摘要：針對陜西省楊凌地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)存在的問題，結(jié)合計算機、傳感器、移動通信等技術(shù)，設(shè)計制作了一種基于移動通信的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，進行硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，完成控制系統(tǒng)的制作，可以根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)作物生長需要，自動實現(xiàn)噴灌、通風、補光、加溫等調(diào)控方式的智能化操作。測試結(jié)果表明該控制系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)測量較為準確，信息收發(fā)正常，數(shù)據(jù)超限時，執(zhí)行設(shè)備動作、控制性能良好，報警及時，具有一定的使用價值和推廣前景。

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

　　智慧農(nóng)業(yè)就是運用傳感器和軟件通過移動平臺或電腦平臺對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行控制，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具有“智慧”。陜西省楊凌是中國農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，在中國農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有較為重要的影響力。從對楊凌示范區(qū)、陜西省內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)推廣較為集中的區(qū)域進行調(diào)研的結(jié)果來看，一般農(nóng)戶的簡易大棚、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)的控制上存在測控因子少、精度低、費時費工、調(diào)控繁瑣等問題，嚴重影響農(nóng)戶的經(jīng)濟效益[1-9]。因此研發(fā)性能可靠、性價比高的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)極具現(xiàn)實意義。研究針對楊凌地區(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)境因子對農(nóng)作物的生長影響，結(jié)合計算機、傳感器、移動通信等技術(shù)，設(shè)計制作了一種基于移動通信的設(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)傳送至控制器進行處理，將信息實時顯示在液晶顯示屏上，對預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)進行超限判斷，并控制相關(guān)執(zhí)行設(shè)備對超限狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，以滿足植物生長的需要。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、手機層等。

　　系統(tǒng)中的傳感器層的作用主要是對空氣溫濕度、CO2濃度、光照度進行信號數(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，對設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，在液晶顯示器上顯示，并且根據(jù)作物生長設(shè)置要求控制現(xiàn)場的執(zhí)行設(shè)備，包括風機、噴灌機、補光燈、加熱器等，同時在數(shù)據(jù)超限時聲光報警、信息報警，通過移動通信模塊對預(yù)先設(shè)置好的手機號碼發(fā)送信息及時通知工作人員，并且接受手機端的查詢，接收到查詢信號時能夠及時將設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給手機終端，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，每隔一定時間向上位機發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

　　手機層主要可以實現(xiàn)無人值守的功能，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)，在與下位機握手成功后，編寫手機信息發(fā)送固定命令給下位機，實時掌握設(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，接收下位機發(fā)送的報警信息。

　　2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計

　　2.1 主要硬件電路

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

　　微控制器是整個控制系統(tǒng)的核心器件，決定了系統(tǒng)的算術(shù)和邏輯運算速度。AT89S52單片機是美國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存儲器，具有編程簡單、使用方便、性價比高等特點，該系統(tǒng)選用AT89S52單片機作為主控制芯片[10-12]。

　　移動通信模塊采用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)計緊湊、低功耗、便于集成等特點成為目前使用頻繁的一個SMS模塊。與GSM2/2+兼容、集基帶與射頻電路于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為短消息、語音、數(shù)據(jù)提供快速可靠的傳輸。

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

　　2.2 傳感器與單片機接口電路

　　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，通過對其采集的模擬信號進行數(shù)字化處理后再傳送至單片機，電路如圖3所示。使用時，PCF8591的3個地址引腳A0、A1和A2接地，一個模擬信號輸入端接光敏電阻，基準電源端接高電平，使用內(nèi)部時鐘，EXT接地，12C總線的時鐘線、數(shù)據(jù)線與單片機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傳感器型號為MG811，對CO2氣體感應(yīng)靈敏度高、選擇性好，溫濕度變化對其影響較小，具有良好的穩(wěn)定性，并且COZ濃度與輸出電動勢(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C02的濃度測量范圍在350～10000mg/L[14-16]。

　　因為CO2傳感器MG811輸出電壓比較小，需要進行放大處理。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，具有工作電壓信號燈、TTL電平信號燈輸出指示、模擬量信號、TTL高低電平信號雙路信號輸出，可以輸出0～2V的模擬電壓信號，該模擬電壓信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后直接傳送給單片機處理，與單片機的接口電路如圖5所示。

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