摘要：針對陜西省楊凌地區設施農業環境參數存在的問題，結合計算機、傳感器、移動通信等技術，設計制作了一種基于移動通信的智慧農業環境監控系統。該系統采用模塊化設計方法，進行硬件設計和軟件設計，完成控制系統的制作，可以根據設施農業作物生長需要，自動實現噴灌、通風、補光、加溫等調控方式的智能化操作。測試結果表明該控制系統環境數據測量較為準確，信息收發正常，數據超限時，執行設備動作、控制性能良好，報警及時，具有一定的使用價值和推廣前景。
關鍵詞：智慧農業;傳感器;單片機;監控系統
智慧農業就是運用傳感器和軟件通過移動平臺或電腦平臺對農業生產進行控制，使傳統農業更具有“智慧”。陜西省楊凌是中國農業高新技術產業示范區，在中國農業發展中具有較為重要的影響力。從對楊凌示范區、陜西省內設施農業推廣較為集中的區域進行調研的結果來看，一般農戶的簡易大棚、中小農業企業的中、小型設施農業在環境參數的控制上存在測控因子少、精度低、費時費工、調控繁瑣等問題，嚴重影響農戶的經濟效益[1-9]。因此研發性能可靠、性價比高的設施農業環境控制系統極具現實意義。研究針對楊凌地區設施農業環境控制中存在的問題，分析不同環境因子對農作物的生長影響，結合計算機、傳感器、移動通信等技術，設計制作了一種基于移動通信的設施農業環境監控系統。
1 控制系統整體結構
該系統融合數字式溫度傳感器、模擬式CO2濃度傳感器、模擬式光照度傳感器、數字式溫濕度傳感器為數據采集部件，把采集到的溫濕度、光照度、CO2濃度等多種環境參數傳送至控制器進行處理，將信息實時顯示在液晶顯示屏上，對預設的環境參數進行超限判斷，并控制相關執行設備對超限狀態進行調節，以滿足植物生長的需要。系統整體結構如圖1所示。
該控制系統分為多層架構，即傳感器層、控制器層、手機層等。
系統中的傳感器層的作用主要是對空氣溫濕度、CO2濃度、光照度進行信號數據采集。
控制器層是該系統的核心組成部分，是以微控制器作為核心控制器，對設施農業環境的參數進行數據采集，在液晶顯示器上顯示，并且根據作物生長設置要求控制現場的執行設備，包括風機、噴灌機、補光燈、加熱器等，同時在數據超限時聲光報警、信息報警，通過移動通信模塊對預先設置好的手機號碼發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施農業環境數據發送給手機終端，在沒有查詢命令發生或預設的數據參數沒有處在超限狀態下，每隔一定時間向上位機發送一次數據。
手機層主要可以實現無人值守的功能，通過移動通信網絡，在與下位機握手成功后，編寫手機信息發送固定命令給下位機，實時掌握設施農業環境參數，了解設施農業環境狀況;并且在設施農業環境數據異常時，接收下位機發送的報警信息。
2 控制系統電路設計
2.1 主要硬件電路
控制系統硬件部分采用模塊化設計方法，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、執行機構驅動模塊等，主要硬件電路如圖2所示。
微控制器是整個控制系統的核心器件，決定了系統的算術和邏輯運算速度。AT89S52單片機是美國Ateml公司生產的一種低功耗、高性能的CMOS8位微處理器，片內有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、數據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，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據，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，使用內部時鐘，EXT接地，12C總線的時鐘線、數據線與單片機I/O口直接連接，電路如圖3所示。
2.2.2 二氧化碳傳感器 控制系統選用的CO2傳感器型號為MG811，對CO2氣體感應靈敏度高、選擇性好，溫濕度變化對其影響較小，具有良好的穩定性，并且COZ濃度與輸出電動勢(EMF)之間的函數關系符合能斯特方程。
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為熱力學溫度，單位K;F為法拉第常量，P(CO2)是CO2的分壓。根據查詢廠家提供的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，該模擬電壓信號經過AD轉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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