李澍源，馮奇杰，余文泉，曾明海，林壽英

（福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002）

一種家庭澆花遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李澍源，馮奇杰，余文泉，曾明海，林壽英

（福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002）

設(shè)計(jì)一個(gè)基于STC89C52單片機(jī)遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng).整個(gè)遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)的控制運(yùn)行是將溫度、濕度傳感器檢測(cè)到信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)控制命令對(duì)gsm模塊進(jìn)行設(shè)置,這樣用戶不受地理位置的限制在任何可接收到手機(jī)信號(hào)的地方就能接收到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用戶還可通過(guò)發(fā)送短信指令對(duì)系統(tǒng)手動(dòng)或者自動(dòng)澆水進(jìn)行設(shè)置；該系統(tǒng)有就地?cái)z像頭，用戶可以在聯(lián)網(wǎng)的情況下對(duì)花卉實(shí)時(shí)的外觀動(dòng)態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控.

遠(yuǎn)程澆花；STC89C52；gsm模塊；溫度傳感器；濕度傳感器

在現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，人們對(duì)于事物的處理更多采用遠(yuǎn)程控制的方式，這不僅解決了人們?cè)诓煌闆r下可以及時(shí)處理事物的需求，更重要的是讓我們身處異地也能按時(shí)完成某些工作.隨著人們生活水平的提高，種植花卉越來(lái)越受到人們的青睞；花卉不僅可以凈化空氣，而且種植花卉還是許多人陶冶情操.然而對(duì)許多花卉愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，常常因?yàn)槊τ谀承┦虑闊o(wú)法隨時(shí)隨地、不受空間的限制自己種植花卉.如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？對(duì)此類問(wèn)題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程澆花控制系統(tǒng)，它是基于安卓系統(tǒng)上和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對(duì)花卉周圍環(huán)境溫度以及土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)并發(fā)送短信告知用戶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且能遠(yuǎn)程控制進(jìn)行澆花，同時(shí)也能根據(jù)所設(shè)定的條件進(jìn)行自動(dòng)控制澆花.

這樣的一個(gè)遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)，它需要一臺(tái)帶有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的安卓手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)；現(xiàn)如今智能手機(jī)已經(jīng)普及，并且主要以安卓操作系統(tǒng)為主流，所以說(shuō)通過(guò)一臺(tái)安卓智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)成為了可能.[1]這種基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和智能家居發(fā)展過(guò)程中占有非常重要的一部分.

1 系統(tǒng)構(gòu)成及硬件實(shí)現(xiàn)

1.1 整體概述

遠(yuǎn)程控制花卉澆花系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和智能控制，通過(guò)移動(dòng)2G網(wǎng)絡(luò)完成通信；系統(tǒng)具備短信回復(fù)功能，對(duì)用戶不同操作進(jìn)行提示并反饋信息，方便用戶及時(shí)了解花卉各種信息,達(dá)到友好交互方式和智能目的.如圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，本系統(tǒng)采用單片機(jī)STC89C52作為控制核心、GSM模塊作為通信核心，單片機(jī)發(fā)送指令控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)用短信收發(fā).[2]通過(guò)發(fā)短信用戶可以控制澆花和還能收系統(tǒng)發(fā)來(lái)溫度和濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的短信.本系統(tǒng)的攝像頭對(duì)家庭花卉及其生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，戶可以在手機(jī)APP中觀看聯(lián)網(wǎng)可觀看攝像頭拍攝畫面.由于本系統(tǒng)是基于GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其具有成熟、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，故本系統(tǒng)可避免組建網(wǎng)絡(luò)造成的高成本、效果差等諸多問(wèn)題，同時(shí)該系統(tǒng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉上運(yùn)用前景廣、實(shí)用價(jià)值高.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)信息采集部分

1.2.1 攝像頭遠(yuǎn)程監(jiān)控

可以在安卓手機(jī)上安裝攝像頭應(yīng)用軟件，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)在手機(jī)上遠(yuǎn)程觀看家中陽(yáng)臺(tái)的花卉，并且能夠通過(guò)手機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)攝像頭來(lái)觀察系統(tǒng)不同位置，如轉(zhuǎn)動(dòng)攝像頭對(duì)準(zhǔn)水閥門看其是否關(guān)緊，同時(shí)也可以轉(zhuǎn)動(dòng)攝像頭觀察陽(yáng)臺(tái)門窗是否關(guān)緊實(shí)現(xiàn)用此攝像頭進(jìn)行家庭防盜.

1.2.2 濕度檢測(cè)

利用土壤濕度傳感器將培植花草的土壤濕度實(shí)時(shí)傳到手機(jī)，以此作為判斷是否澆水的一個(gè)依據(jù)，若濕度達(dá)不到預(yù)先設(shè)定的最低值說(shuō)明土壤過(guò)于干涸，則需要開(kāi)始澆水；若超出設(shè)定的最高值說(shuō)明土壤濕度已經(jīng)很大，則需要停止?jié)菜?這樣可以防止?jié)菜蛔悖约斑^(guò)度澆水.[3]

1.2.3 溫度檢測(cè)

利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)花草所在環(huán)境的溫度情況.當(dāng)溫度太高時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送短信到用戶手機(jī)，提醒用戶噴水降溫，該溫度傳感器采集到的溫度也可以作為測(cè)量當(dāng)天的溫度.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分，單片機(jī)主控電路，GSM模塊、溫度檢測(cè)電路、土壤濕度檢測(cè)模塊、AD采樣電路等.

2.1 單片機(jī)主控電路

如圖2所示為單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路，單片機(jī)是該遠(yuǎn)程澆花控制系統(tǒng)的核心部件.它需要接收溫濕度傳來(lái)的AD值，并通過(guò)GSM模塊發(fā)送出去，同時(shí)還要接收用戶在手機(jī)發(fā)送來(lái)的控制命令來(lái)對(duì)澆水的閥門進(jìn)行控制.可以說(shuō)，單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)承上啟下的中軸核心部分.[4]

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路

2.2 GSM電路

如圖3所示為SIM900A_GSM模塊，我們通過(guò)RS232串口與GSM模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來(lái)控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能.單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送AT指令對(duì)GSM模塊上的SIM900A芯片進(jìn)行指定操作,AT指令集中包含了對(duì)SMS的控制，所以單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送一系列的AT命令就可以實(shí)現(xiàn)GSM模塊控制SMS信息的收發(fā).這樣溫度、濕度信息就能通過(guò)短信的形式發(fā)送給手機(jī)用戶，同時(shí)用戶可以通過(guò)發(fā)送短信來(lái)對(duì)電磁閥的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)澆水.[5]

2.3 溫度檢測(cè)電路

如圖4所示為溫度檢測(cè)電路，這里我們用到的溫度傳感器為DS18b20,它具有抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高的特點(diǎn)；該傳感器的測(cè)溫范圍可以達(dá)到－55℃～+125℃，可編程的分辨率為9~12位，可以滿足本次實(shí)際的要求.

圖3 GSM模塊

圖4 溫度檢測(cè)電路

2.4 土壤濕度檢測(cè)模塊

如圖5所示為4線制土壤濕度檢測(cè)模塊，工作電壓3.3-5V；該模塊有數(shù)字量和模擬量輸出，本系統(tǒng)采用模擬量輸出.擬量輸出AO和AD模塊相連，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換得更準(zhǔn)確的土壤濕度值.

圖5 土壤濕度檢測(cè)模塊

2.5 AD轉(zhuǎn)換電路

如圖6所示為AD轉(zhuǎn)換電路，該電路采用PCF8951芯片，其功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換，該芯片最大轉(zhuǎn)化速率由I2C總線的最大速率決定.

圖6 AD轉(zhuǎn)換電路

3 軟件通信系統(tǒng)

本次遠(yuǎn)程澆花控制系統(tǒng)微處理器在通信過(guò)程中，需要與PCF8591進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這是使用I2C通信協(xié)議進(jìn)行通信的；微處理器在通信過(guò)程中還需要與藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這里我們是使用UART通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，GSM模塊的通信需要通過(guò)單片機(jī)將向GSM的發(fā)送一系列的的AT命令實(shí)現(xiàn).[6]

3.1 IIC通信協(xié)議

I2C總線是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信時(shí)只需兩條總線，串行時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA.串行雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率分為標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和高速模式.標(biāo)準(zhǔn)模式下速率可達(dá) 100Kbps，快速模式下可達(dá)400Kbps，高速模式下可達(dá)3.4Mbps.根據(jù)I2C特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了快速模式，在通信開(kāi)始前，主機(jī)首先發(fā)送起始條件，在沒(méi)有出現(xiàn)停止條件時(shí)總線被認(rèn)為是忙的狀態(tài).當(dāng)出現(xiàn)停止條件后總線處于空閑狀態(tài).

3.2 UART通信協(xié)議

UART通信需要兩條總線RXD和TXD,對(duì)于UART通信我們使用了STC98C52RC處理器的硬件UART，在通信前只需配置UART通信參數(shù)即可通信,在程序里我們配置微處理器和GSM模塊的通信波特率為9600bps.

3.3 AT指令

AT指令集是從單片機(jī)向GSM發(fā)送的.其對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小有定義：即對(duì)于AT指令的發(fā)送，除AT兩個(gè)字符外，最多可以接收1056個(gè)字符的長(zhǎng)度（包括最后的空字符）.每個(gè)AT命令行中只能包含一條AT指令；對(duì)于由終端設(shè)備主動(dòng)向PC端報(bào)告的URC指示或者response響應(yīng)，也要求一行最多有一個(gè)，不允許上報(bào)的一行中有多條指示或者響應(yīng).AT指令以回車作為結(jié)尾，響應(yīng)或上報(bào)以回車換行為結(jié)尾.GSM模塊中SIM900A的AT指令支持IRA字符集.

在微型處理器中用三條TA指令A(yù)T+CMGF=1、AT+CSCS="GSM"、AT+CMGD=1,4初始化.設(shè)置發(fā)短信號(hào)碼AT+CMGS="157****0841".微型處理器根據(jù)設(shè)置的電話來(lái)發(fā)送短信.

4 軟件總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)是根據(jù)如下程序流程設(shè)計(jì)的，首先開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)先初始化是將各個(gè)子程序進(jìn)行初始化設(shè)置、各個(gè)內(nèi)存單元進(jìn)行初始化賦值，然后通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路將溫、濕度的值采集進(jìn)來(lái)并通過(guò)GSM模塊發(fā)送到手機(jī)用戶.用戶可以設(shè)置手動(dòng)模式，通過(guò)接收的實(shí)時(shí)溫、濕度實(shí)時(shí)值，自行在手機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，選擇是否澆水；用戶也可以設(shè)置自動(dòng)控制模式，讓系統(tǒng)根據(jù)溫濕度自動(dòng)進(jìn)行澆花，當(dāng)土壤濕度低于預(yù)設(shè)值時(shí)進(jìn)行自動(dòng)澆水或者環(huán)境溫度高于預(yù)設(shè)值時(shí)進(jìn)行自動(dòng)定時(shí)澆水控制，無(wú)需澆水時(shí)就關(guān)閉電磁閥.通過(guò)這樣一個(gè)循環(huán)監(jiān)控流程實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭陽(yáng)臺(tái)花卉澆花的遠(yuǎn)程遙控控制.[7]

5 測(cè)試與調(diào)試

首先我們?cè)谑褂萌f(wàn)用表進(jìn)行部分測(cè)量,保證元件的焊接不虛焊，測(cè)量沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后我們編寫了各個(gè)硬件的驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)通信、顯示等方式確認(rèn)硬件連接正確.軟件編程模塊化，需要先對(duì)各個(gè)子模塊功能進(jìn)行軟件調(diào)試，其調(diào)試過(guò)程與硬件調(diào)試過(guò)程類似,軟件部分程序的編寫和調(diào)試是經(jīng)過(guò)多次修改和調(diào)試，最終使得軟硬件的實(shí)現(xiàn)效果達(dá)到最初預(yù)期的要求.

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是遠(yuǎn)程澆花控制系統(tǒng)，是基于STC89C52單片機(jī)的控制系統(tǒng)，通過(guò)土壤濕度傳感器和溫度傳感器檢測(cè)土壤濕度和環(huán)境溫度，利用GSM模塊將溫、濕度數(shù)據(jù)通過(guò)短信發(fā)送給用戶；用戶通過(guò)發(fā)送短信來(lái)對(duì)電磁閥開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)花卉的澆水控制；該系統(tǒng)中還利用攝像頭對(duì)花卉進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)用戶在手機(jī)APP上可以直觀看到花卉的生長(zhǎng)狀況和周圍的情況.這個(gè)系統(tǒng)解決了許多用戶因?yàn)樯硖幃惖夭荒芗皶r(shí)對(duì)植株進(jìn)行澆水的問(wèn)題，這體現(xiàn)了現(xiàn)今社會(huì)的進(jìn)步性，這種智能化的遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)滿足了人們隨時(shí)隨地監(jiān)控自己所種植花卉的需求，這種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)也是未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)所在.

〔1〕張兆朋.基于AT89S52的家庭智能澆花器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(5):39-41.

〔2〕陳凱，金紅.一種室內(nèi)自動(dòng)澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科研教學(xué)，2013（11）.

〔3〕李克訥,韋昌勇,徐劍琴.基于AVR單片機(jī)的盆栽自動(dòng)澆水系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(6):213-216.

〔4〕陳立剛,馮偉偉,周智穎,等.基于Android客戶端GSM短信模塊的遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016（01):165-168，650-651.

〔5〕吉王得燕.基于GPRS的手機(jī)遠(yuǎn)程控制澆花裝置[J].四川兵工學(xué)報(bào),2013,34(11):113-115，119-122.

〔6〕劉川,張小成,高進(jìn)淵,等.智能自動(dòng)澆花系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)研究[J].科技視界,2015(18):87-88.

〔7〕趙麗,張春林.基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2012,22(6).

TP399

A

1673-260X（2016）11-0021-03

2016-08-05

林壽英，（1965.4-），女，福建福州人，福建農(nóng)林大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：自動(dòng)控制和應(yīng)用電子研究