摘要：針對(duì)陜西省楊凌地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)存在的問題，結(jié)合計(jì)算機(jī)、傳感器、移動(dòng)通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了一種基于移動(dòng)通信的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，完成控制系統(tǒng)的制作，可以根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)作物生長(zhǎng)需要，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)噴灌、通風(fēng)、補(bǔ)光、加溫等調(diào)控方式的智能化操作。測(cè)試結(jié)果表明該控制系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量較為準(zhǔn)確，信息收發(fā)正常，數(shù)據(jù)超限時(shí)，執(zhí)行設(shè)備動(dòng)作、控制性能良好，報(bào)警及時(shí)，具有一定的使用價(jià)值和推廣前景。

　　關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè);傳感器;單片機(jī);監(jiān)控系統(tǒng)

　　智慧農(nóng)業(yè)就是運(yùn)用傳感器和軟件通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)或電腦平臺(tái)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行控制，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具有“智慧”。陜西省楊凌是中國(guó)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，在中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有較為重要的影響力。從對(duì)楊凌示范區(qū)、陜西省內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)推廣較為集中的區(qū)域進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果來(lái)看，一般農(nóng)戶的簡(jiǎn)易大棚、中小農(nóng)業(yè)企業(yè)的中、小型設(shè)施農(nóng)業(yè)在環(huán)境參數(shù)的控制上存在測(cè)控因子少、精度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)工、調(diào)控繁瑣等問題，嚴(yán)重影響農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)效益[1-9]。因此研發(fā)性能可靠、性價(jià)比高的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)極具現(xiàn)實(shí)意義。研究針對(duì)楊凌地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制中存在的問題，分析不同環(huán)境因子對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)影響，結(jié)合計(jì)算機(jī)、傳感器、移動(dòng)通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了一種基于移動(dòng)通信的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)融合數(shù)字式溫度傳感器、模擬式CO2濃度傳感器、模擬式光照度傳感器、數(shù)字式溫濕度傳感器為數(shù)據(jù)采集部件，把采集到的溫濕度、光照度、CO2濃度等多種環(huán)境參數(shù)傳送至控制器進(jìn)行處理，將信息實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，對(duì)預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行超限判斷，并控制相關(guān)執(zhí)行設(shè)備對(duì)超限狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足植物生長(zhǎng)的需要。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該控制系統(tǒng)分為多層架構(gòu)，即傳感器層、控制器層、手機(jī)層等。

　　系統(tǒng)中的傳感器層的作用主要是對(duì)空氣溫濕度、CO2濃度、光照度進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)采集。

　　控制器層是該系統(tǒng)的核心組成部分，是以微控制器作為核心控制器，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在液晶顯示器上顯示，并且根據(jù)作物生長(zhǎng)設(shè)置要求控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行設(shè)備，包括風(fēng)機(jī)、噴灌機(jī)、補(bǔ)光燈、加熱器等，同時(shí)在數(shù)據(jù)超限時(shí)聲光報(bào)警、信息報(bào)警，通過(guò)移動(dòng)通信模塊對(duì)預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送信息及時(shí)通知工作人員，并且接受手機(jī)端的查詢，接收到查詢信號(hào)時(shí)能夠及時(shí)將設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)終端，在沒有查詢命令發(fā)生或預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)參數(shù)沒有處在超限狀態(tài)下，每隔一定時(shí)間向上位機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

　　手機(jī)層主要可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的功能，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在與下位機(jī)握手成功后，編寫手機(jī)信息發(fā)送固定命令給下位機(jī)，實(shí)時(shí)掌握設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)，了解設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境狀況;并且在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)異常時(shí)，接收下位機(jī)發(fā)送的報(bào)警信息。

　　2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　2.1 主要硬件電路

　　控制系統(tǒng)硬件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括控制器模塊、電源模塊、傳感器模塊、聲光報(bào)警模塊、移動(dòng)通信模塊、顯示器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊等，主要硬件電路如圖2所示。

　　微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心器件，決定了系統(tǒng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算速度。AT89S52單片機(jī)是美國(guó)Ateml公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的CMOS8位微處理器，片內(nèi)有8K可編程Flask存儲(chǔ)器，具有編程簡(jiǎn)單、使用方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，該系統(tǒng)選用AT89S52單片機(jī)作為主控制芯片[10-12]。

　　移動(dòng)通信模塊采用TC35，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存，ZIF連接器、天線接口6部分組成。該模塊體積小巧、設(shè)計(jì)緊湊、低功耗、便于集成等特點(diǎn)成為目前使用頻繁的一個(gè)SMS模塊。與GSM2/2+兼容、集基帶與射頻電路于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為短消息、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)提供快速可靠的傳輸。

　　時(shí)鐘模塊采用的是美國(guó)DALLAS公司推出的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，該芯片采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)，能夠直接與單片機(jī)I/O連接[13]。

　　2.2 傳感器與單片機(jī)接口電路

　　2.2.1 光照度傳感器 控制系統(tǒng)中所選用的光照度傳感器為光敏電阻，通過(guò)對(duì)其采集的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理后再傳送至單片機(jī)，電路如圖3所示。使用時(shí)，PCF8591的3個(gè)地址引腳A0、A1和A2接地，一個(gè)模擬信號(hào)輸入端接光敏電阻，基準(zhǔn)電源端接高電平，使用內(nèi)部時(shí)鐘，EXT接地，12C總線的時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線與單片機(jī)I/O口直接連接，電路如圖3所示。

　　2.2.2 二氧化碳傳感器 控制系統(tǒng)選用的CO2傳感器型號(hào)為MG811，對(duì)CO2氣體感應(yīng)靈敏度高、選擇性好，溫濕度變化對(duì)其影響較小，具有良好的穩(wěn)定性，并且COZ濃度與輸出電動(dòng)勢(shì)(EMF)之間的函數(shù)關(guān)系符合能斯特方程。

　　式中，EC為CO2濃度在350mg/L時(shí)的輸出電壓值，在320～330mV;R為氣體常量;T為熱力學(xué)溫度，單位K;F為法拉第常量，P(CO2)是CO2的分壓。根據(jù)查詢廠家提供的MG811傳感器的資料，EMF的輸出范圍在30～50mV，對(duì)C02的濃度測(cè)量范圍在350～10000mg/L[14-16]。

　　因?yàn)镃O2傳感器MG811輸出電壓比較小，需要進(jìn)行放大處理。因此，該系統(tǒng)采用MG811二氧化碳傳感器模塊，如圖4所示。CO2傳感器模塊主要芯片是MG811和LM393電壓比較器，外形尺寸為40mm×25mm×35mm，具有工作電壓信號(hào)燈、TTL電平信號(hào)燈輸出指示、模擬量信號(hào)、TTL高低電平信號(hào)雙路信號(hào)輸出，可以輸出0～2V的模擬電壓信號(hào)，該模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后直接傳送給單片機(jī)處理，與單片機(jī)的接口電路如圖5所示。

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