摘要：針對設施農業(yè)作物種植對環(huán)境溫濕度信息采集的需要，結合GSM無線通信技術，并以單片機作為控制器，以高精度的數(shù)字式溫濕度傳感器作為測量設備，設計了一種基于手機短信的設施農業(yè)溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)設施農業(yè)溫濕度的檢測、傳輸、顯示、報警，最后對系統(tǒng)進行了實地性能測試，測試結果表明，系統(tǒng)測量誤差較小，短信收發(fā)正常，實用性和可靠性較高，能夠實現(xiàn)設施農業(yè)溫濕度的監(jiān)測和報警，具有較高的應用價值。

我國是世界上的設施農業(yè)大國，至21世紀初，我國設施農業(yè)生產面積已達210萬公頃，但是我國設施農業(yè)的現(xiàn)代化的進展卻比較緩慢，溫室農業(yè)中農業(yè)設施、管控技術等方面都落后于歐美等發(fā)達國家。在設施農業(yè)生產中，溫度和濕度對作物生長非常的重要，直接影響作物的產量和質量。根據(jù)楊凌示范區(qū)、陜西省部分地區(qū)調研數(shù)據(jù)，新型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)因為成本高昂、維護困難、性價比低等原因使用較少，很多的農戶和中小型農業(yè)企業(yè)大多采用人工查看溫度計、濕度計指導農業(yè)生產，不能實時的根據(jù)溫室環(huán)境的變化及時調節(jié)溫濕度。

隨著計算機技術、傳感器技術和通信技術的快速發(fā)展，GSM通信網絡的不斷完善，以及手機的廣泛使用，研發(fā)出一種經濟實惠、性能良好的、基于手機短信的溫室大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的。

1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)利用GSM無線通信技術，以單片機作為系統(tǒng)控制核心，高精度的數(shù)字式溫濕度傳感器為測量設備，具有溫濕度的顯示、存儲、報警等功能，當系統(tǒng)檢測到環(huán)境溫濕度變化至威脅到農作物生長時，首先實現(xiàn)聲光報警，同時通過GSM模塊對預先設置好的手機號碼發(fā)送短信，及時通知用戶采取適當措施避免農作物受損，系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設計方法，包括單片機與GSM短信模塊、溫濕度模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、遙控鍵盤模塊等，主要硬件電路如圖2所示。

2.1 微處理器模塊

本系統(tǒng)微處理器采用STC12C5A60S2單片機，該單片機是單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換。性價比高、抗干擾能力強穩(wěn)定性更好，可解決本系統(tǒng)的所有運算及控制過程。

2.2 溫濕度傳感器

根據(jù)農業(yè)環(huán)境現(xiàn)場特點及要求，需要一款性價比高、體積小、響應靈敏、測量精度高的溫濕度傳感器，因此我們選擇DHT21型數(shù)字式溫濕度傳感器。

DHT21型數(shù)字式溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。內部傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，信號傳輸距離可達20米以上，具有抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。DHT21為4針單排引腳封裝，連接方便，可適用于本系統(tǒng)的溫濕度信號的采集。

DHT21型溫濕度傳感器的DATA引腳用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間5 ms左右，以當前數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出。

數(shù)據(jù)格式：40 bit數(shù)據(jù)=16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗和 (1)

溫濕度數(shù)據(jù)計算過程，假定傳感器接收到40位數(shù)據(jù)為：

濕度高8位十濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=數(shù)據(jù)的末8位=校驗和 (3)

計算：00000001+10011111+00000010+00111011=11011101 (4)

具體溫濕度值為：濕度=019FH(十六進制)=415=>濕度=41.5%RH (5)

溫度=02.3BH(十六進制)=571=>溫度=57.1℃ (6)

2.3 GSM模塊

GSM是Global System for Mobile Communications的縮寫，意為全球移動通信系統(tǒng)，是世界上主要的蜂窩系統(tǒng)之一。因此可采用TC35i型GSM模塊的短信息發(fā)送功能，對溫濕度的臨界值進行短信報警，使農戶及時接收到預警信息。

TC35i型GSM模塊是德國SIEMENS(西門子)公司的一款雙頻900/1800 MHz高度集成的GSM模塊，電壓范圍為直流3.3～4.8 V，休眠狀態(tài)電流消耗為3.5 mA，空閑狀態(tài)為25 mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA(平均).2.5 A峰值;它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service，短消息)，可通過AT命令或關斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復，完全可滿足本系統(tǒng)的短消息發(fā)送功能。該模塊帶有RS232通訊接口，與單片機通信非常方便，可以快速、安全、可靠的實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)短消息服務。

2.4 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊采用帶中文字庫LCD12864液晶顯示模塊，其工作電壓3.0～5.5 V，工作溫度0℃～+55℃，分辨率為128x64，內置8192個16x16點漢字，和128個16x8點ASCII字符集，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文的溫濕度檢測顯示模塊。

2.5 電源模塊

電源模塊采用LM7805及AMS1117兩個穩(wěn)壓器，提供系統(tǒng)所需要的5 V及3.3 V電源。220 V交流電經過變壓、整流、濾波及LM7805穩(wěn)壓后變成5 V的直流電.AMS1117是一款線性穩(wěn)壓器，可以實現(xiàn)5～3.3 V的轉換，使用時在輸入和輸出端對地接濾波電容，電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

程序設計采用模塊化設計思路，將程序分為主程序和多個子程序，主程序經過初始化后，進入手動系統(tǒng)日期設置、預留手機號碼、溫濕度上下限等參數(shù)設置設計界面，設置信息完成后程序自動進入溫濕度檢測子程序運行階段。首先系統(tǒng)通過傳感器將采集到的溫濕度參數(shù)顯示到LCD顯示器上，同時與事先設置好的溫濕度臨界值進行實時對比，如果測量的參數(shù)值沒有達到臨界值那么延時一段時間后繼續(xù)測量，反之若達到臨界值那么立即調用報警子程序驅動聲光報警電路并驅動GSM模塊向指定的手機預存號碼發(fā)送短信，控制器可自動將當前的溫濕度參數(shù)值及提醒信息自動編輯于短信內，發(fā)送給用戶手機號碼，之后再經過延時使程序返回到主程序上重新檢測溫濕度參數(shù)并以此循環(huán)。具體流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)性能測試及分析

結合硬件設計和軟件設計，制作調試樣機，如圖5所示。

調試完畢后于2014年11月22日在陜西楊凌五泉某溫室大棚進行性能測試。首先通過專業(yè)工具設定溫度為20℃、濕度為70%RH，實際測量結果分別是19.8℃、71%RH，溫濕度變化情況下響應時間<10 s，然后設定監(jiān)測溫度范圍為：15～25 ℃，濕度范圍為：60RH%～85RH%，在溫室環(huán)境溫濕度變化，超過設定值時，聲光報警裝置工作，報警短信1s內發(fā)出。測試結果表明，本監(jiān)測系統(tǒng)在實際工作中，運行情況穩(wěn)定，溫濕度測量誤差較小，報警功能正常，較好的達到了設計要求。

5 結束語

文中結合計算機技術、GSM通信技術及傳感器技術，設計了基于手機短信的設施農業(yè)溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)，具有溫濕度實時顯示、存儲、手機短信報警等功能。經過對開發(fā)出的樣機進行試驗測試，監(jiān)測系統(tǒng)達到了預期的效果，具有精度高，測量范圍廣，適應性強的特點，能夠廣泛應用于農業(yè)或工業(yè)環(huán)境溫濕度測量中，為用戶提供一個簡單可靠、安全經濟的溫濕度監(jiān)測平臺。通過后續(xù)改進還可實現(xiàn)對外圍溫濕度調節(jié)器的控制，因此本系統(tǒng)即可用于溫濕度的檢測及控制的基本單元，也可以單純用于溫濕度的監(jiān)測和報警，具有較高的應用價值。