1 引言

　　溫室是利用可調控的技術手段，在不適宜露地植物生長的季節(jié)用來栽培植物的設施[1]。它可改變植物生長的外部環(huán)境，為植物創(chuàng)造條件，從而達到高效、高產的目的。20世紀90年代，大規(guī)模的溫室開始引進農業(yè)生產，并逐漸成為設施農業(yè)的重要內容。目前，我國溫室的建造面積已超過120萬公頃，躍居。但是我國商品化溫室普及率很低，60%以上為簡易日光溫室，溫室環(huán)境參數主要靠人工檢測[2]。人工檢測溫室環(huán)境工作量大，效率低，阻礙了溫室的規(guī)?；l(fā)展。

　　隨著科學技術的不斷進步以及計算機技術的普及，溫室環(huán)境的自動控制成為溫室建設的目標，溫室管理智能化成為溫室發(fā)展的方向。溫室環(huán)境的檢測是實現自動控制和智能化的基礎。世界發(fā)達國家如荷蘭、美國、英國、日本等大力發(fā)展集約化的溫室產業(yè)，智能化溫室測控系統(tǒng)已經得到應用，溫室內溫度、光照、水、氣、肥實現了計算機調控，遙測技術、網絡技術、控制局域網也在溫室的自動管理控制中得到了廣泛應用[3]。我國的溫室環(huán)境檢測起步較晚，但也產生了一批有價值的研究成果，華中科技大學開發(fā)了基于PLC 的溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)[4]，浙江大學開發(fā)出掌上型溫室環(huán)境測控系統(tǒng)[5]，延安大學研制了基于單片機的溫室環(huán)境數據采集終端[6]。但由于成本和技術普及等方面的限制，溫室環(huán)境參數的自動檢測系統(tǒng)在實際生產過程中的應用受到嚴重制約，限制了溫室環(huán)境自動檢測系統(tǒng)的推廣和應用，因此開發(fā)一套適合我國國情的低成本，易用、易安裝的無線溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)對于溫室環(huán)境的自動化控制和智能化管理具有重要意義。

　　2 系統(tǒng)組成

　　本文介紹的溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)由數據采集終端、無線傳輸模塊和監(jiān)控中心三部分組成。數據采集終端主要由單片機系統(tǒng)和各參數檢測傳感器組成，實現溫室溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度的前端采集、數據轉換以及臨時存儲；采集的數據定時通過GSM無線網絡傳送到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心為安裝有筆者開發(fā)的溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件的普通計算機, 負責對溫室環(huán)境參數的處理、分析、顯示以及儲存，如果溫室環(huán)境參數變化異常，監(jiān)控中心將通過GSM網絡以短消息的模式發(fā)送到溫室相關管理人員的手機中進行及時提醒，同時，監(jiān)控中心還可以通過GSM網絡隨時向數據采集終端發(fā)送指令，對傳感器參數、無線傳輸參數進行調整和修改，查看網絡系統(tǒng)中的任何溫室的環(huán)境參數。系統(tǒng)結構組成圖如圖1所示。

　　圖1.系統(tǒng)結構組成圖

　　3 數據采集終端

　　3.1 終端硬件設計

　　數據采集終端的選用AT89C51單片機。單片機與PLC和ARM系統(tǒng)相比，具有體積小、電路簡單、技術成熟、功耗低等優(yōu)勢。因為溫室環(huán)境參數數據量小，變化緩慢，速度和要求不高，單片機的性能完全滿足具體的使用要求，并且可以大大降低系統(tǒng)成本。AT89C51單片機是一種高性能8位單片機，采用了CMOS工藝和NURAM技術，輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容。本文設計的數據采集終端硬件結構圖如圖2所示。

　　圖2. 數據采集終端硬件結構圖

　　3.1.1 傳感器選用

　　終端檢測溫室的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度，選用傳感器類型及相關參數如表1所示。

　　3.1.2 A/D轉換芯片

　　A/D轉換芯片選用MAX186，它是一種串行輸入的模數變換器，轉換為12位，該芯片變換速率高、功耗低、增益調節(jié)簡單，利用MAX18*個模擬信號通道采集溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度。

　　3.1.3 時鐘芯片

　　采集的時間間隔由時鐘芯片控制，默認每小時采集并發(fā)送。時鐘芯片選用DS12887型號芯片，它把時鐘所需的晶振和外部鋰電池相關電路集于芯片內部，無需任何外圍電路，芯片內部有114個字節(jié)為通用RAM且具有掉電保護功能，掉電情況下，數據不會丟失。

　　3.1.4 看門狗芯片

　　本系統(tǒng)數據采集終端長期在溫室內工作，為了防止程序跑飛或進入死循環(huán)，選用X25045看門狗芯片。X25045是標準化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內，大大簡化了硬件設計，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

　　3.1.5 電平轉換芯片

　　本系統(tǒng)數據采集終端和監(jiān)控中心均通過RS-232接口與無線傳輸模塊連接。單片機使用TTL電平，即0到+5v的電壓，而RS-232信號電平為-10V到10V的電壓。兩者進行連接時，需要一個電平轉換芯片MAX232，用于TTL電平和RS-232電平的轉換。

　　3.2 終端軟件設計

　　數據采集終端軟件設計流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后初始化各個模塊，如設置串口波特率、初始時鐘芯片時間等，然后等待中斷。數據采集終端發(fā)送數據有兩種工作模式，一種是定時發(fā)送，每個響應時刻采集并發(fā)送；另一種工作模式是根據控制指令隨機采集溫室環(huán)境參數。當控制中心計算機通過GSM網絡向數據采集終端發(fā)送采集數據，修改參數等控制指令時，數據采集終端首先根據規(guī)定的控制指令協議判斷真?zhèn)?，若真則完成相應動作并發(fā)送確認短信，否則不做任何響應。

　　圖3. 數據采集終端軟件設計流程圖

　　4 GSM網絡無線傳輸模塊

　　系統(tǒng)通過GSM網絡進行數據和指令的無線傳輸。GSM (global system for mobile communications) 是根據GSM技術規(guī)范建造的國際無線蜂窩網絡，目前是我國覆蓋范圍、市場占有量的數字蜂窩系統(tǒng)。短消息服務(SMS)是GSM技術的一項內容，它每次可傳輸140個字節(jié)的數據，通過GSM網絡的信令信道傳送。短消息業(yè)務分為點對點短消息業(yè)務和小區(qū)廣播短消息業(yè)務。點對點的短消息業(yè)務通過短消息業(yè)務中心(MSC)來完成存儲和轉發(fā)功能，當接收終端不在線時，GSM系統(tǒng)會在用戶數據庫中設置等待標志，待接收終端上線后，GSM系統(tǒng)會及時通知短消息中心重新發(fā)送短消息。短消息業(yè)務依附于GSM網絡之上，在GSM網絡覆蓋的范圍內均可傳送短消息，它是一種確認型業(yè)務，具有雙向尋呼的特點，確保消息可靠接收，利用點對點短消息業(yè)務可方便可靠地實現信息的遠程傳輸。

　　系統(tǒng)選用集成TC35i芯片的GSM模塊，基于以下幾個方面的特點：所有與AT 響應有關的操作都是由GSM模塊在其內部完成；程序開放，支持用戶方便進行二次開發(fā)；具有格式及透明傳輸兩種傳輸格式；無須驅動程序；設置四字節(jié)的密碼，可使接收終端免收廣告、通知等數據干擾。

　　檢測過程中，數據采集終端連接的GSM模塊需要向監(jiān)控中心連接的GSM模塊發(fā)送數據，監(jiān)控中心GSM模塊的目標地址需要不斷變化，數據采集終端GSM模塊的目標地址是固定不變的。因此監(jiān)控中心GSM模塊為非透明傳輸，數據采集終端GSM模塊工作在透明方式下。非透明傳輸時發(fā)送和接收內容格式如表2所示。透明傳輸方式下，發(fā)送和接收的內容無格式要求，所發(fā)即所收。兩種方式混用時，非透明傳輸的GSM模塊按照格式發(fā)送或接收信息，透明傳輸的GSM模塊只發(fā)送或接收有格式傳輸的“數據”部分內容。

　　5 監(jiān)控中心

　　監(jiān)控中心溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件具有參數設置、數據顯示、數據保存與查詢、溫室環(huán)境數據分析、生成報表與打印，控制指令，短信報警等功能模塊。檢測開始前，用戶可通過參數設置模塊對傳感器進行標定，對采樣頻率、串口波特率等參數進行設置；檢測過程中，溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件讀取GSM模塊收到的數據，并以數字儀表的形式顯示溫室的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度，同時可實現數據的存儲、歷史數據的查詢、分析繪制溫室環(huán)境變化曲線以及生成WORD報表、打印等功能；控制指令模塊包含開始采集、停止采集、更改設置等指令，可在工作過程中對數據采集終端進行有效控制；溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件實時對溫室環(huán)境參數進行分析判斷，如有異常變化將及時向相應溫室管理員手機發(fā)送報警短信。

　　溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件的編寫采用美國NI公司開發(fā)的基于C語言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabWindows/CVI，它提供了豐富的串口通信編程函數，并且能很方便的實現數據的讀取、存儲等功能。系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。

　　圖4.溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)主界面

　　6 結論

　　本文集成虛擬儀器技術、單片機技術和GSM無線通訊技術開發(fā)了一套溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)，實現了溫室環(huán)境參數的自動檢測和無線傳輸，監(jiān)控中心可遠程檢測溫室環(huán)境，并可對環(huán)境參數進行深入分析研究，還可對異常情況短信報警。系統(tǒng)成本低，安裝改造方便，可靠性高，適合大范圍推廣。通過傳感器的擴展還可對更多參數進行檢測。

參考文獻:

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[2]. AT89C51 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AT89C51_810155.html.
[3]. MCS-51 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MCS-51_477840.html.
[4]. MAX186 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX186_720987.html.
[5]. DS12887 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/DS12887_1076577.html.
[6]. X25045 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/X25045_722886.html.
[7]. RS-232 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/RS-232_584855.html.
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[9]. MAX232 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX232_1074207.html.