基于Android與GSM的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

韓劍 莫德清

摘要：基于Android與GSM設(shè)計(jì)溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳感器采集溫室大棚的土壤濕度、大棚內(nèi)外的空氣溫濕度、光照度和風(fēng)速大小等環(huán)境信息，采用MSP430單片機(jī)控制溫室大棚里各應(yīng)用子系統(tǒng);利用GSM通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸各子系統(tǒng)信息至農(nóng)戶手機(jī)或監(jiān)控中心上位機(jī)，農(nóng)戶可通過手機(jī)上Android系統(tǒng)界面將控制命令發(fā)送至GSM模塊上，單片機(jī)對接收到的短信內(nèi)容解析控制命令，并控制對應(yīng)的繼電器或者電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊;用戶可以通過上位機(jī)或者Android手機(jī)查看環(huán)境信息和大棚的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并通過按鍵更改環(huán)境參數(shù)的參考量和手動(dòng)控制大棚的運(yùn)轉(zhuǎn)。溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面良好，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：溫室大棚;遠(yuǎn)程控制;Android;GSM

中圖分類號： TP277.2;S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0397-03

收稿日期：2014-07-04

基金項(xiàng)目：廣西高校研究項(xiàng)目（編號：YB2014136）;廣西桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)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(dòng)控制、EDA技術(shù)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(huán)境監(jiān)測及治理技術(shù)研究。E-mail：Modq@guet.edu.cn。

智慧農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展的目標(biāo)，是推動(dòng)中國城鄉(xiāng)發(fā)展一體化的戰(zhàn)略引擎。溫室大棚在準(zhǔn)備投入農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)階段，通過在溫室大棚內(nèi)外安裝布置各種相關(guān)傳感器，實(shí)時(shí)分析溫室內(nèi)外的環(huán)境信息，從而更好地設(shè)置適合農(nóng)作物生產(chǎn)的成長環(huán)境。農(nóng)戶可以通過物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)采集溫室內(nèi)外溫濕度、土壤濕度、植物光照值等信息，并實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理，例如天窗的開啟和關(guān)閉、大棚內(nèi)溫濕度和光照強(qiáng)度等控制等;可以利用物聯(lián)網(wǎng)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(huán)境參數(shù)進(jìn)行記錄分析，并反饋到下一次植物生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，從而獲得更加優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品[1-2]。

隨著GSM通信網(wǎng)絡(luò)的普及以及智能Android手機(jī)的發(fā)展，用戶通過手機(jī)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控已成為可能，本溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是基于Android與GSM而設(shè)計(jì)的，人機(jī)界面良好，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)分為感知層模塊、網(wǎng)絡(luò)層模塊和應(yīng)用層模塊3個(gè)部分，選取MSP430 F149單片機(jī)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(nèi)外的環(huán)境信息如室內(nèi)外溫濕度、土壤濕溫度、植物光照、室外風(fēng)速等進(jìn)行檢測;網(wǎng)絡(luò)層模塊采用串口方式控制GSM模塊，通過移動(dòng)2G網(wǎng)絡(luò)與Android手機(jī)進(jìn)行通信;應(yīng)用層模塊主要是對系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并發(fā)送信號控制繼電器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以控制溫室大棚各應(yīng)用子系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，如控制噴滴灌系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等應(yīng)用子系統(tǒng)，使溫室大棚內(nèi)的環(huán)境接近于人工設(shè)定的理想值，以滿足溫室作物生長發(fā)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(guān)，往往決定農(nóng)作物的水分供應(yīng)狀況。土壤濕度過低時(shí)，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(zhì)量;土壤濕度長時(shí)間過高，會造成植物爛根，導(dǎo)致植物無法正常生長[4]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，不同植物有不同的生長習(xí)性，對土壤濕度的要求也有所不同，因此，需要根據(jù)具體植物的生長習(xí)性來控制土壤的濕度。本系統(tǒng)采用電阻式傳感器，根據(jù)土壤水分含量與土壤導(dǎo)電性關(guān)系來檢測土壤濕度[5]，單片機(jī)再根據(jù)檢測到的土壤濕度值并參照土壤的設(shè)定值來控制灌溉系統(tǒng)。相對濕度和電阻值的關(guān)系見圖1。

1.2 風(fēng)速檢測模塊

室外風(fēng)速大小也是影響植物生長的重要因素。市場上常見的專業(yè)測風(fēng)儀器或者相關(guān)傳感器產(chǎn)品價(jià)格普遍偏貴，而在實(shí)際應(yīng)用中，并不需要非常專業(yè)或者精確的風(fēng)速測量儀器。因此，本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)傳感器和手工制作的風(fēng)車進(jìn)行組裝作為風(fēng)速的檢測模塊。

1.3 遠(yuǎn)程通訊模塊

GSM是全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)，GSM模塊可支持國內(nèi)三大電信運(yùn)營商的2G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，信號覆蓋范圍廣，穩(wěn)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(shù)據(jù)交互。本系統(tǒng)單片機(jī)通過外接GSM模塊與電信商運(yùn)營的2G網(wǎng)絡(luò)手機(jī)進(jìn)行信息交互[6]，具有成本低、覆蓋范圍廣、容易操作等特點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)分為10個(gè)部分（圖2）：MSP430單片機(jī)主控制系統(tǒng)、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(fēng)速檢測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)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(fù)兩極，表面可以導(dǎo)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(dāng)傳感器插入到含水量較高的土壤中時(shí)，傳感器阻值急速下降，兩極之間會根據(jù)土壤的導(dǎo)電率形成電勢差，此時(shí)可利用電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出到A/D的采樣端[5]，當(dāng)土壤中濕度發(fā)生變化，就會引起電導(dǎo)率的變化。該傳感器對土壤的導(dǎo)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(zhǔn)確排除有非導(dǎo)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(yīng)信號進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)整，才能滿足單片機(jī)對輸入信號的要求。

2.2 GSM模塊電路和PC機(jī)通信電路

GSM系統(tǒng)屬于多址時(shí)分技術(shù)最完善、最成熟、應(yīng)用也最廣的一種移動(dòng)通信體制系統(tǒng)，是日常生活經(jīng)常接觸的一種通信技術(shù)。我國早已建成覆蓋全國的GSM數(shù)字移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)，是目前我國民眾首選的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)[6]，主要為普通用戶提供語音、短信和數(shù)據(jù)等服務(wù)。由于溫室大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)和用戶發(fā)送的一些控制指令不多，可考慮使用SMS短信息服務(wù)來實(shí)現(xiàn)，既便于用戶發(fā)現(xiàn)和閱讀，又方便操作。對于溫室大棚種植規(guī)模較大、公司化管理的用戶可以設(shè)置監(jiān)控中心，管理員可以通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)大棚的相關(guān)信息（圖4）。

3 軟件設(shè)計(jì)

主要包括2部分：一是溫室大棚溫度控制終端的軟件設(shè)計(jì);二是上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。

3.1 控制終端的軟件設(shè)計(jì)

由圖5可見，控制終端軟件執(zhí)行流程大體分為系統(tǒng)初始化模塊、按鍵檢測模塊、各傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)控制模塊及GSM短信發(fā)送與接收模塊，各個(gè)傳感器檢測環(huán)境參數(shù)，單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和模塊的控制，GSM模塊負(fù)責(zé)發(fā)送和接收短信。溫室大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主要流程為：用戶通過按鍵設(shè)置用戶自定義參數(shù)，GSM模塊接收到新短信，程序就對短信內(nèi)容進(jìn)行解析，記錄短信中的命令，并執(zhí)行傳感器驅(qū)動(dòng)程序，讀取溫室大棚內(nèi)外2個(gè)溫濕度傳感器中的溫濕度值;程序通過模擬I2C協(xié)議，讀取PCF8591芯片A/D轉(zhuǎn)換后植物內(nèi)外光照值和土壤濕度值，根據(jù)讀取采集到的環(huán)境信息值、解析命令或者按鍵的控制值，自動(dòng)或者手動(dòng)控制大棚的繼電器;程序判斷是否發(fā)送短信，如果需要發(fā)送短信則執(zhí)行發(fā)送短信程序;程序循環(huán)運(yùn)行，并又執(zhí)行到按鍵狀態(tài)判斷代碼[6]。

3.2 GSM模塊

單片機(jī)以手機(jī)短信的形式，通過GSM模塊接入到2G移動(dòng)通信網(wǎng)與用戶手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而GSM模塊與單片機(jī)串口相連，單片機(jī)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(shè)置短信可接收）、AT+CREG？（進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊）[7];發(fā)送短信主要AT命令有：AT+CMGF=1（選擇文本發(fā)送模式）、AT+CMGS=XXX（向電話號碼為XXX發(fā)送手機(jī)短信）;接收短信命令有：AT+CMGR=1（讀取第1條短信）。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

Android是基于Linux平臺的開源手機(jī)操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成[8-9]。用戶界面框架見圖6，Android手機(jī)遠(yuǎn)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(jī)會根據(jù)按鍵的不同來控制大棚運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

基于Android與GSM設(shè)計(jì)了溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠檢測大棚內(nèi)外的溫濕度、光照度及土壤濕度、大棚外風(fēng)速等環(huán)境信息，并將這些信息通過GSM實(shí)時(shí)反饋給用戶，當(dāng)室內(nèi)外環(huán)境的參數(shù)達(dá)到設(shè)置參考值時(shí)，智能溫室大棚便能自動(dòng)控制大棚運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)用戶本身對環(huán)境參數(shù)有一定要求時(shí)，還可以通過調(diào)整改變系統(tǒng)程序，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制大棚運(yùn)轉(zhuǎn)。本溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有安全性高、易擴(kuò)展、維護(hù)方便等特點(diǎn)，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

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