基于GSM的物联网智能大棚的设计

丁书亚 李百杰 石海锋 刘欣宁 王颖

摘要：农业大棚是高价值农作物的主要生产地，例如无公害蔬菜和花卉。但是传统大棚需要投入很多的人力和物力，而且容易产生很多不可控的环境因素，造成农作物财产损失。该设计致力于解决农业大棚问题，为其提供了一套智能解决方案，可以精确测量棚内温湿度等参数，并适时采取动作保证环境稳定。该系统还加入了物联网模块以实现通过手机对棚内情况的掌握，完美解决了人工不能解决的问题，为农民提供了一种解决方案。

关键词：物联网；农业大棚；自动控制；远程控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）25-0277-02

随着中国经济的发展和人民生活水平的日益提高，人们已经不再满足于“吃得饱”，而越来越希望“吃得好”。这时候类似于无公害蔬菜等粮食作物应声而出，可以满足人们需求。但生产高标准的粮食作物对环境的要求甚高，对温度，湿度甚至日照时间都有严格的限定标准，还需要一定的硬件来保证条件甚至改变条件，然而这种设备价格都比较昂贵。于是我们依据当前正在互联网风口的物联网技术制作出物美价廉的自动化控制设备来帮助农民生产高标准粮食作物。[1]

1 总体设计

本设计是一种基于STM32单片机的农业大棚智能化解决方案，可以通过手机APP对大棚的大部分需要人力操作的环节进行网络控制和自动化运行控制。系統由电源模块，主控模块，温湿度检测模块，光感模块，土壤水分监测模块，火焰传感模块，红外防盗模块，电机驱动模块和GSM网络信息控制模块构成。系统结构框图（省略电源模块）如图所示。[2]

系统有两种模式：自动化控制和远程控制。自动化控制主要保证大棚基本的环境条件的稳定，比如温度保持恒定和不同光照下的应对措施等。远程控制主要用来处理突发事件，比如有不明生物入侵大棚，发生火灾等。两种模式同时运行，远程控制命令优先级大于自动化控制命令。其中远程控制基于专用手机APP对GSM模块采集的数据的处理和显示，可对大棚内各种传感器的状态进行显示和控制。

2 硬件设计

2.1主控模块

主控模块采用STM32单片机，由它来实现数据处理和信号控制。STM32系列微处理器性能强，反应速度快，处理速度超出传统51单片机很多。其具有高性能，低功耗，可靠性高的特点。

2.2 温湿度检测模块

本模块主要由DHT11传感器构成，辅有OLED显示器显示。

DHT11数字温湿度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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。与其配套的OLED显示器可显示当前环境的温度和湿度。OLED显示屏有不同于传统的LED屏的诸多可靠优点。[3]

2.3 土壤水分件检测模块

由LM393，铲型检测传感器和可调电阻及其他原件构成。温（湿）度低于设定温（湿）度自动产生高电平，以引起控制浇水的继电器吸合。通过电位器可以调节土壤湿度控制阀值，可以根据不同的农作物设定不同的湿度阀值，低于阀值会发送继电器动作信号。采用12v电压的直流电驱动，功耗低。[4]

2.4 火焰、光感和红外传感器模块

光感传感器主要由LM393、可调电位器和光敏电阻组成。依据光敏电阻的光照特性，不同强度的光照会引起不同的参数改变，在此处主要当作开关使用，配合可调电阻可以调节不同光强下的动作阀值。在系统中为大棚光照继电器动作提供基础数据。

火焰传感器由LM393、光传感器和可调电阻组成。由于光传感器对火焰或者波长在 760 纳米～1100 纳米范围内的光源敏感，当检测到光源（火焰）时，会产生高电平信号，配合可调电位器可以调节灵敏度。在系统中为灭火继电器动作提供信号。

红外人体件检测传感器由BISS0001芯片、红外探头等原件构成，当生物进入其感应范围内，会输出高电平，工作电压5V～12V，稳定可靠。在系统中提供非法入侵信号。[5]

2.5 GSM网络信息控制模块

SIM800A 是 SIMCOM 公司推出的一款高性能工业级 GSM/GPRS 模块，SIM800A 开发板载工业级双频 GSM/GPRS 模块：SIM800A，工作频段双频：GSM900/1800MHz。该模块具有高性价比。SIM 卡采用目前主流的 MICRO 卡座，质量更坚固，同时添加ESD静电保护电路。SIM800A板支持 RS232 串口和 TTL 串口，支持 5V～18V 的宽工作范围，提供包括语音通话、短信、GPRS 数据传输、文本播报（TTS）和基站定位等功能。[6]

2.6 电源模块

为传感器和电机提供动力，采用多输出可调压直流电源，满足不同器件的协同工作。

2.7 电机驱动模块

该模块实质为继电器模块，通过接受主控模块发出的动作信号来吸合连接着相应电机的继电器。

3 软件程序设计

系统的主要功能是收集由各个模块发送的检测数据，并根据数据进行处理，产生动作信号。

该程序的重点是对一级数据采集模块发送的基础电平数据进行判断并执行动作。比如接收到土壤温湿度检测模块的高电平信号，然后对连接水泵的继电器发送闭合信号，然后返回重新检测，若信号消除，则继电器归原位。程序中由于对APP的信号设置了高优先级，故程序会优先响应APP的信号。整个系统的状态由SIM800A模块进行信息传送，通APP对消息的显示和控制，可以保证大棚的正常工作状态。[7]

4 结语

在科技飞速发展的今天，物联网技术越来越被重视，三大运营商已经建立起物联网网络，非常实用。本设计采用当下的物联网技术，具有低成本，响应快，高效率的优点，还可实现几乎无人值守的自动户大棚。但是本设计还存在缺点和不足，比如温湿度可以实现精确数值降温降湿，但是土壤和光线还不能实现，只能设置模糊值，不利于环境的精确控制。不过本设计的价值已经得到体现，可以减轻农民的劳动强度，提高农作物价值。

参考文献：

[1] 刘晓青.温室大棚GSM网络远程自动化控制系统的研究[N].楚雄师范学院学报，2016（1）.

[2] 潘朝，罗小巧，黄佳，等.基于GSM短信的智能家居控制系统的设计[J].电子测量技术，2013（6）：121-124.

[3] 陈桂支.单片机应用技术[M].机械工业出版社，2008.

[4] 栗震霄，高晓阳，冯全，等.电阻式土壤含水率非扰动连续测量装置的研究[J].甘肃农业大学学报，1999（4）.

[5] 陈永甫.红外探测与控制电路[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[6] 刘举平，余为清.基于GSM技术的智能家居远程控制器设计[J].微计算机信息，2010（11）.

[7] 吴金华.基于单片机的温度监控报警系统设计[J].电子科技，2013（4）.

【通联编辑：唐一东】