基于手機短信的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計
摘要:針對設(shè)施農(nóng)業(yè)作物種植對環(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)計了一種基于手機短信的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度的檢測、傳輸、顯示、報警,最后對系統(tǒng)進行了實地性能測試,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)測和報警,具有較高的應(yīng)用價值。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/306581.htm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)因為成本高昂、維護困難、性價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、濕度計指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),不能實時的根據(jù)溫室環(huán)境的變化及時調(diào)節(jié)溫濕度。
隨著計算機技術(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)濟實惠、性能良好的、基于手機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、報警等功能,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,首先實現(xiàn)聲光報警,同時通過GSM模塊對預(yù)先設(shè)置好的手機號碼發(fā)送短信,及時通知用戶采取適當(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
控制系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)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(shù)據(jù)存儲模塊、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,該單片機是單時鐘/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(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。性價比高、抗干擾能力強穩(wěn)定性更好,可解決本系統(tǒng)的所有運算及控制過程。
2.2 溫濕度傳感器
根據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境現(xiàn)場特點及要求,需要一款性價比高、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)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。內(nèi)部傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件,并與一個高性能8位單片機相連接,信號傳輸距離可達(dá)20米以上,具有抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。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校驗和 (1)
溫濕度數(shù)據(jù)計算過程,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=校驗和 (3)
計算:00000001+10011111+00000010+00111011=11011101 (4)
具體溫濕度值為:濕度=019FH(十六進制)=415=>濕度=41.5%RH (5)
溫度=02.3BH(十六進制)=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,對溫濕度的臨界值進行短信報警,使農(nóng)戶及時接收到預(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)斷信號實現(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,與單片機通信非常方便,可以快速、安全、可靠的實現(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16x16點漢字,和128個16x8點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,可以實現(xiàn)5~3.3 V的轉(zhuǎn)換,使用時在輸入和輸出端對地接濾波電容,電路如圖3所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計思路,將程序分為主程序和多個子程序,主程序經(jīng)過初始化后,進入手動系統(tǒng)日期設(shè)置、預(yù)留手機號碼、溫濕度上下限等參數(shù)設(shè)置設(shè)計界面,設(shè)置信息完成后程序自動進入溫濕度檢測子程序運行階段。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,同時與事先設(shè)置好的溫濕度臨界值進行實時對比,如果測量的參數(shù)值沒有達(dá)到臨界值那么延時一段時間后繼續(xù)測量,反之若達(dá)到臨界值那么立即調(diào)用報警子程序驅(qū)動聲光報警電路并驅(qū)動GSM模塊向指定的手機預(yù)存號碼發(fā)送短信,控制器可自動將當(dāng)前的溫濕度參數(shù)值及提醒信息自動編輯于短信內(nèi),發(fā)送給用戶手機號碼,之后再經(jīng)過延時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)計和軟件設(shè)計,制作調(diào)試樣機,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,聲光報警裝置工作,報警短信1s內(nèi)發(fā)出。測試結(jié)果表明,本監(jiān)測系統(tǒng)在實際工作中,運行情況穩(wěn)定,溫濕度測量誤差較小,報警功能正常,較好的達(dá)到了設(shè)計要求。
5 結(jié)束語
文中結(jié)合計算機技術(shù)、GSM通信技術(shù)及傳感器技術(shù),設(shè)計了基于手機短信的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),具有溫濕度實時顯示、存儲、手機短信報警等功能。經(jīng)過對開發(fā)出的樣機進行試驗測試,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)性強的特點,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,為用戶提供一個簡單可靠、安全經(jīng)濟的溫濕度監(jiān)測平臺。通過后續(xù)改進還可實現(xiàn)對外圍溫濕度調(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)測和報警,具有較高的應(yīng)用價值。
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