基于GPS—GSM—SMS的温室环境监控系统设计

摘要：为实现对温室光照、温度的智能控制，本研究设计了一种基于GPS、GSM网络技术的温室环境远程监控系统，该系统以超低功耗的MSP430F149为核心控制器，采用无线数据传输，具有方便与安全的特点，克服了恶劣条件下架线不便的困难。经测试，该系统能实时有效地感知温室的环境状况。

关键词：温室；光照；温度；监控；温室

中图分类号： TP277.2；S127 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0424-04

收稿日期：2013-10-30

基金项目：江苏省研究生实践创新计划项目（编号：201211068098X）。

作者简介：王鑫鑫（1989—），男，江苏沭阳人，硕士研究生，主要研究方向为自动化控制装备、嵌入式系统及其应用。 E-mail：m15105192019@163.com。

通信作者：周国平，教授。E-mail：zhougp@njfu.com.cn。温室是一种可以改变植物生长环境，为植物生长创造最佳条件，避免外界恶劣气候对植物生长影响的场所。大多数的温室控制设备只专注于温度的控制，对光照涉及较少。光照也是农作物生长发育的关键条件之一，直接影响农作物的产量和品质[1]。光照对作物生长的影响主要有两个方面：一是为农作物光合作用提供能量，二是为温室气候环境提供能量。但是过强的光照会促进水分的蒸发，灼伤叶面；过弱的光照不利于植物的光合作用，使植物不能有效地生长。因此，对温室光照进行检测和监控就变得非常重要，判断什么时候光照太强需要遮光，什么时候光照弱需要补光，结合已经发展成熟的GSM、GPS网络可以极好地实现对温室大棚的智能控制，提高劳动生产率。

1系统的组成

温室环境控制系统主要由3个部分组成：一是以MSP430F149、光照度采集探头和DS18B20为核心的光照度、温度检测与自动调节、报警系统；二是以TC35I和GSM网络为核心的短信控制系统；三是农户手机或者是PC机软件系统。系统组成见图1。

系统的主要功能：本系统以MSP430F149作为主控器件，采用DS18B20和光照度采集探头实时监测蔬菜大棚的温度、光照并与设定值比较，如果偏差超过规定值，则喇叭发出警报，并通过GSM网络以短信形式发送到农户手机。单片机控制系统自动启动加热或者制冷、补光，遮盖、喷洒设备来调节大棚的温度、光照度，并实时显示大棚的温度，光照度和时间以供管理者实时查看。显示芯片选用低功耗的LCD12864，它带有中文字库，同时该模块具有接口方式简单和指令操作灵活的优点。此外本系统设置故障报警功能，当设备发生故障时，系统会发出声光报警同时将故障信息发送到农户手机或上位机，以便于农户及时检修。

1.1硬件系统设计

微控制器是系统的核心，控制着整个系统各个模块的工作，所以微控制器的选择在本设计中至关重要。MSP430F149是一款16位的超低功耗单片机，具有12位的数模转换器（ADC12）；拥有大容量的存储空间，包括多达60 K Flash ROM和2 K RAM；两通道的串行通信接口，可以满足GPS、GSM工作的需要。

1.1.1电源转换电路由于 GSM 模块工作电压高于单片机MSP430F149及 GPS 模块所需电压值 3.3 V，故该装置需要两路电源转换电路[2-3]。这两路电路采用了可调整开关型降压稳压芯片LM2576、KA78R05、高效线性电源转换芯片ASM1117-3.3。其中，一路将12 V的电压通过芯片LM2576转换成 3.6 V 电压，供给 GSM 模块，这里C2用作对12 V输入电源滤波，因为LM2576为开关电源，需要电容和电感做储能元件，利用其进行充放电，并通过改变占空比来改变充放电时间，来实现输出电压的改变。D1、L1、C5的功能是进行充放电，并依据芯片Datasheet选择参考值，R1、R2是两个分压电阻，送回Feedback端，其分压决定了Vout的大小，C3、C4电容起滤波作用。另一路先通过 KA78R05 把12 V电压转为 5 V 电压，再经ASM1117 降压至 3.3 V电压供给主控制器及 GPS 模块。KA78R05是一款输出5 V的低压差稳压集成芯片，最大压差为0.5 V，输出精度为（5±0.12）V，C6的作用是消减电源中的噪声，C8、C9一大一小两个电容对输出+5 V电压滤波，提供稳定的+5 V电源。该电源转换电路如图2所示，V12 为12 V电压，VTC 为 GSM 模块供给电压。

1.1.2光电传感器探头的设计常用的光照度计存在测量范围窄、精度低、成本高等缺点，而且用户需要手动调节测量范围。光照度计连续测量时需长期暴露在阳光下，会产生温

度漂移，严重影响仪器的测量精度。针对这些不足，本研究引入差分思想，结合光电检测技术设计了一种新型光照度计。

为了克服光电池的温度漂移，增大共模抑制比，提高测量精度，在光照度传感器探头的设计时采用了两只光电性能相同的光电池，组成差动结构（图3）。探头包括2个S1087光电池、滤光片、平面状余弦校正器。

光电池1作为光电传感器，接受光照；光电池2作为光电池1的补偿器，处于遮光状态，但光电池1和光电池2同时安装于同一块均温槽上，当温度发生变化时，两只光电池的温度同时变化，所产生的温度漂移也相同。光电池的光电流经过电流/电压转换电路，输出的信号进入差分放大器进行差分放大。差分电路对由于光照产生的差模信号有很强大的放大作用，而对由于温度漂移产生的共模信号有很强大抑制作用。由于本设计采用了差分结构，提高了电路的抗干扰能力，提高了共模抑制比，保证了系统的测量精度。经差分放大器放大的光照信号经过P5.5送入单片机进行数据处理，实现了光照度的自动测量。

1.1.3温度采集数字式温度传感器[4]把采集到的温度信息通过单线接口送入DS18B20或者从DS18B20送出，因此从单片机CPU到DS18B20仅需一条线（和地线），DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。同时每一个DS18B20在出厂时都有唯一的64位的序列号，因此可以把多个DS18B20放在一条总线上，实现与单片机的I/O接口的连接。可以把精度设置为12位的分辨率，温度分辨率为 0.062 5，当采集的数据超过警戒值时，通过串口将信息从近端的GSM设备传送到远端的用户手机中。

由于温室大棚内不同的蔬菜以及不同的生长周期需要不一样的光照度和温度，因此采用3×4行列扫描式矩阵键盘，来设置不同的光照度和温度。

1.1.4温度、光照控制电路温度、光照度控制电路[5]如图4所示，光照度低于设定值，P0.6输出高电平，反向后为低电平；固态继电器SSR交流触电接通，交流触电线圈得电，接通遮盖电机，温室大棚遮盖打开，提高大棚光照，反之亦然。温度的控制通过室内喷淋和开关窗户来实现，实现的控制电路和光照控制电路相同。

1.1.5GPS和GSM短信服务模块GSM短信模块由新版西门子工业级TC35I模块和SIM卡组成，在该装置中负责收发户主短信并通过串行口与主控制器通信。GPS模块采用了瑞士公司的NEO-6Q芯片，可以实现年、月、日、时、分，秒进行精确计时[6-7]同时可对温室大棚进行精确定位，另外添加温度、光照度报警电路（图5）。

1.2系统软件设计

软件设计采用的是模块化思想，本系统采用C程序软件开发平台IAR Embedded Workbench，这给程序的修改和调试带来了很大的方便。

3结论

本研究利用MSP430单片机内部的ADC进行采样，简化系统电路的设计并结合目前已经发展成熟的GSM、GPS网络通信技术，实现了对温室大棚的光照度、温度数据的采集和实时显示，自动调节，以及温室大棚的远程监控。结果证明，本系统可以达到当初的设计要求，具有比较高的可靠性、稳定性。此外该系统具有优良的扩展性可以增加湿度，二氧化碳等传感器来进行控制，最大程度地提高温室生产效益。

参考文献：

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