劉曉青

(楚雄師范學院計算機與信息學院，云南 楚雄 675000)

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溫室大棚GSM網(wǎng)絡遠程自動化控制系統(tǒng)的研究*

劉曉青

(楚雄師范學院計算機與信息學院，云南 楚雄 675000)

本系統(tǒng)是一個以AVR單片機為主控制器，通過傳感器獲取空氣濕度、空氣溫度、土壤溫度、光照強度等環(huán)境參數(shù)，利用GSM網(wǎng)絡與移動設備進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)對大棚空氣溫濕度、土壤溫濕度、通風、灌溉、施肥的遠程監(jiān)控與遠程控制。只需一次性設置好參數(shù)需求，系統(tǒng)便可長時間自動管理，也可通過手機人為干預。通過實際測試表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)準確，響應快速，并且實現(xiàn)了自動控制和手動控制的結(jié)合，具有很強的實際應用推廣價值。

AVR單片機；大棚；自動化控制；遠程控制

0 引言

溫室大棚為農(nóng)作物提供穩(wěn)定的生長環(huán)境，環(huán)境要求比較苛刻的植物對溫室大棚的環(huán)境參數(shù)要求也相對較高，環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)及控制往往是一項困難且復雜的工作，所以自動控制溫室大棚具有較大的研究價值。目前，自動溫室控制系統(tǒng)主要分為兩大類型：自動控制大棚、智能化控制大棚。自動控制大棚成本較低，但功能簡單，而智能大棚功能豐富，甚至可以實現(xiàn)對植物不同生長時期進行不同處置，但成本高昂。本文所研究的自動化溫室大棚控制系統(tǒng)，除了在普通自動控制的基礎上大大提高了精度，并且創(chuàng)新了通過GSM網(wǎng)絡的遠程手機控制，擺脫工控主機和通訊線路的束縛，隨時隨地進行觀察控制，并且價格低廉，比較符合目前經(jīng)濟較不發(fā)達地區(qū)的農(nóng)業(yè)需求現(xiàn)狀，以較低的成本投入即可大大提高生產(chǎn)效率，并且具備向智能化控制升級的可行性。[1]

1.硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 溫室大棚GSM網(wǎng)絡遠程自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能溫室大棚遠程自動化控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，MEGA2560控制器是整個系統(tǒng)的控制核心?？刂破魍ㄟ^各類型傳感器獲取光照強度、土壤溫濕度、空氣溫濕度后，進行分析，根據(jù)設定的參數(shù)進行比對，然后驅(qū)動執(zhí)行模組控制相應設備進行調(diào)節(jié)，保證溫室環(huán)境條件精確的處于設定范圍之內(nèi)?？刂破鬟€通過GSM模塊與用戶手機進行數(shù)據(jù)通訊，用戶可以實時了解當前溫室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，必要時可以發(fā)送命令進行人工干預調(diào)節(jié)。[2]

1.1 MEGA2560微控制器

Mega2560是采用USB接口的核心電路板，具有54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量I/O接口的設計。處理器核心是ATmega2560，同時具有54路數(shù)字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，4路UART接口。豐富的模擬和數(shù)字輸入接口使其特別適合于應用大量傳感器進行數(shù)據(jù)采集的環(huán)境，也能夠支持大量的數(shù)字輸出接口進行復雜的外部設備控制。4路UART接口則可以負責與上位機及配套模組進行數(shù)據(jù)通信。[3]

1.2環(huán)境參數(shù)采集

1.2.1 SHT10溫濕度數(shù)字傳感器

系統(tǒng)采用瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT10傳感器來獲取大棚內(nèi)的空氣溫度和濕度。SHT10傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接，具有極高的精確度與長期穩(wěn)定性。

1.2.2 SEN0014土壤濕度傳感器

SEN0014傳感器是一款采集土壤濕度數(shù)據(jù)的模擬傳感器，其工作原理是土壤的電阻值隨著土壤濕度的變化而變化，土壤濕度越大，電阻值越小，土壤濕度越小，則電阻值越大，隨著電阻值變化的是傳感器輸出腳上的電壓值，控制器對此信號經(jīng)行A/D轉(zhuǎn)換，便可以得到土壤的濕度值。

1.2.3熱電堆紅外溫度傳感器

土壤的溫度使用接觸式的傳感器進行采集并不理想，因為置于土壤中的溫度傳感器往往會在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)故障并導致極大誤差。一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量，熱電堆紅外傳感器可以直接感應熱輻射，溫度測量范圍內(nèi)能達到±1℃的精度，所以在土壤上方設置熱電堆紅外非接觸式溫度傳感器是最理想的方法，精度高、穩(wěn)定性好。

1.2.4光敏傳感器

光敏傳感器中最簡單的電子器件是光敏電阻，它能感應光線的明暗變化，電阻值變化，輸出變化的模擬信號，控制器對此信號經(jīng)行A/D轉(zhuǎn)換，便可以得到大棚的光照強度值。

1.3遠程數(shù)據(jù)通訊

1.3.1 SIM900A GSM模塊

SIM900A是SIMCom公司的雙頻GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝形式，通過AT命令控制，使用UART接口與MEGA2560控制器連接進行數(shù)據(jù)通信。能夠方便地使用運營商提供的GSM網(wǎng)絡進行互聯(lián)網(wǎng)接入，用戶手機通過GSM網(wǎng)絡對系統(tǒng)發(fā)出短信指令即可將控制數(shù)據(jù)發(fā)送至控制系統(tǒng)。

1.4執(zhí)行模組

系統(tǒng)使用MEGA2560控制器的數(shù)字輸出信號來進行外部設備控制，但是微控制器輸出腳的5V直流信號功率較小，通過它僅能驅(qū)動小功率電磁繼電器來控制小功率設備，所以系統(tǒng)在繼電器后端又加入了大功率交流接觸器，使得系統(tǒng)能夠控制水泵、加熱設備等大功率設備的打開及關閉。

系統(tǒng)中頂部遮陽簾的開合是由微控制器控制一個可以正反方向轉(zhuǎn)動的舵機來完成的，遮陽簾的開合程度并未使用傳統(tǒng)的限位開關來完成，因為限位開關只能在觸動它的時候才能獲取遮陽簾的位置信息，難以精確的控制開合度，也無法讓遮陽簾停留在任意需要的位置。所以系統(tǒng)采用了一個超聲波距離傳感器來獲取遮陽簾位置信息，通過超聲波傳感器不停地回傳一個距離參數(shù)，便可以準確的知道遮陽簾的開合程度，也可以讓其停留在任意需要的位置。[4]

2.軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)采用了大量的傳感器盡可能的獲取全面的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，運算后由大量的數(shù)字和模擬輸出接口來完成豐富的外部執(zhí)行模組的控制，所以軟件部分的編寫主要涉及到數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行控制、GSM通信三大部分。其基本邏輯如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)軟件設計主要邏輯圖

其中傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字輸出接口的執(zhí)行控制較為常見，而GSM模塊的控制則是通過AT指令集完成的。其原理就是在與GSM模塊通信的串口上發(fā)送已經(jīng)由廠商定義好的各種字符串指令及我們需要發(fā)送的信息，即可讓GSM模塊發(fā)送短信或撥打電話。

在串口發(fā)送AT+CMGF=1 至GSM模塊讓模塊進入短信模式，發(fā)送AT+CMGS= ""+13988888888+" " "將讓GSM往號碼為13988888888的用戶發(fā)送一條短信，內(nèi)容是接下來串口發(fā)送的文本信息。

而當GSM模塊接收到用戶發(fā)送過來的短信時，GSM模塊同樣在串口上向微控制器發(fā)送整條字符串信息，其中包括時間，對方號碼，信息內(nèi)容等諸多信息，通過字符串的截取便可以將相應需要的信息提取出來，然后進行運算分析，便可以知道用戶發(fā)送過來的控制命令是什么含義，并且根據(jù)命令控制執(zhí)行模塊做出相應動作完成操作。

部分程序片段：

3.結(jié)論

按照本研究的系統(tǒng)設計制作模型，并在模型中進行了模擬種植，在種植的過程中多次調(diào)整預置參數(shù)，系統(tǒng)精確度逐步完善，最終成功自動種植多種對環(huán)境要求不同的植物，達到了預期設計目的。并且系統(tǒng)具備極大擴展空間，可以隨意擴展上位機及下位機，進行更加復雜的數(shù)據(jù)通信和控制操作，能夠更進一步的發(fā)展成為更優(yōu)秀更強大的溫室大棚智能遠程控制系統(tǒng)，本研究對溫室大棚的遠程控制系統(tǒng)的實踐方法做了一次非常有意義的探索。[5]

[1]鄭文剛，趙春江，王紀華.溫室智能控制的研究進展[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2004,(02):8—11.

[2]蔣峰，韓先花，賀超英.溫室遠程控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)機化研究，2009，31(08):87—89.

[3]駱順紀.無人機最簡控制系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2002，18(11)，47—50.

[4]郭志偉，張云偉，李霜,等.基于GSM的農(nóng)田氣象信息遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].農(nóng)業(yè)機械化學報，2009，4(03)：161—166.

[5]楊耿煌.郭開榮.李亞偉.基于GSM短信平臺的灌溉自動控制器的開發(fā)[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2005，36(06)：753—755.

(責任編輯 劉洪基)

A Study of the Greenhouse GSM Network Remote Automatic Control System

LIU Xiaoqing

(SchoolofComputerScience&Information,ChuxiongNormalUniversity,Chuxiong, 675000,YunnanProvince)

Using an AVR SCM as the MCU, this system enables remote supervision on and control of temperature and humidity of the air, temperature and humidity of the soil, ventilation, irrigation and fertilization in the greenhouse by obtaining humidity and temperature of the air, temperature of the soil, illumination and other environmental parameters through sensors and communicating with mobile devices through the GSM network. All we need to do is set the required parameters and the system will automatically manage all for a prolonged period of time. Of course, human interference through mobile phone remains possible. Pilot operation shows that the system is stable and reliable, the date accurate, its response fast, and combination between automatic control and manual control enabled. It is, therefore, of high value to popularize this system.

AVR singlechip machine (SCM), greenhouse, automatic control, remote control

云南省教育廳科研基金項目，項目編號：2012Y132；楚雄師范學院校級科研項目，項目編號：11YJRC08。

2016 - 04 - 06

劉曉青(1981—)，女，講師，研究方向：網(wǎng)絡工程。

S625.5

A

1671 - 7406(2016)06 - 0054 - 04