基于GSM的物聯(lián)網(wǎng)智能大棚的設(shè)計(jì)

丁書亞 李百杰 石海鋒 劉欣寧 王穎

摘要：農(nóng)業(yè)大棚是高價(jià)值農(nóng)作物的主要生產(chǎn)地，例如無公害蔬菜和花卉。但是傳統(tǒng)大棚需要投入很多的人力和物力，而且容易產(chǎn)生很多不可控的環(huán)境因素，造成農(nóng)作物財(cái)產(chǎn)損失。該設(shè)計(jì)致力于解決農(nóng)業(yè)大棚問題，為其提供了一套智能解決方案，可以精確測量棚內(nèi)溫濕度等參數(shù)，并適時(shí)采取動(dòng)作保證環(huán)境穩(wěn)定。該系統(tǒng)還加入了物聯(lián)網(wǎng)模塊以實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)對棚內(nèi)情況的掌握，完美解決了人工不能解決的問題，為農(nóng)民提供了一種解決方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)大棚；自動(dòng)控制；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）25-0277-02

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們已經(jīng)不再滿足于“吃得飽”，而越來越希望“吃得好”。這時(shí)候類似于無公害蔬菜等糧食作物應(yīng)聲而出，可以滿足人們需求。但生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)的糧食作物對環(huán)境的要求甚高，對溫度，濕度甚至日照時(shí)間都有嚴(yán)格的限定標(biāo)準(zhǔn)，還需要一定的硬件來保證條件甚至改變條件，然而這種設(shè)備價(jià)格都比較昂貴。于是我們依據(jù)當(dāng)前正在互聯(lián)網(wǎng)風(fēng)口的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)制作出物美價(jià)廉的自動(dòng)化控制設(shè)備來幫助農(nóng)民生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)糧食作物。[1]

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是一種基于STM32單片機(jī)的農(nóng)業(yè)大棚智能化解決方案，可以通過手機(jī)APP對大棚的大部分需要人力操作的環(huán)節(jié)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制和自動(dòng)化運(yùn)行控制。系統(tǒng)由電源模塊，主控模塊，溫濕度檢測模塊，光感模塊，土壤水分監(jiān)測模塊，火焰?zhèn)鞲心K，紅外防盜模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和GSM網(wǎng)絡(luò)信息控制模塊構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（省略電源模塊）如圖所示。[2]

系統(tǒng)有兩種模式：自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程控制。自動(dòng)化控制主要保證大棚基本的環(huán)境條件的穩(wěn)定，比如溫度保持恒定和不同光照下的應(yīng)對措施等。遠(yuǎn)程控制主要用來處理突發(fā)事件，比如有不明生物入侵大棚，發(fā)生火災(zāi)等。兩種模式同時(shí)運(yùn)行，遠(yuǎn)程控制命令優(yōu)先級大于自動(dòng)化控制命令。其中遠(yuǎn)程控制基于專用手機(jī)APP對GSM模塊采集的數(shù)據(jù)的處理和顯示，可對大棚內(nèi)各種傳感器的狀態(tài)進(jìn)行顯示和控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1主控模塊

主控模塊采用STM32單片機(jī)，由它來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和信號控制。STM32系列微處理器性能強(qiáng)，反應(yīng)速度快，處理速度超出傳統(tǒng)51單片機(jī)很多。其具有高性能，低功耗，可靠性高的特點(diǎn)。

2.2 溫濕度檢測模塊

本模塊主要由DHT11傳感器構(gòu)成，輔有OLED顯示器顯示。

DHT11數(shù)字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。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。與其配套的OLED顯示器可顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度。OLED顯示屏有不同于傳統(tǒng)的LED屏的諸多可靠優(yōu)點(diǎn)。[3]

2.3 土壤水分件檢測模塊

由LM393，鏟型檢測傳感器和可調(diào)電阻及其他原件構(gòu)成。溫（濕）度低于設(shè)定溫（濕）度自動(dòng)產(chǎn)生高電平，以引起控制澆水的繼電器吸合。通過電位器可以調(diào)節(jié)土壤濕度控制閥值，可以根據(jù)不同的農(nóng)作物設(shè)定不同的濕度閥值，低于閥值會(huì)發(fā)送繼電器動(dòng)作信號。采用12v電壓的直流電驅(qū)動(dòng)，功耗低。[4]

2.4 火焰、光感和紅外傳感器模塊

光感傳感器主要由LM393、可調(diào)電位器和光敏電阻組成。依據(jù)光敏電阻的光照特性，不同強(qiáng)度的光照會(huì)引起不同的參數(shù)改變，在此處主要當(dāng)作開關(guān)使用，配合可調(diào)電阻可以調(diào)節(jié)不同光強(qiáng)下的動(dòng)作閥值。在系統(tǒng)中為大棚光照繼電器動(dòng)作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

火焰?zhèn)鞲衅饔蒐M393、光傳感器和可調(diào)電阻組成。由于光傳感器對火焰或者波長在 760 納米～1100 納米范圍內(nèi)的光源敏感，當(dāng)檢測到光源（火焰）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高電平信號，配合可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)靈敏度。在系統(tǒng)中為滅火繼電器動(dòng)作提供信號。

紅外人體件檢測傳感器由BISS0001芯片、紅外探頭等原件構(gòu)成，當(dāng)生物進(jìn)入其感應(yīng)范圍內(nèi)，會(huì)輸出高電平，工作電壓5V～12V，穩(wěn)定可靠。在系統(tǒng)中提供非法入侵信號。[5]

2.5 GSM網(wǎng)絡(luò)信息控制模塊

SIM800A 是 SIMCOM 公司推出的一款高性能工業(yè)級 GSM/GPRS 模塊，SIM800A 開發(fā)板載工業(yè)級雙頻 GSM/GPRS 模塊：SIM800A，工作頻段雙頻：GSM900/1800MHz。該模塊具有高性價(jià)比。SIM 卡采用目前主流的 MICRO 卡座，質(zhì)量更堅(jiān)固，同時(shí)添加ESD靜電保護(hù)電路。SIM800A板支持 RS232 串口和 TTL 串口，支持 5V～18V 的寬工作范圍，提供包括語音通話、短信、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸、文本播報(bào)（TTS）和基站定位等功能。[6]

2.6 電源模塊

為傳感器和電機(jī)提供動(dòng)力，采用多輸出可調(diào)壓直流電源，滿足不同器件的協(xié)同工作。

2.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊實(shí)質(zhì)為繼電器模塊，通過接受主控模塊發(fā)出的動(dòng)作信號來吸合連接著相應(yīng)電機(jī)的繼電器。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能是收集由各個(gè)模塊發(fā)送的檢測數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生動(dòng)作信號。

該程序的重點(diǎn)是對一級數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的基礎(chǔ)電平數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并執(zhí)行動(dòng)作。比如接收到土壤溫濕度檢測模塊的高電平信號，然后對連接水泵的繼電器發(fā)送閉合信號，然后返回重新檢測，若信號消除，則繼電器歸原位。程序中由于對APP的信號設(shè)置了高優(yōu)先級，故程序會(huì)優(yōu)先響應(yīng)APP的信號。整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)由SIM800A模塊進(jìn)行信息傳送，通APP對消息的顯示和控制，可以保證大棚的正常工作狀態(tài)。[7]

4 結(jié)語

在科技飛速發(fā)展的今天，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越被重視，三大運(yùn)營商已經(jīng)建立起物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，非常實(shí)用。本設(shè)計(jì)采用當(dāng)下的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低成本，響應(yīng)快，高效率的優(yōu)點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)幾乎無人值守的自動(dòng)戶大棚。但是本設(shè)計(jì)還存在缺點(diǎn)和不足，比如溫濕度可以實(shí)現(xiàn)精確數(shù)值降溫降濕，但是土壤和光線還不能實(shí)現(xiàn)，只能設(shè)置模糊值，不利于環(huán)境的精確控制。不過本設(shè)計(jì)的價(jià)值已經(jīng)得到體現(xiàn)，可以減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高農(nóng)作物價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉曉青.溫室大棚GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究[N].楚雄師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（1）.

[2] 潘朝，羅小巧，黃佳，等.基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2013（6）：121-124.

[3] 陳桂支.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4] 栗震霄，高曉陽，馮全，等.電阻式土壤含水率非擾動(dòng)連續(xù)測量裝置的研究[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（4）.

[5] 陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[6] 劉舉平，余為清.基于GSM技術(shù)的智能家居遠(yuǎn)程控制器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010（11）.

[7] 吳金華.基于單片機(jī)的溫度監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2013（4）.

【通聯(lián)編輯：唐一東】