温室大棚GSM网络远程自动化控制系统的研究*
2016-08-07刘晓青
刘晓青
(楚雄师范学院计算机与信息学院，云南 楚雄 675000)
温室大棚GSM网络远程自动化控制系统的研究*
刘晓青
(楚雄师范学院计算机与信息学院，云南 楚雄 675000)
本系统是一个以AVR单片机为主控制器，通过传感器获取空气湿度、空气温度、土壤温度、光照强度等环境参数，利用GSM网络与移动设备进行数据通讯，实现对大棚空气温湿度、土壤温湿度、通风、灌溉、施肥的远程监控与远程控制。只需一次性设置好参数需求，系统便可长时间自动管理，也可通过手机人为干预。通过实际测试表明，该系统稳定可靠，数据准确，响应快速，并且实现了自动控制和手动控制的结合，具有很强的实际应用推广价值。
AVR单片机；大棚；自动化控制；远程控制
0 引言
温室大棚为农作物提供稳定的生长环境，环境要求比较苛刻的植物对温室大棚的环境参数要求也相对较高，环境参数的调节及控制往往是一项困难且复杂的工作，所以自动控制温室大棚具有较大的研究价值。目前，自动温室控制系统主要分为两大类型：自动控制大棚、智能化控制大棚。自动控制大棚成本较低，但功能简单，而智能大棚功能丰富，甚至可以实现对植物不同生长时期进行不同处置，但成本高昂。本文所研究的自动化温室大棚控制系统，除了在普通自动控制的基础上大大提高了精度，并且创新了通过GSM网络的远程手机控制，摆脱工控主机和通讯线路的束缚，随时随地进行观察控制，并且价格低廉，比较符合目前经济较不发达地区的农业需求现状，以较低的成本投入即可大大提高生产效率，并且具备向智能化控制升级的可行性。[1]
1.硬件系统结构
图1 温室大棚GSM网络远程自动化控制系统结构框图
智能温室大棚远程自动化控制系统的硬件系统结构如图1所示，MEGA2560控制器是整个系统的控制核心。控制器通过各类型传感器获取光照强度、土壤温湿度、空气温湿度后，进行分析，根据设定的参数进行比对，然后驱动执行模组控制相应设备进行调节，保证温室环境条件精确的处于设定范围之内。控制器还通过GSM模块与用户手机进行数据通讯，用户可以实时了解当前温室内环境状态，必要时可以发送命令进行人工干预调节。[2]
1.1 MEGA2560微控制器
Mega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量I/O接口的设计。处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口(其中16路可作为PWM输出)，16路模拟输入，4路UART接口。丰富的模拟和数字输入接口使其特别适合于应用大量传感器进行数据采集的环境，也能够支持大量的数字输出接口进行复杂的外部设备控制。4路UART接口则可以负责与上位机及配套模组进行数据通信。[3]
1.2环境参数采集
1.2.1 SHT10温湿度数字传感器
系统采用瑞士SENSIRION公司生产的SHT10传感器来获取大棚内的空气温度和湿度。SHT10传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接，具有极高的精确度与长期稳定性。
1.2.2 SEN0014土壤湿度传感器
SEN0014传感器是一款采集土壤湿度数据的模拟传感器，其工作原理是土壤的电阻值随着土壤湿度的变化而变化，土壤湿度越大，电阻值越小，土壤湿度越小，则电阻值越大，随着电阻值变化的是传感器输出脚上的电压值，控制器对此信号经行A/D转换，便可以得到土壤的湿度值。
1.2.3热电堆红外温度传感器
土壤的温度使用接触式的传感器进行采集并不理想，因为置于土壤中的温度传感器往往会在较短的时间内出现故障并导致极大误差。一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，热电堆红外传感器可以直接感应热辐射，温度测量范围内能达到±1℃的精度，所以在土壤上方设置热电堆红外非接触式温度传感器是最理想的方法，精度高、稳定性好。
1.2.4光敏传感器
光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻，它能感应光线的明暗变化，电阻值变化，输出变化的模拟信号，控制器对此信号经行A/D转换，便可以得到大棚的光照强度值。
1.3远程数据通讯
1.3.1 SIM900A GSM模块
SIM900A是SIMCom公司的双频GSM/GPRS模块，采用SMT封装形式，通过AT命令控制，使用UART接口与MEGA2560控制器连接进行数据通信。能够方便地使用运营商提供的GSM网络进行互联网接入，用户手机通过GSM网络对系统发出短信指令即可将控制数据发送至控制系统。
1.4执行模组
系统使用MEGA2560控制器的数字输出信号来进行外部设备控制，但是微控制器输出脚的5V直流信号功率较小，通过它仅能驱动小功率电磁继电器来控制小功率设备，所以系统在继电器后端又加入了大功率交流接触器，使得系统能够控制水泵、加热设备等大功率设备的打开及关闭。
系统中顶部遮阳帘的开合是由微控制器控制一个可以正反方向转动的舵机来完成的，遮阳帘的开合程度并未使用传统的限位开关来完成，因为限位开关只能在触动它的时候才能获取遮阳帘的位置信息，难以精确的控制开合度，也无法让遮阳帘停留在任意需要的位置。所以系统采用了一个超声波距离传感器来获取遮阳帘位置信息，通过超声波传感器不停地回传一个距离参数，便可以准确的知道遮阳帘的开合程度，也可以让其停留在任意需要的位置。[4]
2.软件系统设计
系统采用了大量的传感器尽可能的获取全面的环境数据信息，运算后由大量的数字和模拟输出接口来完成丰富的外部执行模组的控制，所以软件部分的编写主要涉及到数据采集、执行控制、GSM通信三大部分。其基本逻辑如图2所示：
图2 系统软件设计主要逻辑图
其中传感器的数据采集和数字输出接口的执行控制较为常见，而GSM模块的控制则是通过AT指令集完成的。其原理就是在与GSM模块通信的串口上发送已经由厂商定义好的各种字符串指令及我们需要发送的信息，即可让GSM模块发送短信或拨打电话。
在串口发送AT+CMGF=1
至GSM模块让模块进入短信模式，发送AT+CMGS=
而当GSM模块接收到用户发送过来的短信时，GSM模块同样在串口上向微控制器发送整条字符串信息，其中包括时间，对方号码，信息内容等诸多信息，通过字符串的截取便可以将相应需要的信息提取出来，然后进行运算分析，便可以知道用户发送过来的控制命令是什么含义，并且根据命令控制执行模块做出相应动作完成操作。
部分程序片段：
3.结论
按照本研究的系统设计制作模型，并在模型中进行了模拟种植，在种植的过程中多次调整预置参数，系统精确度逐步完善，最终成功自动种植多种对环境要求不同的植物，达到了预期设计目的。并且系统具备极大扩展空间，可以随意扩展上位机及下位机，进行更加复杂的数据通信和控制操作，能够更进一步的发展成为更优秀更强大的温室大棚智能远程控制系统，本研究对温室大棚的远程控制系统的实践方法做了一次非常有意义的探索。[5]
[1]郑文刚，赵春江，王纪华.温室智能控制的研究进展[J].农业网络信息，2004,(02):8—11.
[2]蒋峰，韩先花，贺超英.温室远程控制系统的研究[J].农机化研究，2009，31(08):87—89.
[3]骆顺纪.无人机最简控制系统[J].计算机测量与控制，2002，18(11)，47—50.
[4]郭志伟，张云伟，李霜,等.基于GSM的农田气象信息远程监控系统设计[J].农业机械化学报，2009，4(03)：161—166.
[5]杨耿煌.郭开荣.李亚伟.基于GSM短信平台的灌溉自动控制器的开发[J].沈阳农业大学学报，2005，36(06)：753—755.
(责任编辑 刘洪基)
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
云南省教育厅科研基金项目，项目编号：2012Y132；楚雄师范学院校级科研项目，项目编号：11YJRC08。
2016 - 04 - 06
刘晓青(1981—)，女，讲师，研究方向：网络工程。
S625.5
A
1671 - 7406(2016)06 - 0054 - 04
