基于GSM太陽(yáng)能農業(yè)溫室大棚多功能智能監控系統

一、項目概述

1.1 引言

當今溫室大棚產(chǎn)業(yè)不斷擴大，人們對于健康的要求也越來(lái)越高，溫室大棚提高農產(chǎn)品的質(zhì)量，就必須要有適宜的生長(cháng)環(huán)境。 本文介紹的基于GSM的太陽(yáng)能農業(yè)大棚多功能智能監控系統，通過(guò)太陽(yáng)能給單片機供電，設置不同的大棚植物所需的最適宜生長(cháng)環(huán)境參數，系統實(shí)時(shí)檢測環(huán)境值，并在液晶模塊上顯示，如果與設置參數不同，則會(huì )啟動(dòng)報警裝置，并通過(guò)GSM模塊給大棚管理者發(fā)送信息，同時(shí)自動(dòng)采取相應操作。我們相信在未來(lái)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 項目背景/選題動(dòng)機

近二十年來(lái)，我國十分重視農業(yè)的發(fā)展，對農業(yè)設施做了很多投資，溫室大棚就是其中最重要的一個(gè)項目。它作為一種新型的農業(yè)作物種植技術(shù)，已經(jīng)突破了傳統作物種植受地域、自然環(huán)境、氣候等諸多因素的限制，對農業(yè)生產(chǎn)有重大意義。產(chǎn)量提高了，但是隨著(zhù)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)，。然而大棚綠色農產(chǎn)品怎么樣才能最好的生長(cháng)呢？目前我國溫室大棚多依靠人工經(jīng)驗進(jìn)行管理，或單片機控制的單參數，單回路的較多，人們無(wú)法，通過(guò)自己的經(jīng)驗能精準的控制給予蔬菜水果等植物，最佳適宜生長(cháng)參數。溫室大棚自動(dòng)化程度不高，效率低。就農作物的生長(cháng)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控系統是實(shí)現其生產(chǎn)自動(dòng)化，高效率化的最關(guān)鍵，最重要的環(huán)節。作為智能監控系統必須能夠實(shí)現對以上要素的數據進(jìn)行采集，分析，處理，并且進(jìn)行相應的報警和智能控制，從而使得溫室大棚的農作物能生長(cháng)在一個(gè)最佳適宜的生長(cháng)環(huán)境中。

二、需求分析

2.1 功能要求

單片機所需電能有太陽(yáng)能提供，可以設置各種植物生長(cháng)所需的光照度，溫濕度值，系統實(shí)時(shí)采集環(huán)境值，并在液晶上顯示。如果超標或不足，系統會(huì )自動(dòng)報警，并自動(dòng)采取開(kāi)關(guān)燈，開(kāi)關(guān)門(mén)，灌溉，卷簾等操作。系統會(huì )通過(guò)GSM模塊給大棚管理者發(fā)送報警信息。本系統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。系統架構如圖2.1所示：

圖2.1 系統架構

2.2 性能要求

由太陽(yáng)能供電，濕度測量范圍：20％～90%RH，溫度測量范圍：0～+50℃，信號傳輸距離可達20米以上，采集的數據信息在液晶上顯示。單片機控制GSM模塊，將參數信息發(fā)送給管理者。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

如下圖所示：該系統主要由以下幾大模塊組成：太陽(yáng)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(kāi)關(guān)門(mén)，開(kāi)關(guān)燈，灌溉，卷簾），鍵盤(pán)模塊，液晶顯示模塊。系統硬件結構框圖如圖3.1所示：

圖3.1 系統硬件結構框圖

3.1.1 太陽(yáng)能供電模塊

太陽(yáng)能是一種干凈的可再生的新能源，越來(lái)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(yáng)能轉換為電能，太陽(yáng)能電池就是利用太陽(yáng)能工作的。

太陽(yáng)能供電模塊采用深圳市萬(wàn)家好太陽(yáng)能公司生產(chǎn)的5 W多晶硅太陽(yáng)能電池，最大電壓18V，多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉換效率約12％左右。從制作成本上來(lái)講，比單晶硅太陽(yáng)能電池要便宜一些，材料制造簡(jiǎn)便，節約電耗，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：光照度是農作物生長(cháng)的重要參數之一,在設施農業(yè)中光照度的檢測越來(lái)越得到科技工作者的重視。目前設施農業(yè)溫室大棚環(huán)境控制用的光照度檢測電路中,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(xiàn)性關(guān)系,因此他在光耦合隔離器、光學(xué)數據傳輸裝置和測試技術(shù)中得到廣泛的應用。因此本系統是根據光敏二極管的感光特性,設計一種簡(jiǎn)單實(shí)用的光照度檢測電路。

溫濕度傳感器： 溫濕度對農作物的生長(cháng)也相當重要。本系統采用的是DHT11數字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專(zhuān)用的數字模塊采集技術(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(cháng)期穩定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(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室中進(jìn)行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過(guò)程中要調用這些校準系數。單線(xiàn)制串行接口，使系統集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類(lèi)應用甚至最為苛刻的應用場(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(huà)音，短消息，傳真等業(yè)務(wù)。作為GSM網(wǎng)絡(luò )的一項遠程業(yè)務(wù)，具有通過(guò)手機發(fā)送和接收有線(xiàn)長(cháng)度的文本信息的功能，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應用，如咨詢(xún)服務(wù)，移動(dòng)商務(wù)，E-mail應用，娛樂(lè )，定位服務(wù)，遠程監控，和企業(yè)服務(wù)等。GSM數據模塊的出現給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)，而單片機技術(shù)已在測控領(lǐng)域得到了廣泛的應用，本系統利用單片機對GSM模塊進(jìn)行控制，各項環(huán)境參數通過(guò)遠程無(wú)線(xiàn)傳輸，發(fā)送到大棚管理者手機上。

3.1.4 智能控制模塊

開(kāi)關(guān)通風(fēng)口：溫室大棚內的溫度過(guò)高時(shí)，濕度過(guò)高時(shí)，可以采取自動(dòng)打開(kāi)通風(fēng)口的動(dòng)作，從而達到通風(fēng)的目的。如果溫度低時(shí)，要先把通風(fēng)口關(guān)上，再開(kāi)燈取暖。

開(kāi)關(guān)燈：溫室大棚內的溫度過(guò)低時(shí)，可以采取開(kāi)燈取暖的方式，類(lèi)似于家用取暖器的原理。將電能轉化為熱能使溫度增加。系統將實(shí)時(shí)采集溫度值，一旦溫度達到了所需值，就可以關(guān)掉燈。

灌溉：溫室大棚內的濕度過(guò)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。

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

3.1.5 鍵盤(pán)模塊和液晶顯示模塊

鍵盤(pán)模塊：不同的蔬菜有不同的適宜環(huán)境生長(cháng)值，通過(guò)鍵盤(pán)可以增加或減少默認值，設置最佳生長(cháng)參數。液晶顯示模塊：顯示當前時(shí)間，光照度和溫濕度。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

經(jīng)過(guò)商討決定，硬件平臺選用主辦方提供的EVK1100，它是一個(gè)基于A(yíng)VR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開(kāi)發(fā)系統。本系統的實(shí)現需要很多資源，EVK1100恰好可以滿(mǎn)足其需求。

3.3系統軟件架構

系統軟件架構如圖3.3所示：

圖3.3 系統軟件架構

3.4 系統軟件流程

程序整體流程圖如圖3.4所示，鍵盤(pán)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(pán)模塊程序流程圖(設置環(huán)境值) 圖3.4.2 液晶模塊程序流程圖

圖3.4.3 報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 系統預計實(shí)現結果

能夠實(shí)時(shí)采集光照度和溫濕度，并在液晶上準確顯示。自動(dòng)報警系統可以根據大棚管理者設置的不同生長(cháng)參數作出提示，另外，單片機通過(guò)GSM模塊把超標或不足信息發(fā)送給管理者，同時(shí)作出相應自動(dòng)控制。

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