基于移动通信的智慧农业环境监控系统设计

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　　摘要：针對陕西省杨凌地区设施农业环境参数存在的问题，结合计算机、传感器、移动通信等技术，设计制作了一种基于移动通信的智慧农业环境监控系统。该系统采用模块化设计方法，进行硬件设计和软件设计，完成控制系统的制作，可以根据设施农业作物生长需要，自动实现喷灌、通风、补光、加温等调控方式的智能化操作。测试结果表明该控制系统环境数据测量较为准确，信息收发正常，数据超限时，执行设备动作、控制性能良好，报警及时，具有一定的使用价值和推广前景。
　　关键词：智慧农业;传感器;单片机;监控系统
　　中图分类号：S24 文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）09-0162-05
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.09.035
　　智慧农业就是运用传感器和软件通过移动平台或电脑平台对农业生产进行控制，使传统农业更具有“智慧”。陕西省杨凌是中国农业高新技术产业示范区，在中国农业发展中具有较为重要的影响力。从对杨凌示范区、陕西省内设施农业推广较为集中的区域进行调研的结果来看，一般农户的简易大棚、中小农业企业的中、小型设施农业在环境参数的控制上存在测控因子少、精度低、费时费工、调控繁琐等问题，严重影响农户的经济效益[1-9]。因此研发性能可靠、性价比高的设施农业环境控制系统极具现实意义。研究针对杨凌地区设施农业环境控制中存在的问题，分析不同环境因子对农作物的生长影响，结合计算机、传感器、移动通信等技术，设计制作了一种基于移动通信的设施农业环境监控系统。
　　1 控制系统整体结构
　　该系统融合数字式温度传感器、模拟式CO2浓度传感器、模拟式光照度传感器、数字式温湿度传感器为数据采集部件，把采集到的温湿度、光照度、CO2浓度等多种环境参数传送至控制器进行处理，将信息实时显示在液晶显示屏上，对预设的环境参数进行超限判断，并控制相关执行设备对超限状态进行调节，以满足植物生长的需要。系统整体结构如图1所示。
　　该控制系统分为多层架构，即传感器层、控制器层、手机层等。
　　系统中的传感器层的作用主要是对空气温湿度、CO2浓度、光照度进行信号数据采集。
　　控制器层是该系统的核心组成部分，是以微控制器作为核心控制器，对设施农业环境的参数进行数据采集，在液晶显示器上显示，并且根据作物生长设置要求控制现场的执行设备，包括风机、喷灌机、补光灯、加热器等，同时在数据超限时声光报警、信息报警，通过移动通信模块对预先设置好的手机号码发送信息及时通知工作人员，并且接受手机端的查询，接收到查询信号时能够及时将设施农业环境数据发送给手机终端，在没有查询命令发生或预设的数据参数没有处在超限状态下，每隔一定时间向上位机发送一次数据。
　　手机层主要可以实现无人值守的功能，通过移动通信网络，在与下位机握手成功后，编写手机信息发送固定命令给下位机，实时掌握设施农业环境参数，了解设施农业环境状况;并且在设施农业环境数据异常时，接收下位机发送的报警信息。
　　2 控制系统电路设计
　　2.1 主要硬件电路
　　控制系统硬件部分采用模块化设计方法，包括控制器模块、电源模块、传感器模块、声光报警模块、移动通信模块、显示器模块、执行机构驱动模块等，主要硬件电路如图2所示。
　　微控制器是整个控制系统的核心器件，决定了系统的算术和逻辑运算速度。AT89S52单片机是美国Ateml公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS8位微处理器，片内有8K可编程Flask存储器，具有编程简单、使用方便、性价比高等特点，该系统选用AT89S52单片机作为主控制芯片[10-12]。
　　移动通信模块采用TC35，主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存，ZIF连接器、天线接口6部分组成。该模块体积小巧、设计紧凑、低功耗、便于集成等特点成为目前使用频繁的一个SMS模块。与GSM2/2+兼容、集基带与射频电路于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为短消息、语音、数据提供快速可靠的传输。
　　时钟模块采用的是美国DALLAS公司推出的低功耗实时时钟芯片DS1302，该芯片采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据，能够直接与单片机I/O连接[13]。
　　2.2 传感器与单片机接口电路
　　2.2.1 光照度传感器 控制系统中所选用的光照度传感器为光敏电阻，通过对其采集的模拟信号进行数字化处理后再传送至单片机，电路如图3所示。使用时，PCF8591的3个地址引脚A0、A1和A2接地，一个模拟信号输入端接光敏电阻，基准电源端接高电平，使用内部时钟，EXT接地，12C总线的时钟线、数据线与单片机I/O口直接连接，电路如图3所示。
　　2.2.2 二氧化碳传感器 控制系统选用的CO2传感器型号为MG811，对CO2气体感应灵敏度高、选择性好，温湿度变化对其影响较小，具有良好的稳定性，并且COZ浓度与输出电动势（EMF）之间的函数关系符合能斯特方程。
　　式中，EC为CO2浓度在350mg/L时的输出电压值，在320～330mV;R为气体常量;T为热力学温度，单位K;F为法拉第常量，P（CO2）是CO2的分压。根据查询厂家提供的MG811传感器的资料，EMF的输出范围在30～50mV，对C02的浓度测量范围在350～10000mg/L[14-16]。
　　因为CO2传感器MG811输出电压比较小，需要进行放大处理。因此，该系统采用MG811二氧化碳传感器模块，如图4所示。CO2传感器模块主要芯片是MG811和LM393电压比较器，外形尺寸为40mm×25mm×35mm，具有工作电压信号灯、TTL电平信号灯输出指示、模拟量信号、TTL高低电平信号双路信号输出，可以输出0～2V的模拟电压信号，该模拟电压信号经过AD转换后直接传送给单片机处理，与单片机的接口电路如图5所示。 　　3 控制系统软件设计
　　控制系统主程序首先要完成整个系统的初始化工作。其中包括液晶显示屏的最初显示、各变量及数组的初始设定、通信模块的连接和设置等内容。然后开始采集温度、湿度、光照度等被测量的数据，经过分析处理后显示出来，并判断是否超限，如果超限，则输出报警信号和执行器控制信号，以保证设施农业环境参数在合适的范围之内;数据正常则定时向上位机发送数据，并且接收手机终端查询指令;流程如图6所示。
　　在初始化工作完成之后，主程序便进入一个不停循环的过程。在每次循环过程一开始，首先要进行一个短暂的延时处理，然后开始采集设施农业环境数据及时钟数据，处理后显示，然后进行几个判断。
　　1）判断数据是否超限。将各个设施农业环境数据采集处理后，依次判断数据有无超过预定限值，有则输出信号控制执行机构，同时发出报警信号，声光报警、信息报警，数据正常则进行下一步工作。
　　2）判断是否达到预定时间。所谓预定时间，就是系统采集各传感器数据的时间间隔，考虑到各传感器的灵敏度、系统的稳定性等因素，将时间间隔定为10min。若到达预定时间，则将传感器数据上传给上位机，处理完以上操作后进入下一步工作。
　　3）判断有无干扰信息。上述操作处理完或没有达到预定时间则进入这一步。在该过程中，判断是否有干扰信息（有骚扰电话进入，TC35模块发送了不相关信息等），如果有，则作相应的处理并清除信息，以保证整个系统的正常运行。
　　4）按键处理步骤。在这一过程中，进行相关按键的操作，系统将根据键值来完成上下限值设置、发送信息测试等操作。该系统只有在紧急情况下才使用按键来设置系统功能，一般情况下主要用信息远程操作。
　　5）返回。在上述过程完成后或无按键按下时便进入这一步。在该过程中首先检测是否有信息到来，如果有便根据信息内容执行相应操作，其中包括回传当前传感器数据、设定上下限、进行电话号码配对等。该过程完成后便返回。
　　4 控制系统测试
　　4.1 测试场地介绍
　　控制系统调试完毕后，进行实地测试，测试场地选择杨凌五泉镇某设施农业大棚。该设施农业大棚长100m，宽6.5m，棚脊高4m，净面积为650m2;设施农业大棚内主要种植番茄、黄瓜等蔬菜。
　　4.2 实地性能测试
　　4.2.1 测试方案 实地测试主要是测试控制系统在设施农业复杂环境下的工作性能，包括传感器工作状态、环境数据超限时执行机构工作状态、环境数据超限时报警情况等。首先将控制器电路板、执行机构、电脑安装在设施农业内空地处。
　　4.2.2 测试过程 第一步，实地采集设施农业环境数据，记录10组数据，如表1所示。第二步，设置设施农业环境参数范围，温度范围（20～25℃）、湿度范围（10%～95%）、光照度范围（10～9000lx）、CO2浓度范围（10～1000mg/L），以及报警信息。设施农业环境数据超过设定值时，观察记录执行机构状态及报警情况，如表2所示。
　　4.2.3 测试结果 实地测试数据分析表明，传感器性能较稳定，误差较小;在环境数据超限时，执行机构动作、声光报警及信息报警及时;信息设置参数功能正常，可以实时设置工作人员手机号;信息查询功能正常，发送查询信息后，3s内收到设施农业环境数据信息。
　　5 小结
　　该控制系统根据杨凌地区设施农业的实际情况，结合计算机技术、传感器检测技术、移动通信技术等，设计制作了智慧农业环境监控系统，具有数据实时显示、自动控制、超限报警等功能。测试结果表明，基于移动通信的智慧农业环境监控系统能够适应设施农业较为复杂的环境，工作性能可靠，控制性能良好，传感器测量精度较高，报警功能正常，信息设置参数正常，能够满足设施农业环境监控需要，具有较高的应用价值。
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　　收稿日期：2020-03-05
　　基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目（19JK0983）;杨凌职业技术学院自然科学研究基金项目（A2018051）
　　作者简介：李小平（1963-），男，陕西长安人，讲师，主要从事应用电子技术研究，（电话）029-87083621（电子信箱）175343103@qq.com。
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