基于手機短信的設施農業(yè)溫濕度遠程監測系統的設計

摘要：針對設施農業(yè)作物種植對環(huán)境溫濕度信息采集的需要，結合GSM無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，并以單片機作為控制器，以高精度的數字式溫濕度傳感器作為測量設備，設計了一種基于手機短信的設施農業(yè)溫濕度遠程監測系統，實(shí)現設施農業(yè)溫濕度的檢測、傳輸、顯示、報警，最后對系統進(jìn)行了實(shí)地性能測試，測試結果表明，系統測量誤差較小，短信收發(fā)正常，實(shí)用性和可靠性較高，能夠實(shí)現設施農業(yè)溫濕度的監測和報警，具有較高的應用價(jià)值。

我國是世界上的設施農業(yè)大國，至21世紀初，我國設施農業(yè)生產(chǎn)面積已達210萬(wàn)公頃，但是我國設施農業(yè)的現代化的進(jìn)展卻比較緩慢，溫室農業(yè)中農業(yè)設施、管控技術(shù)等方面都落后于歐美等發(fā)達國家。在設施農業(yè)生產(chǎn)中，溫度和濕度對作物生長(cháng)非常的重要，直接影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。根據楊凌示范區、陜西省部分地區調研數據，新型溫濕度監測系統因為成本高昂、維護困難、性?xún)r(jià)比低等原因使用較少，很多的農戶(hù)和中小型農業(yè)企業(yè)大多采用人工查看溫度計、濕度計指導農業(yè)生產(chǎn)，不能實(shí)時(shí)的根據溫室環(huán)境的變化及時(shí)調節溫濕度。

隨著(zhù)計算機技術(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，以及手機的廣泛使用，研發(fā)出一種經(jīng)濟實(shí)惠、性能良好的、基于手機短信的溫室大棚溫濕度監測系統是很有必要的。

1 系統結構

本系統利用GSM無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，以單片機作為系統控制核心，高精度的數字式溫濕度傳感器為測量設備，具有溫濕度的顯示、存儲、報警等功能，當系統檢測到環(huán)境溫濕度變化至威脅到農作物生長(cháng)時(shí)，首先實(shí)現聲光報警，同時(shí)通過(guò)GSM模塊對預先設置好的手機號碼發(fā)送短信，及時(shí)通知用戶(hù)采取適當措施避免農作物受損，系統結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

控制系統硬件電路采用模塊化設計方法，包括單片機與GSM短信模塊、溫濕度模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊、數據存儲模塊、遙控鍵盤(pán)模塊等，主要硬件電路如圖2所示。

2.1 微處理器模塊

本系統微處理器采用STC12C5A60S2單片機，該單片機是單時(shí)鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換。性?xún)r(jià)比高、抗干擾能力強穩定性更好，可解決本系統的所有運算及控制過(guò)程。

2.2 溫濕度傳感器

根據農業(yè)環(huán)境現場(chǎng)特點(diǎn)及要求，需要一款性?xún)r(jià)比高、體積小、響應靈敏、測量精度高的溫濕度傳感器，因此我們選擇DHT21型數字式溫濕度傳感器。

DHT21型數字式溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。內部傳感器包括一個(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位單片機相連接，信號傳輸距離可達20米以上，具有抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。DHT21為4針單排引腳封裝，連接方便，可適用于本系統的溫濕度信號的采集。

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(xiàn)數據格式，一次通訊時(shí)間5 ms左右，以當前數據傳輸為40 bit，高位先出。

數據格式：40 bit數據=16 bit濕度數據+16 bit溫度數據+8 bit校驗和 (1)

溫濕度數據計算過(guò)程，假定傳感器接收到40位數據為：

濕度高8位十濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=數據的末8位=校驗和 (3)

計算：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(xiě)，意為全球移動(dòng)通信系統，是世界上主要的蜂窩系統之一。因此可采用TC35i型GSM模塊的短信息發(fā)送功能，對溫濕度的臨界值進(jìn)行短信報警，使農戶(hù)及時(shí)接收到預警信息。

TC35i型GSM模塊是德國SIEMENS(西門(mén)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(guò)AT命令或關(guān)斷信號實(shí)現重啟和故障恢復，完全可滿(mǎn)足本系統的短消息發(fā)送功能。該模塊帶有RS232通訊接口，與單片機通信非常方便，可以快速、安全、可靠的實(shí)現溫濕度數據短消息服務(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(jiǎn)單、方便的操作指令，可構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)穩壓器，提供系統所需要的5 V及3.3 V電源。220 V交流電經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波及LM7805穩壓后變成5 V的直流電.AMS1117是一款線(xiàn)性穩壓器，可以實(shí)現5～3.3 V的轉換，使用時(shí)在輸入和輸出端對地接濾波電容，電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

程序設計采用模塊化設計思路，將程序分為主程序和多個(gè)子程序，主程序經(jīng)過(guò)初始化后，進(jìn)入手動(dòng)系統日期設置、預留手機號碼、溫濕度上下限等參數設置設計界面，設置信息完成后程序自動(dòng)進(jìn)入溫濕度檢測子程序運行階段。首先系統通過(guò)傳感器將采集到的溫濕度參數顯示到LCD顯示器上，同時(shí)與事先設置好的溫濕度臨界值進(jìn)行實(shí)時(shí)對比，如果測量的參數值沒(méi)有達到臨界值那么延時(shí)一段時(shí)間后繼續測量，反之若達到臨界值那么立即調用報警子程序驅動(dòng)聲光報警電路并驅動(dòng)GSM模塊向指定的手機預存號碼發(fā)送短信，控制器可自動(dòng)將當前的溫濕度參數值及提醒信息自動(dòng)編輯于短信內，發(fā)送給用戶(hù)手機號碼，之后再經(jīng)過(guò)延時(shí)使程序返回到主程序上重新檢測溫濕度參數并以此循環(huán)。具體流程圖如圖4所示。

4 系統性能測試及分析

結合硬件設計和軟件設計，制作調試樣機，如圖5所示。

調試完畢后于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(guò)專(zhuān)業(yè)工具設定溫度為20℃、濕度為70%RH，實(shí)際測量結果分別是19.8℃、71%RH，溫濕度變化情況下響應時(shí)間10 s，然后設定監測溫度范圍為：15～25 ℃，濕度范圍為：60RH%～85RH%，在溫室環(huán)境溫濕度變化，超過(guò)設定值時(shí)，聲光報警裝置工作，報警短信1s內發(fā)出。測試結果表明，本監測系統在實(shí)際工作中，運行情況穩定，溫濕度測量誤差較小，報警功能正常，較好的達到了設計要求。

5 結束語(yǔ)

文中結合計算機技術(shù)、GSM通信技術(shù)及傳感器技術(shù)，設計了基于手機短信的設施農業(yè)溫濕度遠程監測系統，具有溫濕度實(shí)時(shí)顯示、存儲、手機短信報警等功能。經(jīng)過(guò)對開(kāi)發(fā)出的樣機進(jìn)行試驗測試，監測系統達到了預期的效果，具有精度高，測量范圍廣，適應性強的特點(diǎn)，能夠廣泛應用于農業(yè)或工業(yè)環(huán)境溫濕度測量中，為用戶(hù)提供一個(gè)簡(jiǎn)單可靠、安全經(jīng)濟的溫濕度監測平臺。通過(guò)后續改進(jìn)還可實(shí)現對外圍溫濕度調節器的控制，因此本系統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測和報警，具有較高的應用價(jià)值。