方案，利用STC89C52单片机和多种传感器进行数据采集，设计了智能大棚环境控制系统，从而实现了大棚温湿度、二氧化碳浓度监测和越限报警的功能。同时，利用GSM模块，结合手机APP，达到对大棚环境的实时远程管理。本系统实时性好，操作方便，工作稳定，具有较大的市场应用前景。
关键词：单片机；GSM短信模块；环境监测
引言
随着社会市场经济不断的发展，农业产业化、现代化发展趋势日益显著。党的十八大关于农业信息化方案中强调：充分利用现代信息技术改造传统农业，以不断提高农业资源利用率和劳动生产率，推动农业发展向集约型、规模化转变，提升农业现代化水平。目前，温室大棚的数量随着反季节蔬菜的需求量增加而不断增长，传统的温湿度控制方法只能进行简单的监测和报警，不能及时调控大棚温度和湿度，不仅费时费力，而且效率低下[1-2]。目前，有相关研究采用ZigBee无线通信技术进行温室大棚监控[3-4]，但是这一方法存在传输距离短、无线传输路由复杂经常出现数据丢包等问题。文献[5]采用GPRS技术实现远距离农业大棚智能监控系统的设计，但人机交互性还存在一定的局限性。因此，开发一套功能完善的蔬菜温室大棚智能控制系统，将具有良好的经济效益和社会意义。
文章研究的基于单片机的智能大棚环境控制系统方案，能够实现环境参数的实时显示，同时充分利用现有的GSM网络，完成感知节点与移动终端的数据传输，通过手机APP实现远程控制，更具人性化，可靠性、灵活度更高，利于管理，以提高大棚作物的产量。
1 工作原理
本系统以STC80C52单片机为核心，通过传感器进行数据采集，然后通过单片机处理数据，将采集的数据显示在LCD1602液晶显示模块上。通过对不同参数设定不同阈值，当系统参数超过阈值时就进行声光报警，同时利用GSM网络，以短信形式通知移动终端，实现远程监控。
2 系统硬件设计
系统采用模块化设计，由单片机、传感器、控制装置、GSM模块等组成“人机智能监控”系统。系统总体方案如图1所示。该监控系统充分利用GSM手机通信模块、温度控制模块、湿度控制模块、CO2浓度控制模块和液晶显示器，实时测量温室大棚中的环境参数，测量结果可以通过短信通知工作人员。参数异常时，可利用短信控制相关设备，直至温室大棚中的此项参数恢复正常值。在Android平台上开发的、用于监测数据的APP，实现了智能终端硬件和软件的分离，从而极大地扩展整个系统的功能。
2.1 系统总体结构
以单片机为控制核心，采用温湿度、二氧化碳浓度测量技术，通信技术，控制技术等技术，以温湿度传感器、二氧化碳传感器作为测量元件，构成智能大棚监测控制系统。主机模块由STC89C52、电源、时钟电路等组成。信号采集模块由传感器电路、信号处理电路、A/D转换器等组成。主要器件有：单片机STC89C52、GSM模块SIM900A、温度传感器DS18B20、湿度传感器SHT11、CO2传感器TGS4160、液晶显示LCD1602等。
2.2模块设计
2.2.1 GSM模块
GSM模块采用工业标准接口和SMT封装，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输，采用ARM926EJ-S架构，性能强大，可以内置客户应用程序。由于短消息具有实现简单、通信成本低、保密性好、直接面向用户手机、且不受地域限制等特点，是目前利用最为广泛的通讯方式。在该报警系统中，将用户手机作为接收终端，当大棚内温湿度、CO2浓度超过预设值时，手机会自动收到一条来自智能报警系统的报警短信，并对此进行数据反馈，这样便可实时、可靠、快捷的实现远程报警。
2.2.2 温度检测模块
温度传感器采用了DS18B20，它能够将温度直接转换成数字信号， 可以通过一根数据与单片机进行通讯，不需要外加模数转换电路，测量温度范围为-55～-125°C，在-10～85°C范围内，精度为±0.5°C，完全可以满足蔬菜大棚的温度要求。
2.2.3 湿度检测模块
采用SHT11传感器进行湿度检测，SHT11具有数字式输出、免调试等特点，信号的调理都在芯片内部完成，节省I/O口线和A/D器件，监测准确、稳定性好，实现了对温湿度参数的测量。
2.2.4 CO2浓度检测模块
CO2浓度传感器采用TGS4160，它一种固态电化学型CO2传感器，该器件除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性强等特性外，同时还具有耐高湿和耐低温等特点，测量范围可达0～5000ppm。另外该传感器模拟输出端输出的电平值跟CO2浓度值保持良好的线性关系，比较适合蔬菜大棚内部CO2浓度的检测。
2.2.5 A/D转换模块
A/D转换器采用ADC0809，是8位逐次逼近型A/D转换器，带8个模拟量输入通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。典型时钟640kHz，单电源5V电压下工作，测得的CO2模拟信号通过模数转换后输入到单片机中进行相应的处理。输出控制通道由继电器、空调、CO2发生器、声光报警转置等组成。
2.2.6 液晶显示模块
人机交互部分由LCD组成，采用的是LCD1602，该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器、小型设备的显示领域，通过编程实现三组参数的滚动显示。同时我们利用单片机的串口连接GSM模块，实现大棚终端与手机的数据交换，并开发手机APP，能够实现远程获取数据和对环境的远程管理。
2.2.7 报警电路
报警功能根据农作物种类、生长周期和季节的变化预先设定合适的阈值，超出阈值时，二极管和蜂鸣器导通，发出警报。
3 软件设计
工作人员开机后，系统可以根据已经设定好的温湿度和CO2浓度对大棚中的环境进行自动的调节。首先系统实时监测环境中的温湿度和CO2浓度值，在LCD液晶屏上实时滚动显示，同时也可以进行相应的调节。如当CO2浓度低于我们设定的最低值时，系统开启CO2发生器提高环境中的CO2浓度，反之则启动风扇，减小其浓度。系统软件设计流程图如图2所示。
为了安全起见，防止工作人员不在现场时作物因环境剧烈变化而导致农作物死亡，当环境剧烈变化时，系统会开启声光报警系统，同时会通过GSM模块向已设定的工作人员发送环境参数及报警信号，以便工作人员能及时采取措施。另外当自动调节系统故障时，工作人员还可以利用APP终端实时获取大棚内环境参数，并通过APP向单片机发送控制信号来远程控制大棚环境，真正的实现蔬菜大棚的智能化、远程化管理。
4 结果分析
该系统利用物联网技术，实时远程获取温室大棚内部的空气温湿度、土壤水分温度、CO2浓度，通过远程通信控制，远程或自动控制并调整温度、湿度、CO2浓度，保证温室大棚内环境最佳，为作物高产、优质、高效、生态、安全创造条件。充分发挥物联网技术在设施农业生产中的作用。
当大棚中出现温度、湿度、CO2含量低于（高于）监测范围时，系统警报灯亮，并通过GSM模块实现远程告知用户，通过远程控制采取有效的应急措施，使监控效果更灵活。
5 结束语
文章所设计的智能大棚环境控制系统是一个针对蔬菜、果物等大棚环境的在线实时监控系统，用来实现对大棚参数的监测、报警与控制，具有远程控制、测量准确、安全性好、适用性强、交互性好等优点。该系统可对大棚农作物的生产环境进行及时、适当的控制，利于作物的生长发育，有助于提高作物产量。
参考文献
[1]张玉峰.基于单片机的蔬菜大棚温度控制系统设计[J].农机化研究，2010，32（3）：150-153.
[2]马骏.蔬菜大棚温度电控系统的模糊控制研究[J].中国农机化学报，2015，36（1）：128-131.
[3]沙国荣，赵不贿，景亮，等.基于ZigBee无线传感器网络的温室大棚环境测控系统设计[J].电子技术应用，2012（1）：60-62，65.
[4]曹新，董玮，谭一酉，等.基于无线传感网络的智能温室大棚监控系统[J].电子技术应用，2012，38（2）：84-87.
[5]李明军，尹文明.基于GPRS的大棚智能监控系统[J].电子技术应用，2006，32（8）：83-85.
作者简介：丁童彤（1995-），女，本科生，主要研究方向：单片机系统。
刘璐（1995-），男，本科生，主要研究方向：单片机系统。
尚庆民（1995-），女，本科生，主要研究方向：单片机系统。
杜春赛（1995-），男，本科生，主要研究方向：单片机系统。
*通讯作者：楼旭阳（1982-），男，博士，副教授，主要研究方向：复杂控制系统理论及应用。
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