠程澆花系統(tǒng).整個遠程澆花系統(tǒng)的控制運行是將溫度、濕度傳感器檢測到信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換輸入到單片機，單片機通過控制命令對gsm模塊進行設置,這樣用戶不受地理位置的限制在任何可接收到手機信號的地方就能接收到實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，用戶還可通過發(fā)送短信指令對系統(tǒng)手動或者自動澆水進行設置；該系統(tǒng)有就地攝像頭，用戶可以在聯(lián)網(wǎng)的情況下對花卉實時的外觀動態(tài)進行遠程監(jiān)控.

遠程澆花；STC89C52；gsm模塊；溫度傳感器；濕度傳感器

在現(xiàn)今科學技術(shù)飛速發(fā)展的時代，人們對于事物的處理更多采用遠程控制的方式，這不僅解決了人們在不同情況下可以及時處理事物的需求，更重要的是讓我們身處異地也能按時完成某些工作.隨著人們生活水平的提高，種植花卉越來越受到人們的青睞；花卉不僅可以凈化空氣，而且種植花卉還是許多人陶冶情操.然而對許多花卉愛好者來說，常常因為忙于某些事情無法隨時隨地、不受空間的限制自己種植花卉.如何解決這個問題呢？對此類問題，本系統(tǒng)設計了遠程澆花控制系統(tǒng)，它是基于安卓系統(tǒng)上和無線網(wǎng)絡通信技術(shù)，對花卉周圍環(huán)境溫度以及土壤濕度進行檢測并發(fā)送短信告知用戶實時數(shù)據(jù)，并且能遠程控制進行澆花，同時也能根據(jù)所設定的條件進行自動控制澆花.

這樣的一個遠程澆花系統(tǒng)，它需要一臺帶有網(wǎng)絡信號的安卓手機即可實現(xiàn)；現(xiàn)如今智能手機已經(jīng)普及，并且主要以安卓操作系統(tǒng)為主流，所以說通過一臺安卓智能手機進行遠程控制對于很多人來說成為了可能.[1]這種基于單片機的遠程控制系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和智能家居發(fā)展過程中占有非常重要的一部分.

1 系統(tǒng)構(gòu)成及硬件實現(xiàn)

1.1 整體概述

遠程控制花卉澆花系統(tǒng)采用單片機進行數(shù)據(jù)處理和智能控制，通過移動2G網(wǎng)絡完成通信；系統(tǒng)具備短信回復功能，對用戶不同操作進行提示并反饋信息，方便用戶及時了解花卉各種信息,達到友好交互方式和智能目的.如圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，本系統(tǒng)采用單片機STC89C52作為控制核心、GSM模塊作為通信核心，單片機發(fā)送指令控制GSM模塊實現(xiàn)用短信收發(fā).[2]通過發(fā)短信用戶可以控制澆花和還能收系統(tǒng)發(fā)來溫度和濕度實時數(shù)據(jù)的短信.本系統(tǒng)的攝像頭對家庭花卉及其生長環(huán)境進行實時監(jiān)控，戶可以在手機APP中觀看聯(lián)網(wǎng)可觀看攝像頭拍攝畫面.由于本系統(tǒng)是基于GSM網(wǎng)絡技術(shù)，其具有成熟、覆蓋范圍廣的特點，故本系統(tǒng)可避免組建網(wǎng)絡造成的高成本、效果差等諸多問題，同時該系統(tǒng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉上運用前景廣、實用價值高.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)信息采集部分

1.2.1 攝像頭遠程監(jiān)控

可以在安卓手機上安裝攝像頭應用軟件，通過聯(lián)網(wǎng)在手機上遠程觀看家中陽臺的花卉，并且能夠通過手機控制轉(zhuǎn)動攝像頭來觀察系統(tǒng)不同位置，如轉(zhuǎn)動攝像頭對準水閥門看其是否關(guān)緊，同時也可以轉(zhuǎn)動攝像頭觀察陽臺門窗是否關(guān)緊實現(xiàn)用此攝像頭進行家庭防盜.

1.2.2 濕度檢測

利用土壤濕度傳感器將培植花草的土壤濕度實時傳到手機，以此作為判斷是否澆水的一個依據(jù)，若濕度達不到預先設定的最低值說明土壤過于干涸，則需要開始澆水；若超出設定的最高值說明土壤濕度已經(jīng)很大，則需要停止?jié)菜?這樣可以防止?jié)菜蛔?，以及過度澆水.[3]

1.2.3 溫度檢測

利用溫度傳感器實時監(jiān)測花草所在環(huán)境的溫度情況.當溫度太高時，系統(tǒng)會發(fā)送短信到用戶手機，提醒用戶噴水降溫，該溫度傳感器采集到的溫度也可以作為測量當天的溫度.

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)電路設計主要包括以下幾個部分，單片機主控電路，GSM模塊、溫度檢測電路、土壤濕度檢測模塊、AD采樣電路等.

2.1 單片機主控電路

如圖2所示為單片機最小系統(tǒng)控制電路，單片機是該遠程澆花控制系統(tǒng)的核心部件.它需要接收溫濕度傳來的AD值，并通過GSM模塊發(fā)送出去，同時還要接收用戶在手機發(fā)送來的控制命令來對澆水的閥門進行控制.可以說，單片機是整個系統(tǒng)承上啟下的中軸核心部分.[4]

圖2 單片機最小系統(tǒng)控制電路

2.2 GSM電路

如圖3所示為SIM900A_GSM模塊，我們通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現(xiàn)各種無線通信功能.單片機通過串口發(fā)送AT指令對GSM模塊上的SIM900A芯片進行指定操作,AT指令集中包含了對SMS的控制，所以單片機向GSM模塊發(fā)送一系列的AT命令就可以實現(xiàn)GSM模塊控制SMS信息的收發(fā).這樣溫度、濕度信息就能通過短信的形式發(fā)送給手機用戶，同時用戶可以通過發(fā)送短信來對電磁閥的開關(guān)進行控制實現(xiàn)澆水.[5]

2.3 溫度檢測電路

如圖4所示為溫度檢測電路，這里我們用到的溫度傳感器為DS18b20,它具有抗干擾能力強，測量精度高的特點；該傳感器的測溫范圍可以達到－55℃～+125℃，可編程的分辨率為9~12位，可以滿足本次實際的要求.

圖3 GSM模塊

圖4 溫度檢測電路

2.4 土壤濕度檢測模塊

如圖5所示為4線制土壤濕度檢測模塊，工作電壓3.3-5V；該模塊有數(shù)字量和模擬量輸出，本系統(tǒng)采用模擬量輸出.擬量輸出AO和AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換得更準確的土壤濕度值.

圖5 土壤濕度檢測模塊

2.5 AD轉(zhuǎn)換電路

如圖6所示為AD轉(zhuǎn)換電路，該電路采用PCF8951芯片，其功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換，該芯片最大轉(zhuǎn)化速率由I2C總線的最大速率決定.

圖6 AD轉(zhuǎn)換電路

3 軟件通信系統(tǒng)

本次遠程澆花控制系統(tǒng)微處理器在通信過程中，需要與PCF8591進行數(shù)據(jù)交換，這是使用I2C通信協(xié)議進行通信的；微處理器在通信過程中還需要與藍牙進行數(shù)據(jù)交換，這里我們是使用UART通信協(xié)議來實現(xiàn)，同時，GSM模塊的通信需要通過單片機將向GSM的發(fā)送一系列的的AT命令實現(xiàn).[6]

3.1 IIC通信協(xié)議

I2C總線是國際標準，通信時只需兩條總線，串行時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA.串行雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率分為標準模式、快速模式和高速模式.標準模式下速率可達 100Kbps，快速模式下可達400Kbps，高速模式下可達3.4Mbps.根據(jù)I2C特點，本系統(tǒng)采用了快速模式，在通信開始前，主機首先發(fā)送起始條件，在沒有出現(xiàn)停止條件時總線被認為是忙的狀態(tài).當出現(xiàn)停止條件后總線處于空閑狀態(tài).

3.2 UART通信協(xié)議

UART通信需要兩條總線RXD和TXD,對于UART通信我們使用了STC98C52RC處理器的硬件UART，在通信前只需配置UART通信參數(shù)即可通信,在程序里我們配置微處理器和GSM模塊的通信波特率為9600bps.

3.3 AT指令

AT指令集是從單片機向GSM發(fā)送的.其對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小有定義：即對于AT指令的發(fā)送，除AT兩個字符外，最多可以接收1056個字符的長度（包括最后的空字符）.每個AT命令行中只能包含一條AT指令；對于由終端設備主動向PC端報告的URC指示或者response響應，也要求一行最多有一個，不允許上報的一行中有多條指示或者響應.AT指令以回車作為結(jié)尾，響應或上報以回車換行為結(jié)尾.GSM模塊中SIM900A的AT指令支持IRA字符集.

在微型處理器中用三條TA指令AT+CMGF=1、AT+CSCS="GSM"、AT+CMGD=1,4初始化.設置發(fā)短信號碼AT+CMGS="157****0841".微型處理器根據(jù)設置的電話來發(fā)送短信.

4 軟件總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)是根據(jù)如下程序流程設計的，首先開機后系統(tǒng)先初始化是將各個子程序進行初始化設置、各個內(nèi)存單元進行初始化賦值，然后通過AD轉(zhuǎn)換電路將溫、濕度的值采集進來并通過GSM模塊發(fā)送到手機用戶.用戶可以設置手動模式，通過接收的實時溫、濕度實時值，自行在手機上進行遠程操作，選擇是否澆水；用戶也可以設置自動控制模式，讓系統(tǒng)根據(jù)溫濕度自動進行澆花，當土壤濕度低于預設值時進行自動澆水或者環(huán)境溫度高于預設值時進行自動定時澆水控制，無需澆水時就關(guān)閉電磁閥.通過這樣一個循環(huán)監(jiān)控流程實現(xiàn)對家庭陽臺花卉澆花的遠程遙控控制.[7]

5 測試與調(diào)試

首先我們在使用萬用表進行部分測量,保證元件的焊接不虛焊，測量沒有發(fā)現(xiàn)問題后我們編寫了各個硬件的驅(qū)動程序，通過通信、顯示等方式確認硬件連接正確.軟件編程模塊化，需要先對各個子模塊功能進行軟件調(diào)試，其調(diào)試過程與硬件調(diào)試過程類似,軟件部分程序的編寫和調(diào)試是經(jīng)過多次修改和調(diào)試，最終使得軟硬件的實現(xiàn)效果達到最初預期的要求.

6 結(jié)語

本系統(tǒng)是遠程澆花控制系統(tǒng)，是基于STC89C52單片機的控制系統(tǒng)，通過土壤濕度傳感器和溫度傳感器檢測土壤濕度和環(huán)境溫度，利用GSM模塊將溫、濕度數(shù)據(jù)通過短信發(fā)送給用戶；用戶通過發(fā)送短信來對電磁閥開關(guān)進行控制，實現(xiàn)花卉的澆水控制；該系統(tǒng)中還利用攝像頭對花卉進行監(jiān)控，通過聯(lián)網(wǎng)用戶在手機APP上可以直觀看到花卉的生長狀況和周圍的情況.這個系統(tǒng)解決了許多用戶因為身處異地不能及時對植株進行澆水的問題，這體現(xiàn)了現(xiàn)今社會的進步性，這種智能化的遠程澆花系統(tǒng)滿足了人們隨時隨地監(jiān)控自己所種植花卉的需求，這種遠程控制系統(tǒng)也是未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢所在.

〔1〕張兆朋.基于AT89S52的家庭智能澆花器的設計[J].電子設計工程,2011,19(5):39-41.

〔2〕陳凱，金紅.一種室內(nèi)自動澆花系統(tǒng)的設計[J].科研教學，2013（11）.

〔3〕李克訥,韋昌勇,徐劍琴.基于AVR單片機的盆栽自動澆水系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究,2015,37(6):213-216.

〔4〕陳立剛,馮偉偉,周智穎,等.基于Android客戶端GSM短信模塊的遠程澆花系統(tǒng)[J].電子設計工程,2016（01):165-168，650-651.

〔5〕吉王得燕.基于GPRS的手機遠程控制澆花裝置[J].四川兵工學報,2013,34(11):113-115，119-122.

〔6〕劉川,張小成,高進淵,等.智能自動澆花系統(tǒng)的控制設計研究[J].科技視界,2015(18):87-88.

〔7〕趙麗,張春林.基于單片機的智能澆花系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].長春大學學報,2012,22(6).

TP399

A

1673-260X（2016）11-0021-03

2016-08-05

林壽英，（1965.4-），女，福建福州人，福建農(nóng)林大學副教授，碩士生導師，研究方向：自動控制和應用電子研究