基于移動(dòng)通信的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李小平 劉元?jiǎng)? 熊剛

摘要：針對(duì)陜西省楊凌地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)存在的問題，結(jié)合計(jì)算機(jī)、傳感器、移動(dòng)通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了一種基于移動(dòng)通信的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，完成控制系統(tǒng)的制作，可以根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)作物生長(zhǎng)需要，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)噴灌、通風(fēng)、補(bǔ)光、加溫等調(diào)控方式的智能化操作。測(cè)試結(jié)果表明該控制系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量較為準(zhǔn)確，信息收發(fā)正常，數(shù)據(jù)超限時(shí)，執(zhí)行設(shè)備動(dòng)作、控制性能良好，報(bào)警及時(shí)，具有一定的使用價(jià)值和推廣前景。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè);傳感器;單片機(jī);監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）09-0162-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.09.035

智慧農(nóng)業(yè)就是運(yùn)用傳感器和軟件通過移動(dòng)平臺(tái)或電腦平臺(tái)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行控制，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具有“智慧”。陜西省楊凌是中國農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，在中國農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有較為重要的影響力。從對(duì)楊凌示范區(qū)、陜西省內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)推廣較為集中的區(qū)域進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果來看，一般農(nóng)戶的簡(jiǎn)易大棚、中小農(nóng)業(yè)企業(yè)的中、小型設(shè)施農(nóng)業(yè)在環(huán)境參數(shù)的控制上存在測(cè)控因子少、精度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)工、調(diào)控繁瑣等問題，嚴(yán)重影響農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)效益[1-9]。因此研發(fā)性能可靠、性價(jià)比高的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)極具現(xiàn)實(shí)意義。研究針對(duì)楊凌地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制中存在的問題，分析不同環(huán)境因子對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)影響，結(jié)合計(jì)算機(jī)、傳感器、移動(dòng)通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了一種基于移動(dòng)通信的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)融合數(shù)字式溫度傳感器、模擬式CO₂濃度傳感器、模擬式光照度傳感器、數(shù)字式溫濕度傳感器為數(shù)據(jù)采集部件，把采集到的溫濕度、光照度、CO₂濃度等多種環(huán)境參數(shù)傳送至控制器進(jìn)行處理，將信息實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，對(duì)預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行超限判斷，并控制相關(guān)執(zhí)行設(shè)備對(duì)超限狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足植物生長(zhǎng)的需要。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該控制系統(tǒng)分為多層架構(gòu)，即傳感器層、控制器層、手機(jī)層等。

系統(tǒng)中的傳感器層的作用主要是對(duì)空氣溫濕度、CO₂濃度、光照度進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)采集。

控制器層是該系統(tǒng)的核心組成部分，是以微控制器作為核心控制器，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在液晶顯示器上顯示，并且根據(jù)作物生長(zhǎng)設(shè)置要求控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行設(shè)備，包括風(fēng)機(jī)、噴灌機(jī)、補(bǔ)光燈、加熱器等，同時(shí)在數(shù)據(jù)超限時(shí)聲光報(bào)警、信息報(bào)警，通過移動(dòng)通信模塊對(duì)預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送信息及時(shí)通知工作人員，并且接受手機(jī)端的查詢，接收到查詢信號(hào)時(shí)能夠及時(shí)將設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)終端，在沒有查詢命令發(fā)生或預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)參數(shù)沒有處在超限狀態(tài)下，每隔一定時(shí)間向上位機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

手機(jī)層主要可以實(shí)現(xiàn)無人值守的功能，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在與下位機(jī)握手成功后，編寫手機(jī)信息發(fā)送固定命令給下位機(jī)，實(shí)時(shí)掌握設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)，了解設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境狀況;并且在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)異常時(shí)，接收下位機(jī)發(fā)送的報(bào)警信息。

2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 主要硬件電路

控制系統(tǒng)硬件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括控制器模塊、電源模塊、傳感器模塊、聲光報(bào)警模塊、移動(dòng)通信模塊、顯示器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊等，主要硬件電路如圖2所示。

微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心器件，決定了系統(tǒng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算速度。AT89S52單片機(jī)是美國Ateml公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的CMOS8位微處理器，片內(nèi)有8K可編程Flask存儲(chǔ)器，具有編程簡(jiǎn)單、使用方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，該系統(tǒng)選用AT89S52單片機(jī)作為主控制芯片[10-12]。

移動(dòng)通信模塊采用TC35，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊（ASIC）、閃存，ZIF連接器、天線接口6部分組成。該模塊體積小巧、設(shè)計(jì)緊湊、低功耗、便于集成等特點(diǎn)成為目前使用頻繁的一個(gè)SMS模塊。與GSM2/2+兼容、集基帶與射頻電路于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為短消息、語音、數(shù)據(jù)提供快速可靠的傳輸。

時(shí)鐘模塊采用的是美國DALLAS公司推出的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，該芯片采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)，能夠直接與單片機(jī)I/O連接[13]。

2.2 傳感器與單片機(jī)接口電路

2.2.1 光照度傳感器 控制系統(tǒng)中所選用的光照度傳感器為光敏電阻，通過對(duì)其采集的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理后再傳送至單片機(jī)，電路如圖3所示。使用時(shí)，PCF8591的3個(gè)地址引腳A0、A1和A2接地，一個(gè)模擬信號(hào)輸入端接光敏電阻，基準(zhǔn)電源端接高電平，使用內(nèi)部時(shí)鐘，EXT接地，12C總線的時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線與單片機(jī)I/O口直接連接，電路如圖3所示。

2.2.2 二氧化碳傳感器 控制系統(tǒng)選用的CO₂傳感器型號(hào)為MG811，對(duì)CO₂氣體感應(yīng)靈敏度高、選擇性好，溫濕度變化對(duì)其影響較小，具有良好的穩(wěn)定性，并且COZ濃度與輸出電動(dòng)勢(shì)（EMF）之間的函數(shù)關(guān)系符合能斯特方程。

式中，EC為CO₂濃度在350mg/L時(shí)的輸出電壓值，在320～330mV;R為氣體常量;T為熱力學(xué)溫度，單位K;F為法拉第常量，P（CO₂）是CO₂的分壓。根據(jù)查詢廠家提供的MG811傳感器的資料，EMF的輸出范圍在30～50mV，對(duì)C02的濃度測(cè)量范圍在350～10000mg/L[14-16]。

因?yàn)镃O₂傳感器MG811輸出電壓比較小，需要進(jìn)行放大處理。因此，該系統(tǒng)采用MG811二氧化碳傳感器模塊，如圖4所示。CO₂傳感器模塊主要芯片是MG811和LM393電壓比較器，外形尺寸為40mm×25mm×35mm，具有工作電壓信號(hào)燈、TTL電平信號(hào)燈輸出指示、模擬量信號(hào)、TTL高低電平信號(hào)雙路信號(hào)輸出，可以輸出0～2V的模擬電壓信號(hào)，該模擬電壓信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后直接傳送給單片機(jī)處理，與單片機(jī)的接口電路如圖5所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主程序首先要完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化工作。其中包括液晶顯示屏的最初顯示、各變量及數(shù)組的初始設(shè)定、通信模塊的連接和設(shè)置等內(nèi)容。然后開始采集溫度、濕度、光照度等被測(cè)量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理后顯示出來，并判斷是否超限，如果超限，則輸出報(bào)警信號(hào)和執(zhí)行器控制信號(hào)，以保證設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)在合適的范圍之內(nèi);數(shù)據(jù)正常則定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且接收手機(jī)終端查詢指令;流程如圖6所示。

在初始化工作完成之后，主程序便進(jìn)入一個(gè)不停循環(huán)的過程。在每次循環(huán)過程一開始，首先要進(jìn)行一個(gè)短暫的延時(shí)處理，然后開始采集設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)及時(shí)鐘數(shù)據(jù)，處理后顯示，然后進(jìn)行幾個(gè)判斷。

1）判斷數(shù)據(jù)是否超限。將各個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集處理后，依次判斷數(shù)據(jù)有無超過預(yù)定限值，有則輸出信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，聲光報(bào)警、信息報(bào)警，數(shù)據(jù)正常則進(jìn)行下一步工作。

2）判斷是否達(dá)到預(yù)定時(shí)間。所謂預(yù)定時(shí)間，就是系統(tǒng)采集各傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，考慮到各傳感器的靈敏度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等因素，將時(shí)間間隔定為10min。若到達(dá)預(yù)定時(shí)間，則將傳感器數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，處理完以上操作后進(jìn)入下一步工作。

3）判斷有無干擾信息。上述操作處理完或沒有達(dá)到預(yù)定時(shí)間則進(jìn)入這一步。在該過程中，判斷是否有干擾信息（有騷擾電話進(jìn)入，TC35模塊發(fā)送了不相關(guān)信息等），如果有，則作相應(yīng)的處理并清除信息，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4）按鍵處理步驟。在這一過程中，進(jìn)行相關(guān)按鍵的操作，系統(tǒng)將根據(jù)鍵值來完成上下限值設(shè)置、發(fā)送信息測(cè)試等操作。該系統(tǒng)只有在緊急情況下才使用按鍵來設(shè)置系統(tǒng)功能，一般情況下主要用信息遠(yuǎn)程操作。

5）返回。在上述過程完成后或無按鍵按下時(shí)便進(jìn)入這一步。在該過程中首先檢測(cè)是否有信息到來，如果有便根據(jù)信息內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)操作，其中包括回傳當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)定上下限、進(jìn)行電話號(hào)碼配對(duì)等。該過程完成后便返回。

4 控制系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試場(chǎng)地介紹

控制系統(tǒng)調(diào)試完畢后，進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)地選擇楊凌五泉鎮(zhèn)某設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚。該設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚長(zhǎng)100m，寬6.5m，棚脊高4m，凈面積為650m²;設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)主要種植番茄、黃瓜等蔬菜。

4.2 實(shí)地性能測(cè)試

4.2.1 測(cè)試方案 實(shí)地測(cè)試主要是測(cè)試控制系統(tǒng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)復(fù)雜環(huán)境下的工作性能，包括傳感器工作狀態(tài)、環(huán)境數(shù)據(jù)超限時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)、環(huán)境數(shù)據(jù)超限時(shí)報(bào)警情況等。首先將控制器電路板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電腦安裝在設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)空地處。

4.2.2 測(cè)試過程 第一步，實(shí)地采集設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，記錄10組數(shù)據(jù)，如表1所示。第二步，設(shè)置設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)范圍，溫度范圍（20～25℃）、濕度范圍（10%～95%）、光照度范圍（10～9000lx）、CO₂濃度范圍（10～1000mg/L），以及報(bào)警信息。設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時(shí)，觀察記錄執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)及報(bào)警情況，如表2所示。

4.2.3 測(cè)試結(jié)果 實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明，傳感器性能較穩(wěn)定，誤差較小;在環(huán)境數(shù)據(jù)超限時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作、聲光報(bào)警及信息報(bào)警及時(shí);信息設(shè)置參數(shù)功能正常，可以實(shí)時(shí)設(shè)置工作人員手機(jī)號(hào);信息查詢功能正常，發(fā)送查詢信息后，3s內(nèi)收到設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

5 小結(jié)

該控制系統(tǒng)根據(jù)楊凌地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)的實(shí)際情況，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)等，設(shè)計(jì)制作了智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)控制、超限報(bào)警等功能。測(cè)試結(jié)果表明，基于移動(dòng)通信的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)能夠適應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)較為復(fù)雜的環(huán)境，工作性能可靠，控制性能良好，傳感器測(cè)量精度較高，報(bào)警功能正常，信息設(shè)置參數(shù)正常，能夠滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控需要，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭世榮，孫錦，束勝，等.國外設(shè)施園藝發(fā)展概況、特點(diǎn)及趨勢(shì)分析[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（5）：43-52.

[2]荊坷，張孟杰，李芳，等.溫室控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（5）：213-215·

[3]馬超，朱莉，曾劍波，等.北京地區(qū)設(shè)施西瓜環(huán)境因子調(diào)控手段及數(shù)據(jù)分析[J].北方園藝，2017（18）：85-89.

[4]王海清，周弊.基于云平臺(tái)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].鄉(xiāng)村科技，2017（36）：87-88.

[5]陳鏡，王紹源，陳清華.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（9）：79-83.

[6]楊瑞峰，王雄，郭晨霞，等.基于Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電子器件，2017，40（3）：760-765.

[7]馬福東，章牧.基于模塊化智能溫室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（5）：147-150.

[8]宋子龍，曹鳳才，劉權(quán)亮.基于Zig Bee技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2015（5）：35-37.

[9]江杰，岳云東.智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2018（1）：33-35.

[10]王建平，梁春英，張洪洲，等.基于STC89C52R的棉花水分智能檢測(cè)儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（11）：61-64.

[11]溫子祺，劉志峰，冼安勝，等.51單片機(jī)C語言創(chuàng)新教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.23-24.

[12]包豐華，岳仕達(dá)，閆冬旭，等.基于K60單片機(jī)的環(huán)境控制在畜禽舍中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（6）：261-264.

[13]李新春，許馳.基于WSN的糧庫環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（7）：38-41.

[14]趙鵬，單慧勇，戚自雄，等.溫室二氧化碳?xì)夥恃a(bǔ)施控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2014，52（10）：7-9.

[15]張鋒，劉丹.溫室大棚數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2018（4）：2-4.

[16]鐘山，黃鵬，代鵬，等.嵌入式與EmguCv的作物智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2019（8）：36-39.

收稿日期：2020-03-05

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（19JK0983）;楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目（A2018051）

作者簡(jiǎn)介：李小平（1963-），男，陜西長(zhǎng)安人，講師，主要從事應(yīng)用電子技術(shù)研究，（電話）029-87083621（電子信箱）175343103@qq.com。