1. 引言
我国温室大棚的应用越来越广,根据农业生产的实际需要,研究设计温室大棚信息采集系统,对于温室大棚信息采集的智能化和实时监测自动化,实现土壤诊断、合理施肥灌溉、调温以及遮阳补光等具有重要的意义 [1] 。
基于GPRS的温室大棚信息采集及控制系统的设计,通过温度传感器、湿度传感器、CO2传感器和光敏传感器采集大棚内温度、湿度、CO2浓度和光照强度等信息,由STC
89C
52单片机(下位机)分时循环收集各传感器信息并实时由GPRS模块发送到管理员室的PC机(上位机) [2] ,管理员可以通过PC机实时查询大棚的相关信息。
PC机可以对采集的信息自动数据处理,做出相应的控制,如通风设备、喷淋装置、遮阳网等装置的打开或关闭;可以定时对多个大棚数据采集和保存,保存的数据有时间记录,这便于对各批次作物成长的分析。管理员可以通过pc机对大棚环境参数值适时调整设置,实现闭环控制,对不同季节、不同农作物进行环境参数的调整,实现对大棚的高效管理 [3] [4] 。
本设计大棚内单片机系统(下位机)采用模块化的设计思路。使用STC
89C
52作为控制核心、无线传输模块使用GTM900C GPRS模块,液晶显示使用LCD12864等元器件,设计出的硬件系统使用简单,功耗低,性价比高 [5] 。
2. 系统硬件设计
2.1. 系统结构
系统结构主要由传感器、单片机及GPRS模块(下位机)和数据中心PC机(上位机)四部分组成如图1所示。通过各传感器把采集到的信息传送至单片机,单片机把接受到的信息通过GPRS模块传输到PC机上,然后再由PC机对这些信息进行分析处理 [6] [7] 。其中一台PC机可以访问多个GPRS模块,从而实现多个温室大棚的分时控制,形成一对多的温室大棚测控系统。
2.2. 硬件结构原理
硬件电路主要由信息采集、数据收发控制、信息显示、系统控制四部分组成。其中信息采集主要由温湿度传感器、光照强度以及CO2浓度传感器组成;数据收发控制主要由GPRS模块和PC机组成;信息显示由LCD12864组成;系统控制主要由单片机和PC机构成;其系统结构框图如图2所示。通过温度传感器、湿度传感器、光敏传感器以及CO2浓度传感器把采集到的信息传送至MCU和GPRS模块单元,单片机把处理好的数据在通过串口发送至GPRS模块,由LCD12864显示采集的信息,在由GPRS模块与PC机进行联通,并由GPRS模块发送至Internet网络,PC机通过访问Internet得到数据。对这些采集到的信息,PC机可以进行分析,并做出相应的控制,如打开或关闭通风设备、喷淋装置、化学反应
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Figure 2. The MCU system block diagram
图2. 单片机系统结构框图
装置和遮阳网等。
其中温湿度传感器是利用到了单片机的P3.7引脚进行单总线数据信息的采集和传输,光照强度传感器是利用了单片机的P3.6和P3.5两个引脚通过I
2C
总线进行数据的采集和传输,GPRS模块利用单片机的P3.0和P3.1两个引脚进行串口通信。
温湿度传感器选用DHT11,具有响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点;
光照强度传感器选用BH1750FVI,是一种数字型光强度传感器集成电路,它支持I
2C
总线接口,具有高分辨率,抗干扰能力强;
CO2传感器选用VC1008T,其精度高、性能稳定;
GPRS模块选用华为GTM
900C
双频900/1800 MHZ,其内嵌TCP/IP协议模块,使用简单,设计成本低。GTM
900C
模块的工作原理图如图3所示。
3. 软件设计
程序编写主要包括信息采集和显示,单片机和GPRS的串口通信,以及控制GPRS实现联网和发送数据的功能 [8] [9] 。
3.1. 系统程序流程图
系统主程序流程图如图4所示。
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Figure 3. GTM900C working principle diagram
图3. GTM
900C
工作原理图
3.2. 单片机部分程序
LCD12864显示流程图、向BH1750发送单个字节流程图和连续读取数据及储存流程图如图5所示。
3.3. 单片机通过串口向GPRS发送AT指令到网络
通过单片机和GPRS进行串口通信,把单片机采集的信息发送到上位机,其程序流程图如图6所示。
3.4. PC接收数据程序
接收数据程序流程图如图7所示。
编译程序生成应用软件后,服务器接收界面如图8所示。
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Figure 7. The host computer (PC) flow chart
图7. 上位机(PC)流程图
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Figure 8. The host computer (PC) flow chart Interface Figure
图8. 上位机(PC)界面图
4. 整机调试
4.1. GPRS串口联网的测试
依次在GSM串口调试助手程序界面输入以下AT指令,若板子正常且连网成功,且能够在TCP/UDP Socket调试工具中显示发送的数据(http),显示如图9和图10所示,说明板子正常,能够正常连网和发送数据。
AT + CGDCONT = 1, IP, CMNET
AT%ETCPIP
AT%IOMODE = 0, 2, 0
AT%IPOPENX = 1, TCP, 111.164.240.229, 1001
AT%TPS = 1, 1, 3000, 1024
http
本系统通过温湿度传感器、光照强度传感器以及CO2浓度传感器采集信息并传送至单片机,由单片机屏显采集的信息,经GPRS模块串口通信,把采集的信息发送至上位机,上位机对接收到的信息进行相应的信息处理及管理。
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Figure 9. GPRS Networking test serial debugging assistant figure
图9. GPRS联网测试串口调试助手图
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Figure 10. GPRS network test PC receiving diagram
图10. GPRS联网测试上位机接收图
4.2. GTM
900C
模块连接Internet网络的测试
第一步:连接电源线;将串口线的端口一端与板子的端口相连,另一端与电脑的串口端口相连。如图11所示。
第二步:插入SIM卡,如图12所示。
第三步:打开电路板电源,红灯亮,黄灯闪。
第四步:打开电脑中的GSM串口调试助手程序。
第五步:在GSM串口调试助手程序界面打开串口,依次点选GSM调试专用栏的几个按钮,若板子正常,则显示如图13所示。
4.3. 单片机控制显示数据测试
将温湿度传感器、光敏传感器和LCD12864插入所设计的板中,将调试好的程序烧写入单片机,打开电源开关,液晶会显示如图14所示的值,说明硬件和软件都测试成功了。
4.4. GPRS传送数据测试
将GPRS模块与单片机通过串口连接好后,打开上位机,设置好端口和IP,将调试好的程序烧写到单片机。打开GPRS模块和开发板电源,查看上位机是否与下位机联上网。如果联上网了,上位机将接
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Figure 11. GTM900C module card module diagram
图11. GTM
900C
模块
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Figure 12. Inserting the SIM program interface
图12. 插入SIM卡模块图
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Figure 14. MCU control display data test chart
图14. 单片机控制显示数据测试图
收到下位机发送的数据,同时会将接收到的数据在相应的窗口显示,在对接收到的数据进行分析处理后将对下位机进行相应的控制。测试成功,上位机屏显如图15所示。
5. 结语
通过硬件系统、软件系统、GPRS模块的设计,实现了温室大棚环境参数的采集、显示、传输、接收和控制。取得的主要结果如下:
1) 对GPRS模块提出的组网方案,能够符合设计要求,很好的实现了各项功能。
2) 大棚内单片机系统设计采用模块化的思路。使用STC
89C
52作为控制核心、无线传输模块使用GTM900C GPRS模块,液晶显示使用LCD12864等元器件,设计出的硬件系统使用简单,功耗低,性价比高。
3) 用C语言编写的程序简单方便。程序主要包括信息的采集和显示、单片机和GPRS模块的串口通信以及GPRS联网和数据传输的程序,以及用VB语言编写的PC机程序。
4) 经测试,上位机(pc机)定时对多个大棚数据采集和保存,保存的数据有时间记录,这便于对各批次作物成长的分析。自动定时采集数据,每30分钟对各大棚循环采集存贮一次,这样设计使数据存贮量不会太大又达到监控的效果。
5) 本设计同时可以随时通过pc机键盘手动采集数据和操作大棚的控制系统。