基于Android與GSM的溫室大棚遠程監控系統

韓劍 莫德清

摘要：基于Android與GSM設計溫室大棚遠程監控系統，該系統通過傳感器采集溫室大棚的土壤濕度、大棚內外的空氣溫濕度、光照度和風速大小等環境信息，采用MSP430單片機控制溫室大棚里各應用子系統;利用GSM通信網絡，傳輸各子系統信息至農戶手機或監控中心上位機，農戶可通過手機上Android系統界面將控制命令發送至GSM模塊上，單片機對接收到的短信內容解析控制命令，并控制對應的繼電器或者電機驅動模塊;用戶可以通過上位機或者Android手機查看環境信息和大棚的運轉狀態，并通過按鍵更改環境參數的參考量和手動控制大棚的運轉。溫室大棚遠程監控系統人機界面良好，具有廣泛的市場應用前景。

關鍵詞：溫室大棚;遠程控制;Android;GSM

中圖分類號： TP277.2;S126 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0397-03

收稿日期：2014-07-04

基金項目：廣西高校研究項目（編號：YB2014136）;廣西桂林市科學研究與技術開發計劃（編號：20130116-3）。

作者簡介：韓 劍（1982—），男，江西玉山人，碩士，講師，從事精密測量與自動控制、EDA技術研究。E-mail：hanjian@guet.edu.cn。

通信作者：莫德清（1965—），女，廣西人，碩士，副教授，從事環境監測及治理技術研究。E-mail：Modq@guet.edu.cn。

智慧農業作為現代農業智能化發展的目標，是推動中國城鄉發展一體化的戰略引擎。溫室大棚在準備投入農產品生產階段，通過在溫室大棚內外安裝布置各種相關傳感器，實時分析溫室內外的環境信息，從而更好地設置適合農作物生產的成長環境。農戶可以通過物聯網和傳感器技術采集溫室內外溫濕度、土壤濕度、植物光照值等信息，并實現精細管理，例如天窗的開啟和關閉、大棚內溫濕度和光照強度等控制等;可以利用物聯網采集植物各階段的生長信息，將植物在不同生長階段的生長狀況和環境參數進行記錄分析，并反饋到下一次植物生產過程中，實現更加精準的農業生產管理，從而獲得更加優質的農產品[1-2]。

隨著GSM通信網絡的普及以及智能Android手機的發展，用戶通過手機實時遠程監控已成為可能，本溫室大棚遠程監控系統就是基于Android與GSM而設計的，人機界面良好，具有廣泛的市場應用前景。

1 系統設計

溫室大棚遠程控制系統分為感知層模塊、網絡層模塊和應用層模塊3個部分，選取MSP430 F149單片機作為主控制芯片。感知層模塊主要通過傳感器模塊對大棚內外的環境信息如室內外溫濕度、土壤濕溫度、植物光照、室外風速等進行檢測;網絡層模塊采用串口方式控制GSM模塊，通過移動2G網絡與Android手機進行通信;應用層模塊主要是對系統采集到的數據進行處理分析，并發送信號控制繼電器和電機驅動模塊以控制溫室大棚各應用子系統的開啟和關閉，如控制噴滴灌系統、保溫系統、通風系統等應用子系統，使溫室大棚內的環境接近于人工設定的理想值，以滿足溫室作物生長發育的需求[3]。

1.1 土壤濕度檢測模塊

土壤濕度是溫室大棚的基本物理量，通常指土壤中的水分含量，與植物生長密切相關，往往決定農作物的水分供應狀況。土壤濕度過低時，會造成土壤干旱，植物的光合作用就會停滯，從而降低了植物的生長速度和質量;土壤濕度長時間過高，會造成植物爛根，導致植物無法正常生長[4]。在農業生產過程中，不同植物有不同的生長習性，對土壤濕度的要求也有所不同，因此，需要根據具體植物的生長習性來控制土壤的濕度。本系統采用電阻式傳感器，根據土壤水分含量與土壤導電性關系來檢測土壤濕度[5]，單片機再根據檢測到的土壤濕度值并參照土壤的設定值來控制灌溉系統。相對濕度和電阻值的關系見圖1。

1.2 風速檢測模塊

室外風速大小也是影響植物生長的重要因素。市場上常見的專業測風儀器或者相關傳感器產品價格普遍偏貴，而在實際應用中，并不需要非常專業或者精確的風速測量儀器。因此，本系統采用傳統的計數傳感器和手工制作的風車進行組裝作為風速的檢測模塊。

1.3 遠程通訊模塊

GSM是全球移動通訊系統，GSM模塊可支持國內三大電信運營商的2G移動網絡，信號覆蓋范圍廣，穩定性好，可用控制終端多，能有效保證用戶與溫室大棚之間的數據交互。本系統單片機通過外接GSM模塊與電信商運營的2G網絡手機進行信息交互[6]，具有成本低、覆蓋范圍廣、容易操作等特點。

2 硬件設計

遠程溫室大棚監控系統分為10個部分（圖2）：MSP430單片機主控制系統、溫濕度傳感器檢測電路、土壤濕度檢測電路、光照檢測電路、風速檢測電路、模數轉換電路、步進電機驅動電路、系統顯示電路、GSM通信電路和MAX 232串口通信電路。

2.1 土壤濕度檢測電路

土壤濕度傳感器電路測量元件采用具有叉式的銅片，分為正負兩極，表面可以導電。在沒有插入到土壤的情況下，土壤傳感器的阻值非常高;當傳感器插入到含水量較高的土壤中時，傳感器阻值急速下降，兩極之間會根據土壤的導電率形成電勢差，此時可利用電路轉換成電壓輸出到A/D的采樣端[5]，當土壤中濕度發生變化，就會引起電導率的變化。該傳感器對土壤的導電液體含量具有很高的靈敏度，尤其是對水含量具有更高的靈敏度和抗干擾性，可準確排除有非導電液體的干擾信息。土壤濕度檢測模塊電路見圖3，由于土壤傳感器輸出信號一般比較微弱，需要通過前置電路對相應信號進行放大、濾波、電平調整，才能滿足單片機對輸入信號的要求。

2.2 GSM模塊電路和PC機通信電路

GSM系統屬于多址時分技術最完善、最成熟、應用也最廣的一種移動通信體制系統，是日常生活經常接觸的一種通信技術。我國早已建成覆蓋全國的GSM數字移動蜂窩通信網，是目前我國民眾首選的移動通信網絡[6]，主要為普通用戶提供語音、短信和數據等服務。由于溫室大棚遠程控制系統發送給用戶的數據和用戶發送的一些控制指令不多，可考慮使用SMS短信息服務來實現，既便于用戶發現和閱讀，又方便操作。對于溫室大棚種植規模較大、公司化管理的用戶可以設置監控中心，管理員可以通過上位機監控軟件實時監控各個大棚的相關信息（圖4）。

3 軟件設計

主要包括2部分：一是溫室大棚溫度控制終端的軟件設計;二是上位機監控軟件設計。

3.1 控制終端的軟件設計

由圖5可見，控制終端軟件執行流程大體分為系統初始化模塊、按鍵檢測模塊、各傳感器數據采集模塊、系統控制模塊及GSM短信發送與接收模塊，各個傳感器檢測環境參數，單片機負責數據的處理和模塊的控制，GSM模塊負責發送和接收短信。溫室大棚遠程控制系統的主要流程為：用戶通過按鍵設置用戶自定義參數，GSM模塊接收到新短信，程序就對短信內容進行解析，記錄短信中的命令，并執行傳感器驅動程序，讀取溫室大棚內外2個溫濕度傳感器中的溫濕度值;程序通過模擬I2C協議，讀取PCF8591芯片A/D轉換后植物內外光照值和土壤濕度值，根據讀取采集到的環境信息值、解析命令或者按鍵的控制值，自動或者手動控制大棚的繼電器;程序判斷是否發送短信，如果需要發送短信則執行發送短信程序;程序循環運行，并又執行到按鍵狀態判斷代碼[6]。

3.2 GSM模塊

單片機以手機短信的形式，通過GSM模塊接入到2G移動通信網與用戶手機進行數據交互，而GSM模塊與單片機串口相連，單片機通過串口通信就可以控制GSM模塊的工作，這就需要使用AT命令。模塊初始化中使用的AT命令有：ATE（簡化顯示）、AT+CNMI=2，1（設置短信可接收）、AT+CREG？（進行網絡注冊）[7];發送短信主要AT命令有：AT+CMGF=1（選擇文本發送模式）、AT+CMGS=XXX（向電話號碼為XXX發送手機短信）;接收短信命令有：AT+CMGR=1（讀取第1條短信）。

3.3 上位機軟件設計

Android是基于Linux平臺的開源手機操作系統，由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成[8-9]。用戶界面框架見圖6，Android手機遠程控制軟件的登陸界面和控制界面見

圖7，通過控制界面上的按鍵，手機會根據按鍵的不同來控制大棚運轉。

4 結論

基于Android與GSM設計了溫室大棚遠程監控系統，該系統能夠檢測大棚內外的溫濕度、光照度及土壤濕度、大棚外風速等環境信息，并將這些信息通過GSM實時反饋給用戶，當室內外環境的參數達到設置參考值時，智能溫室大棚便能自動控制大棚運轉;當用戶本身對環境參數有一定要求時，還可以通過調整改變系統程序，實現手動控制大棚運轉。本溫室大棚遠程監控系統具有安全性高、易擴展、維護方便等特點，具有廣泛的市場應用前景。

參考文獻：

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