基于手机短信的设施农业温湿度远程监测系统的设计

摘要：针对设施农业作物种植对环境温湿度信息采集的需要，结合GSM无线通信技术，并以单片机作为控制器，以高精度的数字式温湿度传感器作为测量设备，设计了一种基于手机短信的设施农业温湿度远程监测系统，实现设施农业温湿度的检测、传输、显示、报警，最后对系统进行了实地性能测试，测试结果表明，系统测量误差较小，短信收发正常，实用性和可靠性较高，能够实现设施农业温湿度的监测和报警，具有较高的应用价值。

我国是世界上的设施农业大国，至21世纪初，我国设施农业生产面积已达210万公顷，但是我国设施农业的现代化的进展却比较缓慢，温室农业中农业设施、管控技术等方面都落后于欧美等发达国家。在设施农业生产中，温度和湿度对作物生长非常的重要，直接影响作物的产量和质量。根据杨凌示范区、陕西省部分地区调研数据，新型温湿度监测系统因为成本高昂、维护困难、性价比低等原因使用较少，很多的农户和中小型农业企业大多采用人工查看温度计、湿度计指导农业生产，不能实时的根据温室环境的变化及时调节温湿度。

随着计算机技术、传感器技术和通信技术的快速发展，GSM通信网络的不断完善，以及手机的广泛使用，研发出一种经济实惠、性能良好的、基于手机短信的温室大棚温湿度监测系统是很有必要的。

1 系统结构

本系统利用GSM无线通信技术，以单片机作为系统控制核心，高精度的数字式温湿度传感器为测量设备，具有温湿度的显示、存储、报警等功能，当系统检测到环境温湿度变化至威胁到农作物生长时，首先实现声光报警，同时通过GSM模块对预先设置好的手机号码发送短信，及时通知用户采取适当措施避免农作物受损，系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计

控制系统硬件电路采用模块化设计方法，包括单片机与GSM短信模块、温湿度模块、液晶显示模块、声光报警模块、数据存储模块、遥控键盘模块等，主要硬件电路如图2所示。

2.1 微处理器模块

本系统微处理器采用STC12C5A60S2单片机，该单片机是单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换。性价比高、抗干扰能力强稳定性更好，可解决本系统的所有运算及控制过程。

2.2 温湿度传感器

根据农业环境现场特点及要求，需要一款性价比高、体积小、响应灵敏、测量精度高的温湿度传感器，因此我们选择DHT21型数字式温湿度传感器。

DHT21型数字式温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。内部传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，信号传输距离可达20米以上，具有抗干扰能力强、性价比高等优点。DHT21为4针单排引脚封装，连接方便，可适用于本系统的温湿度信号的采集。

DHT21型温湿度传感器的DATA引脚用于微处理器与DHT21之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间5 ms左右，以当前数据传输为40 bit，高位先出。

数据格式：40 bit数据=16 bit湿度数据+16 bit温度数据+8 bit校验和 (1)

温湿度数据计算过程，假定传感器接收到40位数据为：

湿度高8位十湿度低8位+温度高8位+温度低8位=数据的末8位=校验和 (3)

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

具体温湿度值为：湿度=019FH(十六进制)=415=>湿度=41.5%RH (5)

温度=02.3BH(十六进制)=571=>温度=57.1℃ (6)

2.3 GSM模块

GSM是Global System for Mobile Communications的缩写，意为全球移动通信系统，是世界上主要的蜂窝系统之一。因此可采用TC35i型GSM模块的短信息发送功能，对温湿度的临界值进行短信报警，使农户及时接收到预警信息。

TC35i型GSM模块是德国SIEMENS(西门子)公司的一款双频900/1800 MHz高度集成的GSM模块，电压范围为直流3.3～4.8 V，休眠状态电流消耗为3.5 mA，空闲状态为25 mA，发射状态为300mA(平均).2.5 A峰值;它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service，短消息)，可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复，完全可满足本系统的短消息发送功能。该模块带有RS232通讯接口，与单片机通信非常方便，可以快速、安全、可靠的实现温湿度数据短消息服务。

2.4 LCD显示模块

LCD显示模块采用带中文字库LCD12864液晶显示模块，其工作电压3.0～5.5 V，工作温度0℃～+55℃，分辨率为128x64，内置8192个16x16点汉字，和128个16x8点ASCII字符集，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文的温湿度检测显示模块。

2.5 电源模块

电源模块采用LM7805及AMS1117两个稳压器，提供系统所需要的5 V及3.3 V电源。220 V交流电经过变压、整流、滤波及LM7805稳压后变成5 V的直流电.AMS1117是一款线性稳压器，可以实现5～3.3 V的转换，使用时在输入和输出端对地接滤波电容，电路如图3所示。

3 系统软件设计

程序设计采用模块化设计思路，将程序分为主程序和多个子程序，主程序经过初始化后，进入手动系统日期设置、预留手机号码、温湿度上下限等参数设置设计界面，设置信息完成后程序自动进入温湿度检测子程序运行阶段。首先系统通过传感器将采集到的温湿度参数显示到LCD显示器上，同时与事先设置好的温湿度临界值进行实时对比，如果测量的参数值没有达到临界值那么延时一段时间后继续测量，反之若达到临界值那么立即调用报警子程序驱动声光报警电路并驱动GSM模块向指定的手机预存号码发送短信，控制器可自动将当前的温湿度参数值及提醒信息自动编辑于短信内，发送给用户手机号码，之后再经过延时使程序返回到主程序上重新检测温湿度参数并以此循环。具体流程图如图4所示。

4 系统性能测试及分析

结合硬件设计和软件设计，制作调试样机，如图5所示。

调试完毕后于2014年11月22日在陕西杨凌五泉某温室大棚进行性能测试。首先通过专业工具设定温度为20℃、湿度为70%RH，实际测量结果分别是19.8℃、71%RH，温湿度变化情况下响应时间<10 s，然后设定监测温度范围为：15～25 ℃，湿度范围为：60RH%～85RH%，在温室环境温湿度变化，超过设定值时，声光报警装置工作，报警短信1s内发出。测试结果表明，本监测系统在实际工作中，运行情况稳定，温湿度测量误差较小，报警功能正常，较好的达到了设计要求。

5 结束语

文中结合计算机技术、GSM通信技术及传感器技术，设计了基于手机短信的设施农业温湿度远程监测系统，具有温湿度实时显示、存储、手机短信报警等功能。经过对开发出的样机进行试验测试，监测系统达到了预期的效果，具有精度高，测量范围广，适应性强的特点，能够广泛应用于农业或工业环境温湿度测量中，为用户提供一个简单可靠、安全经济的温湿度监测平台。通过后续改进还可实现对外围温湿度调节器的控制，因此本系统即可用于温湿度的检测及控制的基本单元，也可以单纯用于温湿度的监测和报警，具有较高的应用价值。