基于手機短信的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

郭東平 ， 陳 軍 ， 熊 剛 ， 牛 甲

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 陜西 楊凌 712100；2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 楊凌 712100）

我國是世界上的設(shè)施農(nóng)業(yè)大國，至21世紀(jì)初，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積已達210萬公頃，但是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化的進展卻比較緩慢，溫室農(nóng)業(yè)中農(nóng)業(yè)設(shè)施、管控技術(shù)等方面都落后于歐美等發(fā)達國家[1-2]。在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度和濕度對作物生長非常的重要，直接影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。根據(jù)楊凌示范區(qū)、陜西省部分地區(qū)調(diào)研數(shù)據(jù)，新型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)因為成本高昂、維護困難、性價比低等原因使用較少，很多的農(nóng)戶和中小型農(nóng)業(yè)企業(yè)大多采用人工查看溫度計、濕度計指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不能實時的根據(jù)溫室環(huán)境的變化及時調(diào)節(jié)溫濕度。

隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，GSM通信網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，以及手機的廣泛使用，研發(fā)出一種經(jīng)濟實惠、性能良好的、基于手機短信的溫室大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)利用GSM無線通信技術(shù)，以單片機作為系統(tǒng)控制核心，高精度的數(shù)字式溫濕度傳感器為測量設(shè)備，具有溫濕度的顯示、存儲、報警等功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境溫濕度變化至威脅到農(nóng)作物生長時，首先實現(xiàn)聲光報警，同時通過GSM模塊對預(yù)先設(shè)置好的手機號碼發(fā)送短信，及時通知用戶采取適當(dāng)措施避免農(nóng)作物受損，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structural diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計方法，包括單片機與GSM短信模塊、溫濕度模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、遙控鍵盤模塊等，主要硬件電路如圖2所示。

圖2 主要硬件電路Fig.2 Main hardware circuit

2.1 微處理器模塊

本系統(tǒng)微處理器采用STC12C5A60S2單片機，該單片機是單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。性價比高、抗干擾能力強穩(wěn)定性更好，可解決本系統(tǒng)的所有運算及控制過程[3-4]。

2.2 溫濕度傳感器

根據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境現(xiàn)場特點及要求，需要一款性價比高、體積小、響應(yīng)靈敏、測量精度高的溫濕度傳感器，因此我們選擇DHT21型數(shù)字式溫濕度傳感器。

DHT21型數(shù)字式溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。內(nèi)部傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，信號傳輸距離可達20米以上，具有抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。DHT21為4針單排引腳封裝，連接方便，可適用于本系統(tǒng)的溫濕度信號的采集[5-6]。

DHT21型溫濕度傳感器的DATA引腳用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間5 ms左右，以當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出。

數(shù)據(jù)格式：40 bit數(shù)據(jù)=16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗和 （1）

溫濕度數(shù)據(jù)計算過程，假定傳感器接收到40位數(shù)據(jù)為：

濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=數(shù)據(jù)的末8位=校驗和 （3）

計算：00000001+10011111+00000010+00111011=11011101 （4）

具體溫濕度值為：濕度=019FH（十六進制）=415=>濕度=41.5%RH （5）

溫度=023BH（十六進制）=571=>溫度=57.1℃ （6）

2.3 GSM模塊

GSM是Global System for Mobile Communications的縮寫，意為全球移動通信系統(tǒng)，是世界上主要的蜂窩系統(tǒng)之一。因此可采用TC35i型GSM模塊的短信息發(fā)送功能，對溫濕度的臨界值進行短信報警，使農(nóng)戶及時接收到預(yù)警信息。

TC35i型GSM模塊是德國SIEMENS（西門子）公司的一款雙頻900/1800 MHz高度集成的GSM模塊，電壓范圍為直流3.3～4.8 V，休眠狀態(tài)電流消耗為3.5 mA，空閑狀態(tài)為25 mA，發(fā)射狀態(tài)為300 mA（平均），2.5 A峰值；它支持 Text和 PDU格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通過 AT命令或關(guān)斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)，完全可滿足本系統(tǒng)的短消息發(fā)送功能[7]。該模塊帶有RS232通訊接口，與單片機通信非常方便，可以快速、安全、可靠的實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)短消息服務(wù)。

2.4 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊采用帶中文字庫LCD12864液晶顯示模塊，其工作電壓3.0～5.5 V，工作溫度0℃～+55℃，分辨率為128×64，內(nèi)置 8192個 16×16點漢字，和 128 個 16×8 點 ASCII字符集，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文的溫濕度檢測顯示模塊。

2.5 電源模塊

電源模塊采用LM7805及AMS1117兩個穩(wěn)壓器，提供系統(tǒng)所需要的5 V及3.3 V電源。220 V交流電經(jīng)過變壓、整流、濾波及LM7805穩(wěn)壓后變成5 V的直流電，AMS1117是一款線性穩(wěn)壓器，可以實現(xiàn)5~3.3 V的轉(zhuǎn)換，使用時在輸入和輸出端對地接濾波電容，電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3 電源電路Fig.3 Power supply circuit

程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計思路，將程序分為主程序和多個子程序，主程序經(jīng)過初始化后，進入手動系統(tǒng)日期設(shè)置、預(yù)留手機號碼、溫濕度上下限等參數(shù)設(shè)置設(shè)計界面，設(shè)置信息完成后程序自動進入溫濕度檢測子程序運行階段。首先系統(tǒng)通過傳感器將采集到的溫濕度參數(shù)顯示到LCD顯示器上，同時與事先設(shè)置好的溫濕度臨界值進行實時對比，如果測量的參數(shù)值沒有達到臨界值那么延時一段時間后繼續(xù)測量，反之若達到臨界值那么立即調(diào)用報警子程序驅(qū)動聲光報警電路并驅(qū)動GSM模塊向指定的手機預(yù)存號碼發(fā)送短信，控制器可自動將當(dāng)前的溫濕度參數(shù)值及提醒信息自動編輯于短信內(nèi)，發(fā)送給用戶手機號碼，之后再經(jīng)過延時使程序返回到主程序上重新檢測溫濕度參數(shù)并以此循環(huán)。具體流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow diagrams

4 系統(tǒng)性能測試及分析

結(jié)合硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，制作調(diào)試樣機，如圖5所示。

調(diào)試完畢后于2014年11月22日在陜西楊凌五泉某溫室大棚進行性能測試。首先通過專業(yè)工具設(shè)定溫度為20℃、濕度為70%RH，實際測量結(jié)果分別是19.8℃、71%RH，溫濕度變化情況下響應(yīng)時間<10 s，然后設(shè)定監(jiān)測溫度范圍為：15~25℃，濕度范圍為：60RH%~85RH%，在溫室環(huán)境溫濕度變化，超過設(shè)定值時，聲光報警裝置工作，報警短信1s內(nèi)發(fā)出。測試結(jié)果表明，本監(jiān)測系統(tǒng)在實際工作中，運行情況穩(wěn)定，溫濕度測量誤差較小，報警功能正常，較好的達到了設(shè)計要求。

圖5 樣機性能測試圖Fig.5 The performance of prototype test

5 結(jié)束語

文中結(jié)合計算機技術(shù)、GSM通信技術(shù)及傳感器技術(shù)，設(shè)計了基于手機短信的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，具有溫濕度實時顯示、存儲、手機短信報警等功能。經(jīng)過對開發(fā)出的樣機進行試驗測試，監(jiān)測系統(tǒng)達到了預(yù)期的效果，具有精度高，測量范圍廣，適應(yīng)性強的特點，能夠廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或工業(yè)環(huán)境溫濕度測量中，為用戶提供一個簡單可靠、安全經(jīng)濟的溫濕度監(jiān)測平臺。通過后續(xù)改進還可實現(xiàn)對外圍溫濕度調(diào)節(jié)器的控制，因此本系統(tǒng)即可用于溫濕度的檢測及控制的基本單元，也可以單純用于溫濕度的監(jiān)測和報警，具有較高的應(yīng)用價值。

[1]李中華，王國占，齊飛.我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].中國農(nóng)機化，2012（1）:7-10.LI Zhong-hua，WANG Guo-zhan，QI Fei.Current situation and thinking of development of protected agriculture in China[J].Chinese Agricultural Mechanization，2012（1）:7-10.

[2]屈毅，寧鐸，賴展翅，等.溫室溫度控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（2）:307-311.QU Yi，NING Duo，LAIZhanchi，et al.Neural networks based on PID control for greenhouse temperature[J].Transactions of the CSAE，2011，27（2）:307－311.

[3]宋鳳娟.STC12C5A60S2單片機高速A/D裝換方法[J].煤礦機械，2010（6）:219-221.SONG Feng-juan.Method of high speed transformation of A/Dof TC12C5A60S2[J].Coal MineMachinery，2010（6）:219-221.

[4]李桂平，黃有全.基于STC12C5A的多路檢測智能防盜報警器研究[J].電子設(shè)計工程，2013，21（3）：67-72.LI Gui-ping，HUANG You-quan.Multiple detection intelligent alarm research based on STC12C5A[J].Electronic Design Engineering，2013，21（3）:67-72.

[5]蔡鑌，馬玉芳，趙振華.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，48（2）:167-171.CAI Bin，MA Yu-fang，ZHAO ZHen-hua.Research of greenhouse ecological intelligent monitoring system based on wireless sensor network[J].Journal of Henan Agricultural University，2014，48（2）:167-171.

[6]沈劍峰，丁金華，董宇.基于STM32的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心環(huán)境檢測系統(tǒng)[J].電子應(yīng)用技術(shù)，2012，38（6）：76-81.SHEN Jian-feng，DING Jin-hua，DONGYu.Environment monitoring system of Internet data center based on STM32[J].Application of Electronic Technique，2012，38（6）：76-81.

[7]劉西秀，張民，劉勇.GSM技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（10）：79-82.LIU Xi-xiu，ZHANG Min，LIU Yong.Application of GSMtechnology in remote monitoring system[J].Instrument Technique and Sensor，2012（10）:79-82.