基于GPS—GSM—SMS的溫室環境監控系統設計

摘要：為實現對溫室光照、溫度的智能控制，本研究設計了一種基于GPS、GSM網絡技術的溫室環境遠程監控系統，該系統以超低功耗的MSP430F149為核心控制器，采用無線數據傳輸，具有方便與安全的特點，克服了惡劣條件下架線不便的困難。經測試，該系統能實時有效地感知溫室的環境狀況。

關鍵詞：溫室；光照；溫度；監控；溫室

中圖分類號： TP277.2；S127 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0424-04

收稿日期：2013-10-30

基金項目：江蘇省研究生實踐創新計劃項目（編號：201211068098X）。

作者簡介：王鑫鑫（1989—），男，江蘇沭陽人，碩士研究生，主要研究方向為自動化控制裝備、嵌入式系統及其應用。 E-mail：m15105192019@163.com。

通信作者：周國平，教授。E-mail：zhougp@njfu.com.cn。溫室是一種可以改變植物生長環境，為植物生長創造最佳條件，避免外界惡劣氣候對植物生長影響的場所。大多數的溫室控制設備只專注于溫度的控制，對光照涉及較少。光照也是農作物生長發育的關鍵條件之一，直接影響農作物的產量和品質[1]。光照對作物生長的影響主要有兩個方面：一是為農作物光合作用提供能量，二是為溫室氣候環境提供能量。但是過強的光照會促進水分的蒸發，灼傷葉面；過弱的光照不利于植物的光合作用，使植物不能有效地生長。因此，對溫室光照進行檢測和監控就變得非常重要，判斷什么時候光照太強需要遮光，什么時候光照弱需要補光，結合已經發展成熟的GSM、GPS網絡可以極好地實現對溫室大棚的智能控制，提高勞動生產率。

1系統的組成

溫室環境控制系統主要由3個部分組成：一是以MSP430F149、光照度采集探頭和DS18B20為核心的光照度、溫度檢測與自動調節、報警系統；二是以TC35I和GSM網絡為核心的短信控制系統；三是農戶手機或者是PC機軟件系統。系統組成見圖1。

系統的主要功能：本系統以MSP430F149作為主控器件，采用DS18B20和光照度采集探頭實時監測蔬菜大棚的溫度、光照并與設定值比較，如果偏差超過規定值，則喇叭發出警報，并通過GSM網絡以短信形式發送到農戶手機。單片機控制系統自動啟動加熱或者制冷、補光，遮蓋、噴灑設備來調節大棚的溫度、光照度，并實時顯示大棚的溫度，光照度和時間以供管理者實時查看。顯示芯片選用低功耗的LCD12864，它帶有中文字庫，同時該模塊具有接口方式簡單和指令操作靈活的優點。此外本系統設置故障報警功能，當設備發生故障時，系統會發出聲光報警同時將故障信息發送到農戶手機或上位機，以便于農戶及時檢修。

1.1硬件系統設計

微控制器是系統的核心，控制著整個系統各個模塊的工作，所以微控制器的選擇在本設計中至關重要。MSP430F149是一款16位的超低功耗單片機，具有12位的數模轉換器（ADC12）；擁有大容量的存儲空間，包括多達60 K Flash ROM和2 K RAM；兩通道的串行通信接口，可以滿足GPS、GSM工作的需要。

1.1.1電源轉換電路由于 GSM 模塊工作電壓高于單片機MSP430F149及 GPS 模塊所需電壓值 3.3 V，故該裝置需要兩路電源轉換電路[2-3]。這兩路電路采用了可調整開關型降壓穩壓芯片LM2576、KA78R05、高效線性電源轉換芯片ASM1117-3.3。其中，一路將12 V的電壓通過芯片LM2576轉換成 3.6 V 電壓，供給 GSM 模塊，這里C2用作對12 V輸入電源濾波，因為LM2576為開關電源，需要電容和電感做儲能元件，利用其進行充放電，并通過改變占空比來改變充放電時間，來實現輸出電壓的改變。D1、L1、C5的功能是進行充放電，并依據芯片Datasheet選擇參考值，R1、R2是兩個分壓電阻，送回Feedback端，其分壓決定了Vout的大小，C3、C4電容起濾波作用。另一路先通過 KA78R05 把12 V電壓轉為 5 V 電壓，再經ASM1117 降壓至 3.3 V電壓供給主控制器及 GPS 模塊。KA78R05是一款輸出5 V的低壓差穩壓集成芯片，最大壓差為0.5 V，輸出精度為（5±0.12）V，C6的作用是消減電源中的噪聲，C8、C9一大一小兩個電容對輸出+5 V電壓濾波，提供穩定的+5 V電源。該電源轉換電路如圖2所示，V12 為12 V電壓，VTC 為 GSM 模塊供給電壓。

1.1.2光電傳感器探頭的設計常用的光照度計存在測量范圍窄、精度低、成本高等缺點，而且用戶需要手動調節測量范圍。光照度計連續測量時需長期暴露在陽光下，會產生溫

度漂移，嚴重影響儀器的測量精度。針對這些不足，本研究引入差分思想，結合光電檢測技術設計了一種新型光照度計。

為了克服光電池的溫度漂移，增大共模抑制比，提高測量精度，在光照度傳感器探頭的設計時采用了兩只光電性能相同的光電池，組成差動結構（圖3）。探頭包括2個S1087光電池、濾光片、平面狀余弦校正器。

光電池1作為光電傳感器，接受光照；光電池2作為光電池1的補償器，處于遮光狀態，但光電池1和光電池2同時安裝于同一塊均溫槽上，當溫度發生變化時，兩只光電池的溫度同時變化，所產生的溫度漂移也相同。光電池的光電流經過電流/電壓轉換電路，輸出的信號進入差分放大器進行差分放大。差分電路對由于光照產生的差模信號有很強大的放大作用，而對由于溫度漂移產生的共模信號有很強大抑制作用。由于本設計采用了差分結構，提高了電路的抗干擾能力，提高了共模抑制比，保證了系統的測量精度。經差分放大器放大的光照信號經過P5.5送入單片機進行數據處理，實現了光照度的自動測量。

1.1.3溫度采集數字式溫度傳感器[4]把采集到的溫度信息通過單線接口送入DS18B20或者從DS18B20送出，因此從單片機CPU到DS18B20僅需一條線（和地線），DS18B20的電源可以由數據線本身提供而不需要外部電源。同時每一個DS18B20在出廠時都有唯一的64位的序列號，因此可以把多個DS18B20放在一條總線上，實現與單片機的I/O接口的連接?？梢园丫仍O置為12位的分辨率，溫度分辨率為 0.062 5，當采集的數據超過警戒值時，通過串口將信息從近端的GSM設備傳送到遠端的用戶手機中。

由于溫室大棚內不同的蔬菜以及不同的生長周期需要不一樣的光照度和溫度，因此采用3×4行列掃描式矩陣鍵盤，來設置不同的光照度和溫度。

1.1.4溫度、光照控制電路溫度、光照度控制電路[5]如圖4所示，光照度低于設定值，P0.6輸出高電平，反向后為低電平；固態繼電器SSR交流觸電接通，交流觸電線圈得電，接通遮蓋電機，溫室大棚遮蓋打開，提高大棚光照，反之亦然。溫度的控制通過室內噴淋和開關窗戶來實現，實現的控制電路和光照控制電路相同。

1.1.5GPS和GSM短信服務模塊GSM短信模塊由新版西門子工業級TC35I模塊和SIM卡組成，在該裝置中負責收發戶主短信并通過串行口與主控制器通信。GPS模塊采用了瑞士公司的NEO-6Q芯片，可以實現年、月、日、時、分，秒進行精確計時[6-7]同時可對溫室大棚進行精確定位，另外添加溫度、光照度報警電路（圖5）。

1.2系統軟件設計

軟件設計采用的是模塊化思想，本系統采用C程序軟件開發平臺IAR Embedded Workbench，這給程序的修改和調試帶來了很大的方便。

3結論

本研究利用MSP430單片機內部的ADC進行采樣，簡化系統電路的設計并結合目前已經發展成熟的GSM、GPS網絡通信技術，實現了對溫室大棚的光照度、溫度數據的采集和實時顯示，自動調節，以及溫室大棚的遠程監控。結果證明，本系統可以達到當初的設計要求，具有比較高的可靠性、穩定性。此外該系統具有優良的擴展性可以增加濕度，二氧化碳等傳感器來進行控制，最大程度地提高溫室生產效益。

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