全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）和單片機(jī)技術(shù)在家庭農(nóng)場(chǎng)高效管理中的應(yīng)用

趙方+蘇詠梅

摘要：根據(jù)家庭農(nóng)場(chǎng)種植規(guī)模大且分散的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）短信息技術(shù)的家庭農(nóng)場(chǎng)高效管理的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置。該裝置由檢測(cè)終端、監(jiān)控中心終端和手機(jī)監(jiān)控終端組成。檢測(cè)終端用SHT11檢測(cè)家庭農(nóng)場(chǎng)的溫、濕度，用BH1710FVC檢測(cè)家庭農(nóng)場(chǎng)的光照強(qiáng)度，用KSC-6V檢測(cè)土壤濕度信息，采用TC35I模塊通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將家庭農(nóng)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)控中心和農(nóng)場(chǎng)主手機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)用較少的勞動(dòng)力集中管理較大規(guī)模家庭農(nóng)場(chǎng)的目的，節(jié)約了大量的勞動(dòng)力，該設(shè)計(jì)將會(huì)加快我國(guó)家庭農(nóng)場(chǎng)發(fā)展的步伐。

關(guān)鍵詞：家庭農(nóng)場(chǎng)；全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）；短信息；單片機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)： S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）04-0194-04

“家庭農(nóng)場(chǎng)”一詞源于歐美，2013年“家庭農(nóng)場(chǎng)”的概念首次在中央一號(hào)文件中出現(xiàn)。在我國(guó)，家庭農(nóng)場(chǎng)是指以家庭成員為主要?jiǎng)趧?dòng)力，從事農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、集約化、商品化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，并以農(nóng)業(yè)收入為家庭主要收入來(lái)源的新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體，農(nóng)場(chǎng)主本人及其家庭成員直接參加生產(chǎn)勞動(dòng)。2013年，中央一號(hào)文件提出家庭農(nóng)場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)模式后，各地政府鼓勵(lì)和支持承包土地向?qū)I(yè)大戶、家庭農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)民合作社流轉(zhuǎn)。透過(guò)中央一號(hào)文件對(duì)“家庭農(nóng)場(chǎng)”的鼓勵(lì)和支持態(tài)度，人們看到了一條農(nóng)業(yè)農(nóng)村改革的新路徑，一條充滿陽(yáng)光和希望的新路徑。

[JP2]當(dāng)前，隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，數(shù)以億計(jì)的農(nóng)民工進(jìn)城打工，有很多農(nóng)民工還長(zhǎng)期在城市駐扎下來(lái)。而與之相對(duì)應(yīng)的問(wèn)題是，在不少村莊出現(xiàn)了“青壯年荒”，或者說(shuō)是“勞力荒”，村里留守的大多是老人和兒童，青壯年已經(jīng)不愿意或者因工作原因不能、不便回家種地，大量的耕地主要靠老人打理。盡管有日益發(fā)展的農(nóng)業(yè)機(jī)械化幫忙，但年齡越來(lái)越大的老年人們還是越來(lái)越感到力不從心了。當(dāng)前家庭農(nóng)場(chǎng)的種植主要以溫室大棚和大面積的規(guī)模種植為主。不論是數(shù)目較多的溫室大棚管理還是大面積的規(guī)模種植管理，都需要花費(fèi)大量的人力去查看溫室的溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照度等指標(biāo)。所以，要響應(yīng)中央的號(hào)召加快家庭農(nóng)場(chǎng)發(fā)展的步伐，就必須想辦法充分利用信息技術(shù)，在勞動(dòng)力有限的條件下，實(shí)現(xiàn)家庭農(nóng)場(chǎng)的高效管理。本研究開(kāi)發(fā)了1種利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）短信息技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)家庭農(nóng)場(chǎng)的集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控的裝置。[JP]

1遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置整體思路

當(dāng)前，制約家庭農(nóng)場(chǎng)迅速發(fā)展的因素很多，其中家庭勞動(dòng)力不足是導(dǎo)致家庭農(nóng)場(chǎng)的規(guī)模不大、發(fā)展緩慢的重要原因。目前，家庭農(nóng)場(chǎng)主要以溫室大棚種植和大面積產(chǎn)業(yè)化種植為主，對(duì)于溫室大棚來(lái)說(shuō)，溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照度等參數(shù)是影響大棚內(nèi)植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，對(duì)于大面積產(chǎn)業(yè)化種植來(lái)說(shuō)，土壤濕度的保持即何時(shí)澆水是關(guān)鍵因素。據(jù)此，基于單片機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和GSM無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)可以通用于溫室和大面積種植的土地的集中檢測(cè)、管理和自動(dòng)控制裝置，可節(jié)省人力、物力，有助于加快家庭農(nóng)場(chǎng)的規(guī)模和發(fā)展速度。本裝置主要包括監(jiān)控終端控制器、上位機(jī)監(jiān)控中心軟件及農(nóng)戶手機(jī)3個(gè)部分，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

本裝置通用于溫室大棚、大面積種植等模式的家庭農(nóng)場(chǎng)。加上圖1虛線框中的傳感器可以構(gòu)成溫室大棚的遠(yuǎn)程集中管理，對(duì)于大面積種植的集中管理可以去掉虛線框中的部分。整個(gè)裝置分為兩大部分：一部分是以微處理器為核心的溫度、濕度、光照度的自動(dòng)控制終端；另一部分是以GSM模塊和個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）為核心的信息遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控終端。控制終端的功能是溫度傳感器、空氣濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器將采集到的實(shí)時(shí)信息經(jīng)過(guò)模擬量/數(shù)字量（A/D）轉(zhuǎn)換后經(jīng)微處理器的輸入/輸出（I/O）口送入微處理器并與事先設(shè)定的值比較，根據(jù)比較結(jié)果決定是否通風(fēng)、澆水等，微處理器把決策結(jié)果信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路后經(jīng)功率放大去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作，如接通澆水電源開(kāi)始澆水、啟動(dòng)大棚覆蓋溫控設(shè)備進(jìn)行升溫或降溫、開(kāi)啟加濕/除濕設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)溫、濕度和光照度等的自動(dòng)調(diào)節(jié)。裝置中的液晶顯示器可以實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、光照度等信息。通過(guò)系統(tǒng)鍵盤(pán)可以設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、光照度等信息。若現(xiàn)場(chǎng)的某個(gè)傳感器故障或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)不成功，則發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)微處理器啟動(dòng)GSM模塊，將報(bào)警信息傳輸至上位機(jī)監(jiān)控中心和用戶手機(jī)，以便用戶及時(shí)作出處理，避免造成不必要的損失。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的功能是接受來(lái)自控制終端的各種信息和數(shù)據(jù)并在上位機(jī)監(jiān)控軟件中顯示以方便農(nóng)場(chǎng)主查看，農(nóng)場(chǎng)主還可以通過(guò)上位機(jī)軟件和GSM通信對(duì)控制終端進(jìn)行控制，上位機(jī)軟件帶有數(shù)據(jù)庫(kù)，農(nóng)場(chǎng)主可以方便地查看各

個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)信息。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)雙重保險(xiǎn)，監(jiān)控終端的報(bào)警等緊急信息還可以同時(shí)發(fā)給農(nóng)場(chǎng)主手機(jī)。

2監(jiān)控裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器的選擇

主控制器選擇MSP430單片機(jī)，它具有豐富的片上資源，有2個(gè)16位定時(shí)器、14路的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6路I/O口，2路串行通信端口等資源，具有功耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、速度快等特點(diǎn)[1]，本設(shè)計(jì)選擇該單片機(jī)作為主控制器，完全滿足設(shè)計(jì)和工作環(huán)境的要求。

2.2家庭農(nóng)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

家庭農(nóng)場(chǎng)（以溫室大棚為例）中空氣的溫、濕度采用數(shù)字集成溫濕度傳感器SHT11，SHT11是將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線接口全部集成在1塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的超低功耗的數(shù)字信號(hào)傳感器。默認(rèn)的測(cè)量溫度、相對(duì)濕度的分辨率分別為14、12位，設(shè)計(jì)中均設(shè)置為12位分辨率，則相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0%～100%，分辨率為0.3%，溫度測(cè)量范圍為-40～1238 ℃，分辨率為0.01 ℃。其供電電壓是2.4～5.5 V，推薦值是3.3 V?？諝鉁亍穸葯z測(cè)電路見(jiàn)圖2-a。

光照度傳感器選用數(shù)字照度傳感器BH1710FVC，它是16位串行數(shù)字輸出型環(huán)境光照傳感器，采用I2C總線結(jié)構(gòu)。該傳感器接近人的視覺(jué)，具有低功耗、與人的視覺(jué)靈敏度相似的光譜靈敏度等特點(diǎn)，可以檢測(cè)從黑暗到日光直射范圍的光照度，工作電壓是2.4～3.6 V，溫度范圍是-40～100 ℃。該傳感器本身具有高、中、低3種測(cè)量精度模式，可以通過(guò)指令進(jìn)行選擇，其測(cè)量電路見(jiàn)圖2-b。