基于手機(jī)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(jì)

摘要：針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)作物種植對(duì)環(huán)境溫濕度信息采集的需要，結(jié)合GSM無線通信技術(shù)，并以單片機(jī)作為控制器，以高精度的數(shù)字式溫濕度傳感器作為測量設(shè)備，設(shè)計(jì)了一種基于手機(jī)短信的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度的檢測、傳輸、顯示、報(bào)警，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)地性能測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)測量誤差較小，短信收發(fā)正常，實(shí)用性和可靠性較高，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度的監(jiān)測和報(bào)警，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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(dá)210萬公頃，但是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化的進(jìn)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(dá)國家。在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度和濕度對(duì)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?yàn)槌杀靖甙?、維護(hù)困難、性價(jià)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(jì)、濕度計(jì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不能實(shí)時(shí)的根據(jù)溫室環(huán)境的變化及時(shí)調(diào)節(jié)溫濕度。

隨著計(jì)算機(jī)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(jī)的廣泛使用，研發(fā)出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、性能良好的、基于手機(jī)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(jī)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(chǔ)、報(bào)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(shí)，首先實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，同時(shí)通過GSM模塊對(duì)預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信，及時(shí)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。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 微處理器模塊

本系統(tǒng)微處理器采用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，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(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)穩(wěn)定性更好，可解決本系統(tǒng)的所有運(yùn)算及控制過程。

2.2 溫濕度傳感器

根據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境現(xiàn)場特點(diǎn)及要求，需要一款性價(jià)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(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。內(nèi)部傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，具有抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)的采集。

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(shí)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(yàn)和 (1)

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

濕度高8位十濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=數(shù)據(jù)的末8位=校驗(yàn)和 (3)

計(jì)算：00000001+10011111+00000010+00111011=11011101 (4)

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

溫度=02.3BH(十六進(jìn)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(dòng)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(duì)溫濕度的臨界值進(jìn)行短信報(bào)警，使農(nóng)戶及時(shí)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300mA(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(hào)實(shí)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。該模塊帶有RS232通訊接口，與單片機(jī)通信非常方便，可以快速、安全、可靠的實(shí)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128x64，內(nèi)置8192個(gè)16x16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16x8點(diǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn)5～3.3 V的轉(zhuǎn)換，使用時(shí)在輸入和輸出端對(duì)地接濾波電容，電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將程序分為主程序和多個(gè)子程序，主程序經(jīng)過初始化后，進(jìn)入手動(dòng)系統(tǒng)日期設(shè)置、預(yù)留手機(jī)號(hào)碼、溫濕度上下限等參數(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)界面，設(shè)置信息完成后程序自動(dòng)進(jìn)入溫濕度檢測子程序運(yùn)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(shí)與事先設(shè)置好的溫濕度臨界值進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，如果測量的參數(shù)值沒有達(dá)到臨界值那么延時(shí)一段時(shí)間后繼續(xù)測量，反之若達(dá)到臨界值那么立即調(diào)用報(bào)警子程序驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路并驅(qū)動(dòng)GSM模塊向指定的手機(jī)預(yù)存號(hào)碼發(fā)送短信，控制器可自動(dòng)將當(dāng)前的溫濕度參數(shù)值及提醒信息自動(dòng)編輯于短信內(nèi)，發(fā)送給用戶手機(jī)號(hào)碼，之后再經(jīng)過延時(shí)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。

4 系統(tǒng)性能測試及分析

結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，制作調(diào)試樣機(jī)，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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)，聲光報(bào)警裝置工作，報(bào)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(shí)際工作中，運(yùn)行情況穩(wěn)定，溫濕度測量誤差較小，報(bào)警功能正常，較好的達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

文中結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、GSM通信技術(shù)及傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于手機(jī)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(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、手機(jī)短信報(bào)警等功能。經(jīng)過對(duì)開發(fā)出的樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測試，監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果，具有精度高，測量范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(gè)簡單可靠、安全經(jīng)濟(jì)的溫濕度監(jiān)測平臺(tái)。通過后續(xù)改進(jìn)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)警，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。