基于GSM太陽能農(nóng)業(yè)溫室大棚多功能智能監(jiān)控系統(tǒng)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

當(dāng)今溫室大棚產(chǎn)業(yè)不斷擴(kuò)大，人們對(duì)于健康的要求也越來越高，溫室大棚提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，就必須要有適宜的生長環(huán)境。 本文介紹的基于GSM的太陽能農(nóng)業(yè)大棚多功能智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過太陽能給單片機(jī)供電，設(shè)置不同的大棚植物所需的最適宜生長環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境值，并在液晶模塊上顯示，如果與設(shè)置參數(shù)不同，則會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置，并通過GSM模塊給大棚管理者發(fā)送信息，同時(shí)自動(dòng)采取相應(yīng)操作。我們相信在未來的生活中，尤其是在溫室大棚中會(huì)起到很重要的作用。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

近二十年來，我國十分重視農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施做了很多投資，溫室大棚就是其中最重要的一個(gè)項(xiàng)目。它作為一種新型的農(nóng)業(yè)作物種植技術(shù)，已經(jīng)突破了傳統(tǒng)作物種植受地域、自然環(huán)境、氣候等諸多因素的限制，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大意義。產(chǎn)量提高了，但是隨著人們生活水平的提高，健康也更加的被人們所關(guān)注，溫室大棚農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量也是人們關(guān)心的焦點(diǎn)，。然而大棚綠色農(nóng)產(chǎn)品怎么樣才能最好的生長呢？目前我國溫室大棚多依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管理，或單片機(jī)控制的單參數(shù)，單回路的較多，人們無法，通過自己的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芫珳?zhǔn)的控制給予蔬菜水果等植物，最佳適宜生長參數(shù)。溫室大棚自動(dòng)化程度不高，效率低。就農(nóng)作物的生長環(huán)境而言，光照，溫度，濕度是最基本的要素，而溫室大棚的智能監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)自動(dòng)化，高效率化的最關(guān)鍵，最重要的環(huán)節(jié)。作為智能監(jiān)控系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)以上要素的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析，處理，并且進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警和智能控制，從而使得溫室大棚的農(nóng)作物能生長在一個(gè)最佳適宜的生長環(huán)境中。

二、需求分析

2.1 功能要求

單片機(jī)所需電能有太陽能提供，可以設(shè)置各種植物生長所需的光照度，溫濕度值，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集環(huán)境值，并在液晶上顯示。如果超標(biāo)或不足，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并自動(dòng)采取開關(guān)燈，開關(guān)門，灌溉，卷簾等操作。系統(tǒng)會(huì)通過GSM模塊給大棚管理者發(fā)送報(bào)警信息。本系統(tǒng)既可用于大面積的溫室大棚種植，也可用于特殊植物的小面積培育。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2.1所示：

圖2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

由太陽能供電，濕度測(cè)量范圍：20％～90%RH，溫度測(cè)量范圍：0～+50℃，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，采集的數(shù)據(jù)信息在液晶上顯示。單片機(jī)控制GSM模塊，將參數(shù)信息發(fā)送給管理者。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

如下圖所示：該系統(tǒng)主要由以下幾大模塊組成：太陽能供電模塊，傳感器模塊（光照度傳感器，溫濕度傳感器），GSM模塊，智能控制模塊（開關(guān)門，開關(guān)燈，灌溉，卷簾），鍵盤模塊，液晶顯示模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示：

圖3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1.1 太陽能供電模塊

太陽能是一種干凈的可再生的新能源，越來越受到人們的青睞，在人們生活、工作中有廣泛的作用， 其中之一就是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，太陽能電池就是利用太陽能工作的。

太陽能供電模塊采用深圳市萬家好太陽能公司生產(chǎn)的5 W多晶硅太陽能電池，最大電壓18V，多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率約12％左右。從制作成本上來講，比單晶硅太陽能電池要便宜一些，材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。

3.1.2 傳感器模塊

光照度傳感器：光照度是農(nóng)作物生長的重要參數(shù)之一,在設(shè)施農(nóng)業(yè)中光照度的檢測(cè)越來越得到科技工作者的重視。目前設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境控制用的光照度檢測(cè)電路中,所使用的敏感元件大多為硅光電池。實(shí)際上光敏二極管較硅光電池有許多優(yōu)點(diǎn),有很高的帶寬,價(jià)格便宜,特別是光電流與光照度之間呈較好的線性關(guān)系,因此他在光耦合隔離器、光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸裝置和測(cè)試技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。因此本系統(tǒng)是根據(jù)光敏二極管的感光特性,設(shè)計(jì)一種簡單實(shí)用的光照度檢測(cè)電路。

溫濕度傳感器： 溫濕度對(duì)農(nóng)作物的生長也相當(dāng)重要。本系統(tǒng)采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。

3.1.3 GSM模塊

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)GSM現(xiàn)已覆蓋全國,是我國公眾移動(dòng)通信網(wǎng)的主要方式，主要提供話音，短消息，傳真等業(yè)務(wù)。作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)，具有通過手機(jī)發(fā)送和接收有線長度的文本信息的功能，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，如咨詢服務(wù)，移動(dòng)商務(wù)，E-mail應(yīng)用，娛樂，定位服務(wù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控，和企業(yè)服務(wù)等。GSM數(shù)據(jù)模塊的出現(xiàn)給GSM網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展注入了新的活力和提供了廣闊的市場(chǎng)，而單片機(jī)技術(shù)已在測(cè)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本系統(tǒng)利用單片機(jī)對(duì)GSM模塊進(jìn)行控制，各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)通過遠(yuǎn)程無線傳輸，發(fā)送到大棚管理者手機(jī)上。

3.1.4 智能控制模塊

開關(guān)通風(fēng)口：溫室大棚內(nèi)的溫度過高時(shí)，濕度過高時(shí)，可以采取自動(dòng)打開通風(fēng)口的動(dòng)作，從而達(dá)到通風(fēng)的目的。如果溫度低時(shí)，要先把通風(fēng)口關(guān)上，再開燈取暖。

開關(guān)燈：溫室大棚內(nèi)的溫度過低時(shí)，可以采取開燈取暖的方式，類似于家用取暖器的原理。將電能轉(zhuǎn)化為熱能使溫度增加。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集溫度值，一旦溫度達(dá)到了所需值，就可以關(guān)掉燈。

灌溉：溫室大棚內(nèi)的濕度過低時(shí)，可以采取自動(dòng)灌溉技術(shù)，保證植物的水分供給，避免人工灌溉造成水資源的浪費(fèi)。

卷簾：溫室大棚內(nèi)的光照度不足時(shí)，可以采取自動(dòng)將大棚的簾子卷開，反之，則將簾子蓋上，這一操作準(zhǔn)確且及時(shí)，減少了人力，物力。

3.1.5 鍵盤模塊和液晶顯示模塊

鍵盤模塊：不同的蔬菜有不同的適宜環(huán)境生長值，通過鍵盤可以增加或減少默認(rèn)值，設(shè)置最佳生長參數(shù)。液晶顯示模塊：顯示當(dāng)前時(shí)間，光照度和溫濕度。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

經(jīng)過商討決定，硬件平臺(tái)選用主辦方提供的EVK1100，它是一個(gè)基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的評(píng)估套件和開發(fā)系統(tǒng)。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要很多資源，EVK1100恰好可以滿足其需求。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3.3所示：

圖3.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 系統(tǒng)軟件流程

程序整體流程圖如圖3.4所示，鍵盤模塊程序流程如圖3.4.1所示，液晶模塊程序流程圖如圖3.4.2所示，報(bào)警器模塊程序流程圖如圖3.4.3所示，傳感器模塊程序流程圖如圖3.4.4所示，智能控制模塊程序流程圖如圖3.4.5所示，GSM模塊程序流程圖如圖3.4.6所示：

圖3.4 程序整體流程圖

圖3.4.1鍵盤模塊程序流程圖(設(shè)置環(huán)境值) 圖3.4.2 液晶模塊程序流程圖

圖3.4.3 報(bào)警器模塊程序流程圖 圖3.4.4 傳感器模塊程序流程圖

圖3.4.5 智能控制模塊程序流程圖 圖3.4.6 GSM模塊程序流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

能夠?qū)崟r(shí)采集光照度和溫濕度，并在液晶上準(zhǔn)確顯示。自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可以根據(jù)大棚管理者設(shè)置的不同生長參數(shù)作出提示，另外，單片機(jī)通過GSM模塊把超標(biāo)或不足信息發(fā)送給管理者，同時(shí)作出相應(yīng)自動(dòng)控制。

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