基于GSM網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張立輝 魏立明 李春良

摘 要：本文主要以STC單片機(jī)為控制核心，利用GSM網(wǎng)絡(luò)為信息傳輸平臺，通過華為GTM900C模塊通過手機(jī)短信進(jìn)行遠(yuǎn)程溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。用戶可以通過手機(jī)發(fā)送短信對實(shí)時掌握溫室內(nèi)的環(huán)境變化，也能遠(yuǎn)程對溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照、CO2等進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以更好的滿足農(nóng)作物的生長環(huán)境。

關(guān)鍵詞：溫室環(huán)境；監(jiān)測；GSM；單片機(jī)

中圖分類號：X83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160532004

引言

溫室大棚是用來栽培植物的設(shè)施，在不適宜植物生長的季節(jié)，能提供作物正常成長的條件和提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，為提升百姓的生活質(zhì)量帶來很大的便利，成為了保證居民“菜籃子工程”的重要設(shè)施。

根據(jù)當(dāng)前溫室大棚發(fā)展的前景，構(gòu)建了一種溫室環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了一套基于GSM的溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、光照度、CO2濃度等在線監(jiān)測和實(shí)時預(yù)警，并能夠以短信形式定時發(fā)送數(shù)據(jù)給管理者，這樣管理者就能實(shí)時了解溫室大棚的環(huán)境信息，及時地調(diào)控溫室大棚的環(huán)境，更好地滿足作物的生長環(huán)境，有利于實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

圖1給出了系統(tǒng)組成框圖。系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、GSM模塊、RS232接口模塊、環(huán)境參數(shù)傳感器等組成。數(shù)據(jù)采集模塊可根據(jù)溫室內(nèi)的需求多地點(diǎn)布置，采集溫室的溫濕度、光照和CO2等環(huán)境信息，然后通過GSM模塊將數(shù)據(jù)定時地傳到管理者的手機(jī)上，使溫室的管理者能實(shí)時的知曉溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集傳感器

數(shù)據(jù)采集傳感器是整個無線監(jiān)測系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，采集處理溫室內(nèi)環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等信息。

溫濕度選用H-THN型低功耗溫濕度變送器，平均功耗不足0.02W。超低功耗和獨(dú)特風(fēng)道設(shè)計(jì)，徹底解決電路板溫升問題，測量更精確，響應(yīng)更快等特點(diǎn)。使用瑞士進(jìn)口二代傳感器探頭，保證了產(chǎn)品的優(yōu)異測量性能。強(qiáng)大的功能及穩(wěn)定性能，可選1路或2路開關(guān)量輸出，獨(dú)特的控制邏輯，可以實(shí)現(xiàn)多種功能控制和遠(yuǎn)程控制，如高溫告警、低溫告警、高濕告警、低濕告警、加熱、制冷、加濕、除濕等。

光照度傳感器選用DZD-T6A1型，這種光照度傳感器是采用具有較高靈敏度的感光探測器，配合高精度線性放大電路，應(yīng)用范圍廣泛、性價比高。

CO2的監(jiān)測采用MH-Z14CO2傳感器，該傳感器是一個智能通用型、小型傳感器，利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2進(jìn)行探測，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性，壽命長。內(nèi)置溫度補(bǔ)償；同時具有數(shù)字輸出與模擬電壓輸出，方便使用。該CO2傳感器是將成熟的紅外吸收氣體檢測技術(shù)與精密光路設(shè)計(jì)、精良電路設(shè)計(jì)緊密結(jié)合而制作出的高性能紅外傳感器。具有高靈敏度、高分辨率、低功耗特點(diǎn)。工作溫度為0～50℃，輸出電壓是在0～2V變化的直流信號，系統(tǒng)對輸出信號進(jìn)行采樣后，送到A/D轉(zhuǎn)換器處理后傳給單片機(jī)。

2.2 GSM模塊

GSM模塊采用華為GTM900-C。GTM900-C模塊是華為公司推出的GPRS模塊，工作頻段是EGSM900/GSM1800。40PIN FPC連接器UART接口（最大串口速率可達(dá)115200bit/s），標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口（1.8或3V），非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.3 單片機(jī)系統(tǒng)

STC15F2K32S2增強(qiáng)型單片機(jī)集成了上電復(fù)位電路與高精準(zhǔn)R/C振蕩器，集成了大容量的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及EEPRM，集成了A/D、PWM、SPI等高功能接口部件，可大大的簡化單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的外圍電路，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡捷，系統(tǒng)性能更加高效、可靠。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。通過軟件設(shè)計(jì)主要完成2大系統(tǒng)功能：對檢測信息進(jìn)行判斷、校驗(yàn)和儲存，具體有數(shù)據(jù)采集子程序、時鐘子程序、無線通信、存儲子程序、串行通信等子程序構(gòu)成；對采集的信息進(jìn)行整理、分析。系統(tǒng)不僅要接收日常的監(jiān)測信息，還要對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，管理人員可以隨時查詢所監(jiān)測的溫室大棚內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。單片機(jī)采集1次/min數(shù)據(jù)，但不是向無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送1次/min數(shù)據(jù)，如果所監(jiān)測點(diǎn)的參數(shù)值或參數(shù)的變化速率不超過設(shè)定的范圍，則數(shù)據(jù)采集器每30min向無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送1次數(shù)據(jù)，一旦所監(jiān)測點(diǎn)的參數(shù)超過設(shè)定的值或者是參數(shù)變化的速率超過設(shè)定的范圍，則發(fā)送周期立即縮短為發(fā)送1次/min，直至參數(shù)值恢復(fù)正常。

GTM900-C模塊和單片機(jī)之間采用AT指令通信。GTM900-C模塊提供的命令接口符合無線通信接口規(guī)范。GTM900-C模塊中定義的AT命令提供了一種移動平臺與數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通用接口，數(shù)據(jù)終端設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的AT命令與GSM網(wǎng)絡(luò)引擎相互通信、交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件利用模塊化構(gòu)成方式，主要有主程序和溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等數(shù)據(jù)采集子程序，主程序開始后，先初始化系統(tǒng)、GSM短信無線通信功能、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能等，其軟件流程圖如圖2所示。

4 結(jié)語

本文采用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基于GSM的溫室大棚的環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的自動采集和無線傳輸，降低了工作量、提高了工作效率和節(jié)約了成本。

溫室大棚種植面積正在逐步擴(kuò)大，利用GSM無線監(jiān)測系統(tǒng)較好的解決了溫室大棚農(nóng)作物生長環(huán)境實(shí)時動態(tài)監(jiān)測難的狀況，實(shí)現(xiàn)了高效率的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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作者簡介：張立輝（1975–），男，博士，吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授，研究方向：智能控制。