基于GSM的太阳能农业大棚多功能智能监控系统模块设计

一、项目概述

1.1 引言

当今温室大棚产业不断扩大，人们对于健康的要求也越来越高，温室大棚提高农产品的质量，就必须要有适宜的生长环境。 本文介绍的基于GSM的太阳能农业大棚多功能智能监控系统，通过太阳能给单片机供电，设置不同的大棚植物所需的最适宜生长环境参数，系统实时检测环境值，并在液晶模块上显示，如果与设置参数不同，则会启动报警装置，并通过GSM模块给大棚管理者发送信息，同时自动采取相应操作。我们相信在未来的生活中，尤其是在温室大棚中会起到很重要的作用。

1.2 项目背景/选题动机

近二十年来，我国十分重视农业的发展，对农业设施做了很多投资，温室大棚就是其中最重要的一个项目。它作为一种新型的农业作物种植技术，已经突破了传统作物种植受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，对农业生产有重大意义。产量提高了，但是随着人们生活水平的提高，健康也更加的被人们所关注，温室大棚农产品的质量也是人们关心的焦点，。然而大棚绿色农产品怎么样才能最好的生长呢？目前我国温室大棚多依靠人工经验进行管理，或单片机控制的单参数，单回路的较多，人们无法，通过自己的经验能精准的控制给予蔬菜水果等植物，最佳适宜生长参数。温室大棚自动化程度不高，效率低。就农作物的生长环境而言，光照，温度，湿度是最基本的要素，而温室大棚的智能监控系统是实现其生产自动化，高效率化的最关键，最重要的环节。作为智能监控系统必须能够实现对以上要素的数据进行采集，分析，处理，并且进行相应的报警和智能控制，从而使得温室大棚的农作物能生长在一个最佳适宜的生长环境中。

二、需求分析

2.1 功能要求

单片机所需电能有太阳能提供，可以设置各种植物生长所需的光照度，温湿度值，系统实时采集环境值，并在液晶上显示。如果超标或不足，系统会自动报警，并自动采取开关灯，开关门，灌溉，卷帘等操作。系统会通过GSM模块给大棚管理者发送报警信息。本系统既可用于大面积的温室大棚种植，也可用于特殊植物的小面积培育。系统架构如图2.1所示：

图2.1 系统架构

2.2 性能要求

由太阳能供电，湿度测量范围：20％～90%RH，温度测量范围：0～+50℃，信号传输距离可达20米以上，采集的数据信息在液晶上显示。单片机控制GSM模块，将参数信息发送给管理者。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

如下图所示：该系统主要由以下几大模块组成：太阳能供电模块，传感器模块（光照度传感器，温湿度传感器），GSM模块，智能控制模块（开关门，开关灯，灌溉，卷帘），键盘模块，液晶显示模块。系统硬件结构框图如图3.1所示：

图3.1 系统硬件结构框图

3.1.1 太阳能供电模块

太阳能是一种干净的可再生的新能源，越来越受到人们的青睐，在人们生活、工作中有广泛的作用， 其中之一就是将太阳能转换为电能，太阳能电池就是利用太阳能工作的。

太阳能供电模块采用深圳市万家好太阳能公司生产的5 W多晶硅太阳能电池，最大电压18V，多晶硅太阳能电池的光电转换效率约12％左右。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

3.1.2 传感器模块

光照度传感器：光照度是农作物生长的重要参数之一，在设施农业中光照度的检测越来越得到科技工作者的重视。目前设施农业温室大棚环境控制用的光照度检测电路中，所使用的敏感元件大多为硅光电池。实际上光敏二极管较硅光电池有许多优点，有很高的带宽，价格便宜，特别是光电流与光照度之间呈较好的线性关系，因此他在光耦合隔离器、光学数据传输装置和测试技术中得到广泛的应用。因此本系统是根据光敏二极管的感光特性，设计一种简单实用的光照度检测电路。

温湿度传感器： 温湿度对农作物的生长也相当重要。本系统采用的是DHT11数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

3.1.3 GSM模块

移动通信网络GSM现已覆盖全国，是我国公众移动通信网的主要方式，主要提供话音，短消息，传真等业务。作为GSM网络的一项远程业务，具有通过手机发送和接收有线长度的文本信息的功能，已经在许多领域得到越来越多的应用，如咨询服务，移动商务，E-mail应用，娱乐，定位服务，远程监控，和企业服务等。GSM数据模块的出现给GSM网络的发展注入了新的活力和提供了广阔的市场，而单片机技术已在测控领域得到了广泛的应用，本系统利用单片机对GSM模块进行控制，各项环境参数通过远程无线传输，发送到大棚管理者手机上。

3.1.4 智能控制模块

开关通风口：温室大棚内的温度过高时，湿度过高时，可以采取自动打开通风口的动作，从而达到通风的目的。如果温度低时，要先把通风口关上，再开灯取暖。

开关灯：温室大棚内的温度过低时，可以采取开灯取暖的方式，类似于家用取暖器的原理。将电能转化为热能使温度增加。系统将实时采集温度值，一旦温度达到了所需值，就可以关掉灯。

灌溉：温室大棚内的湿度过低时，可以采取自动灌溉技术，保证植物的水分供给，避免人工灌溉造成水资源的浪费。

卷帘：温室大棚内的光照度不足时，可以采取自动将大棚的帘子卷开，反之，则将帘子盖上，这一操作准确且及时，减少了人力，物力。

3.1.5 键盘模块和液晶显示模块

键盘模块：不同的蔬菜有不同的适宜环境生长值，通过键盘可以增加或减少默认值，设置最佳生长参数。液晶显示模块：显示当前时间，光照度和温湿度。

3.2 硬件平台选用及资源配置

经过商讨决定，硬件平台选用主办方提供的EVK1100，它是一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的评估套件和开发系统。本系统的实现需要很多资源，EVK1100恰好可以满足其需求。

3.3系统软件架构

系统软件架构如图3.3所示：

图3.3 系统软件架构

3.4 系统软件流程

程序整体流程图如图3.4所示，键盘模块程序流程如图3.4.1所示，液晶模块程序流程图如图3.4.2所示，报警器模块程序流程图如图3.4.3所示，传感器模块程序流程图如图3.4.4所示，智能控制模块程序流程图如图3.4.5所示，GSM模块程序流程图如图3.4.6所示：

图3.4 程序整体流程图

图3.4.1键盘模块程序流程图（设置环境值） 图3.4.2 液晶模块程序流程图

图3.4.3 报警器模块程序流程图 图3.4.4 传感器模块程序流程图

图3.4.5 智能控制模块程序流程图 图3.4.6 GSM模块程序流程图

3.4 系统预计实现结果

能够实时采集光照度和温湿度，并在液晶上准确显示。自动报警系统可以根据大棚管理者设置的不同生长参数作出提示，另外，单片机通过GSM模块把超标或不足信息发送给管理者，同时作出相应自动控制。