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摘要：采用８９Ｃ５１单片机、ＧＰＲＳ模块ＳＩＭ３００、温度传感器ＡＤ５９０、湿度传感器ＨＭ１５００设计基于ＧＰＲＳ的温室大棚温湿度监控系统。该系统可根据用户设定参数自动采集现场的环境数据，并根据设定温湿度极限值报警，同时采集数据经过ＧＰＲＳ网络传送至上位机进行存储及处理，从而实现对温室温湿度的实时监测。系统检测精度高、使用简单、成本较低，工作稳定可靠，可以降低蔬菜大棚的现场监测成本，有助于提高农作物的产量。

 

　　关键词：传感器；ＧＰＲＳ；温室大棚；监控系统；温度；湿度

 

　　２１世纪以来，绿色蔬菜大棚生产技术在中国推广发展起来，大棚成为了各种反季节蔬菜的主要生产设施。在对蔬菜大棚的管理过程中，对其环境的监控是最重要的一个环节［１，２］，温室监控的重点在于协调控制作物生长的小气候。目前，对于蔬菜大棚的环境监控，大多数还沿用人工值守的方法来实现，该方法浪费了大量的人力物力，除此之外，极少数的自动监控系统也通常采用专门的通信线路实现，但费用昂贵，不适应广大农民的需求，而且这些方法对蔬菜大棚的环境控制效果均不太理想，从而常常导致由于温湿度控制不当而造成的作物减产，给菜农带来了极大的损失［３，４］。为此，提出了基于无线通信ＧＰＲＳ的蔬菜大棚温湿度监控系统，通过实时采集农业大棚内空气的温度、湿度环境参数，来控制自动开启或者关闭指定的环境调节设备，再将环境参数通过ＧＰＲＳ传输至上位机，以实现对温室的远程监控与管理。这种基于农业蔬菜大棚的智能监控系统，可以为农业生态信息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据和有效手段。

 

　　１系统总体设计

 

　　基于ＧＰＲＳ的温室大棚温湿度监控系统的总体设计见图１。系统由８９Ｃ５１单片机、Ａ／Ｄ转换电路、温度检测电路、湿度检测电路及控制系统组成。在工作过程中，由温度检测电路、湿度检测电路将现场温度及湿度转换成电压信号，该模拟电压信号经ＡＤＣ０８０９转换后进入８９Ｃ５１单片机，一方面，单片机通过程序比较输入温度与设定温度来控制风扇或电炉驱动电路；另一方面，再比较输入湿度与设定湿度来控制喷水电路。同时，以上采集的温室大棚环境现场数据通过ＧＰＲＳ设备发布给进行总控管理的上位机终端及种植户的移动电话，从而实现对大棚内植物生长温度及土壤和空气湿度的监控，并实现对超过正常温度、湿度范围的状况进行实时处理，使大棚环境得到良好控制。

 

　　２系统温湿度采集模块

 

　　２．１温度检测及电平转换电路

 

　　设计中采用的温度传感器为ＡＤ５９０，这是美国ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ公司生产的一种电流型二端温度传感器［５，６］，由于ＡＤ５９０精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，被广泛应用于诸如测温和热电偶的冷端补偿等不同的温度控制场合。

 

　　温度检测及电平转换电路见图２。在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压，由于ＡＤ５９０为电流输出元件，其温度每升高１Ｋ，电流就增加１μＡ，因此，当ＡＤ５９０的电流通过一个１０ｋΩ的电阻时，这个电阻上的压降为１０ｍＶ，即转换成１０ｍＶ／Ｋ，为了使此电阻阻值精确到０．１％，可用一个９．６ｋΩ的电阻与一个１ｋΩ电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的１０ｋΩ。图２所示的就是一个电流／电压和绝对／摄氏温标的转换电路，其中运算放大器Ｕ１Ａ被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗，而运放Ｕ１Ｂ的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给Ｕ１Ｂ的同相输入端输入一个恒定的电压（如１．２３５Ｖ），然后将此电压放大到２．７３Ｖ。这样，Ｕ１Ａ与Ｕ１Ｂ输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。若将ＡＤ５９０放入冰水混合溶液中，Ｕ１Ａ同相输入端的电压应为２．７３Ｖ，同样使Ｕ１Ｂ的输出电压也为２．７３Ｖ，因此Ｕ１Ａ与Ｕ１Ｂ两输出端之间的电压为２．７３－２．７３＝０Ｖ，即对应于０℃。使用Ａ／Ｄ转换芯片ＡＤＣ０８０９对其进行采集，使用单片机的ＷＲ信号输出脉冲触发ＡＤ转换，使用ＩＮＴ１接收Ａ／Ｄ转换器的转换结束指示信号，触发数据读操作，电路上使用Ｐ２口读取数据。

 

　　２．２湿度检测电路

 

　　湿度测量过程主要利用湿度传感器ＨＭ１５００实现［７］，ＨＭ１５００属于通用型的湿敏传感器，其内部由ＨＳ１１０１型湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器组成，能输出与相对湿度呈线性的直流电压信号，其输出阻抗为７０Ω，测量范围为５％～９９％ＲＨ，输出电压范围为１～４Ｖ，相对湿度为５５％时的标称输出电压２．４８Ｖ。湿度测量电路如图３所示。在测量过程中，由ＨＭ１５００的３脚输出１～４Ｖ的电压接入同相放大器Ｕ１Ｃ，调节１Ｋ滑动变阻器保证当同相放大器输入电压为２．４８Ｖ时，输出电压为２．７５Ｖ，从而使得ＶＯ经后端ＡＤ采集电压值只需乘２运算后，即可得到对应湿度值。

 

　　３风扇、电炉、喷水装置及键盘控制电路

 

　　３．１风扇、电炉、喷水装置控制电路

 

　　电炉的基本控制电路如图４所示。当系统发现大棚中温度低于规定极限值时，单片机Ｐ１．７口将输出控制信号“１”，使光耦Ｐ（４Ｎ３５）的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，继电器（ＭＣ１４１３）吸合，２２０Ｖ电源输入至ＶＯ，为电炉回路供电，加热装置开始工作，从而保证棚内温度升高。换气扇、水幕降温装置与电炉加温装置类似，不同之处在于继电器吸合提供的电源不同，如水幕降温装置只需使用直流电源打开电磁水阀即可。

 

　　３．２键盘控制电路

 

　　键盘控制电路如图５所示。其中，ＡＮ１为温湿度功能转换键；ＡＮ４为设定值与当前值显示功能转换键（即当ＡＮ４按键按下一次时，显示温湿度设定值，当ＡＮ４按键按下二次时，显示温湿度当前值）；ＡＮ２为温湿度设定值加１键；ＡＮ３为设定值减１键。对４个按键的检测采用软件查询和外部中断结合方式来完成，在工作过程中，只要任何一个按键按下，即通过与门向８０３１的ＩＮＴ０引脚发送中断请求码，然后在对应的中断服务程序中读Ｐ０口，以此来判断被按下按键号。

 

　　４ＧＰＲＳ模块传输系统设计

 

　　４．１ＧＰＲＳ接口与数据通信

 

　　通信用ＧＰＲＳ模块采用ＳＩＭ３００，ＳＩＭ３００是一种完善的即插即用三频／四频ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块［８］，支持用户定制的ＭＭＩ和键盘／ＬＣＤ，内嵌强大的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈。由于ＧＰＲＳ模块使用４线制ＲＳ２３２接口模式［８］，因此，在设计其接口电路时，需要使用１片ＭＡＸ２３２芯片实现４线制的串口ＵＡＲＴ，其中包括ＲＸＤ、ＴＸＤ、ＲＴＳ和ＣＴＳ，并分别使用ＭＡＸ２３２ＣＰＥ芯片的４路电平转换电路实现其电气协议的转换，具体电路如图６所示。其中，ＲＸＤ、ＴＸＤ分别完成数据收发，ＲＴＳ和ＣＴＳ分别是单片机的发送请求信号和ＧＰＲＳ的应答信号。

 

　　在工作过程中，系统将每个周期采集到的８组（１６字节）数据存储在内存中，并根据设定好的数据发送门限来决定发送时刻，当采集到的数据量达到发送门限时，８个通道的数据将被封装成一定格式的数据包，同时，ＧＰＲＳ模块的一次数据发送过程被启动，该数据被发送至远端数据处理用计算机。

 

　　４．２基于ＧＰＲＳ的数据采集传输程序设计

 

　　基于ＧＰＲＳ的数据采集传输流程如图７所示。首先，单片机进行系统资源初始化，然后进行ＧＰＲＳ模块初始化，根据ＧＰＲＳ通信特点，利用串口发送ＡＴ指令对ＧＰＲＳ进行初始化并对远端数据服务进行连接，从而建立数据通路，最后启动数据采集过程，在数据采集过程中，通过编程实现根据不同通道信号的特点选择不同的模拟量范围和采样方式，同时启动转换，当数据全部转换结束后调用数据发送程序，并通过ＧＰＲＳ模块发送到指定网站进行数据处理。

 

　　５小结

 

　　采用主控芯片８９Ｃ５１单片机以及ＧＰＲＳ模块ＳＩＭ３００、温度传感器ＡＤ５９０、湿度传感器ＨＭ１５００设计基于ＧＰＲＳ的温室大棚温湿度监控系统，该系统可以实现对大棚里植物生长的温湿度参数进行检测、监控，可以对棚内环境温湿度参数进行预设，对现场温湿度参数进行实时显示，对超过正常温湿度范围的状况进行实时处理，并可以利用ＧＰＲＳ无线通信技术将棚内环境数据进行实时远程传输，为进一步的存储和处理打下良好基础。基于ＧＰＲＳ的温室大棚温湿度监控系统长时间工作稳定可靠，该系统在设施农业温室大棚温湿度监测中的运用，可以使反季节蔬菜及花卉生产等有效进行，具有一定的市场价值和良好的发展前景。

 

　　参考文献：

 

　　［１］樊杨鎏，李琨，李静．无线分布式温度测控系统的设计及应用［Ｊ］．昆明理工大学学报（理工版），２００６，３１（５）：４８－５１．

 

　　［２］蒋园园，宋良图．农田远程数据采集系统的设计与实现［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２００７（６）：１８－１９．

 

　　［３］李严．蔬菜大棚温湿度智能控制器设计［Ｊ］．农机使用与维修，２０１２（４）：５５－５８．

 

　　［４］余华芳，吴志东，林智涛．蔬菜温室大棚温湿度控制系统［Ｊ］．安徽农业科学，２０１１，３９（２８）：１７６０１－１７６０３．

 

　　［５］岳青，张海辉，卢博友．基于ＷＳＮ的温室环境监测节点设计［Ｊ］．安徽农业科学，２０１０，３８（３０）：１７２１９－１７２２１，１７２５４．

 

　　［６］梁春英，王熙，怀宝付，等．ＣＡＮ总线在温室多点温度监测系统中的应用［Ｊ］．安徽农业科学，２０１０，３８（１５）：８２０４－８２０５．

 

　　［７］王文成，常发亮．温室大棚温湿度无线测控系统［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１１（３）：９８－１０３．

 

　　［８］李立扬，王华斌，白凤山．基于ＺｉｇBｅｅ和ＧＰＲＳ网络的温室大棚无线监测系统设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１２，２０（１２）：３１４８－３１５０．