基于GSM的数据采集与温室控制系统的开发外文翻译资料

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基于GSM的数据采集与温室控制系统的开发

摘要：

本文介绍了一种基于GSM的温室气候参数短信控制电子系统的设计与实现。设计该系统的主要目的是对影响温室生产的气候参数（温度、空气相对湿度和土壤水分）进行远程控制。把传感器和执行器被安装并连接到管理卡和采集卡。通过短信，这些传感器提供了用于控制通风、加热和泵等相关信息。我们系统中使用的程序为业主提供了远程控制功能，而不需要到现场执行控制操作。本文开发的系统非常适合摩洛哥的农业温室。系统易于安装和使用，农民不需要具备任何电脑技术。另外，大多数人都使用手机通讯和发送信息，因此，有了我们的系统，所有的农民只需要一条简单的短信就可以远程控制他们的温室。他们可以随时获知温室的气候参数值（温度、湿度等），也可以随时控制执行器（风扇、加热器、通风孔、滴管等）来调整这些参数。因此，我们已经利用LabVIEW软件开发了一套图形界面，用于本地数据采集。PC机通过PCL812PG采集卡存储所有的监测到的数据。

关键词：传感器，温室，微控制器，GSM，控制，监控。

1. 介绍

温室产业是全球增长最快的产业。温室将作物与环境隔离开，从而提供了一些庇护使之不受外部气候条件的影响（Tantau, 2003; Ruiz-Garcia, 2009）。这就让一些无法在特定区域生产的作物得以生产。温室围栏使得作物生长环境可操控。这一优点让农民可在一个理想的方向上引导种植。这使得作物产量提高，生产周期延长，质量更好，更少的使用保护性的化学品。温室作物单位面积的附加值远远高于露地栽培。在温和的气候带，能量是必要的，而在干旱地区，冷却水的可用性是主要关注点（Baille et al, 2001; El Fadl et al, 1996）。

温室可调节部件的使用，如加热和冷却输入、开窗、滴灌、筛选和二氧化碳用量等，都会影响材料和能源的利用以及作物的产量和质量。因此，可以预期到这些控制措施的运作方式会影响最终的经济效果（Campagne, 1997; Dussion, 1989; Choukr-allah, 1996; Urban, 1997）。为了充分利用温室中的作物和资源管理的增强的可能性，使用全球移动互联系统，通过短信远程自动控制系统来调整和控制变量是必不可少的（Adedjouma et al, 2006; Hayat Khiyal et al, 2009; Ramamurthy, 2010）。

这是因为对于人来说每天都在系统附近操控系统是一件难事。事实上，由于移动通信的不断发展，远程通信系统成了现代化和技术转让政策的主要组成部分。一想到电信通讯技术中的全球移动互联系统，就会立刻想到：

1. 语音通信；
2. 发送、接收短信；
3. 移动互联网。

很明显，在使用这种技术提供的这些服务时，可以使用移动互联网络远程控制和监控系统（Li et al, 2010; Pawlowski et al, 2009; Romaguera, 2010）。移动通信是集成了各种用于家庭自动化，工业应用的复杂系统的处理和远程监控的应用程序，但也在安全系统，保护人身和财产安全方面有所应用。在温室中的大多数物理变量可以通过自动传感器测量。这适用于温度、土壤湿度和相对湿度。也可以使用传感器测量最重要的干扰因素，包括外部温度、外部相对湿度、风速和太阳辐射。也可以用于检测降雨量，虽然不长用于此。当环境发生变化时，所提到的物理变量定期的进行数据采样和数据存储。此外，原则上，控制的输入量是已知的，尽管这些重要数据并不总是会被记录。总体而言，测量为温室作物系统的物理部分提供了的相当不错的输入输出画面。我们为摩洛哥的温室生产的发展做出了贡献。本文介绍了一种基于单片机电子系统的设计和开发，集成了基于GSM网络的远程控制功能（Adedjouma et al, 2006）。该系统允许在农业温室中获取不同的气候参数。此外，该电子系统通过发送短信来实现温室控制和远程监控的解决方案，特别用于滴灌站。该系统还包括串行电缆，GSM，条件传感器卡，电源接口和微控制器。需要一个已近激活的SIM卡来发送和接收短信。我们已经利用LabVIEW软件开发了一套图形界面，用于本地数据采集，PC机通过PCL812PG采集、监控并存储所有的数据。该接口具有高可靠性，使用灵活性，交互性和实时处理所有数据的能力。 我们的系统有几个优点：

1. 用户友好；
2. 容易使用；
3. 汇总主要的参数；
4. 使用GSM移动电话（易于获得）；
5. 在摩洛哥短信费用便宜；
6. 网络覆盖（摩洛哥现有的3家运营商覆盖所有区域）。

2、功能框图和系统描述

图1显示了整个系统的功能框图。展现出了所有主要的子系统块和与其他模块之间的连接关系。框图由：

1）数据采集卡采集各种气候参数；

2）执行器（加热器、通风设备、断开、阀门）控制卡；

3）管理卡包含MAX232电平转换器/逆变器和微控制器

4）具有集成调制解调器的移动电话（GSM），使系统能够在网络的整个覆盖范围内进行远程控制和监控；

5）移动用户和个人计算机（Benghanem,2009）。

通常执行基于命令（AT）的内容的身份验证以确保安全，同时允许使用任何电话。远程功能如下：

1）开启、关闭通风面板；

2）跳闸/切换灌溉阀；

3）打开/关闭通风和加热器。

系统发送给用户的短信依次用于通知所有检测信息或确认控制行为。所有的传感器和执行器通过数据采集卡PCL821PG连接到电脑控制系统。使用国家仪器公司的labview开发了一套图形化用户界面用于采集和监视温室内外的各种气候参数。Labview完全版价值2699美元。

图一：系统功能框图

3、硬件

在温室系统中使用的块卡的详细说明如下：

3.1测量卡

图2显示了整个测量卡的电路图。该卡用于测量或检测温室内外的气候参数。

图二：测量卡的电子电路。（a）温度传感器和相关电路调节器；（b）相关湿度传感器；（c）土壤湿度检测仪电路图；（d、e）沉淀探测器和探头加热。

对于温度测量，我们的选择使用的传感器是LM35DZ，当温度为25℃时典型精度为0.4℃，灵敏度为10mV /℃。当使用长电缆（屏蔽）将传感器与电路连接时，要在输出引脚和基地引脚之间加上R1和C1构成的滤波器（R1=10Omega;，C1=1uF）。调理电路由滤波器和无反相放大器组成。电路的输出电压随温度变化的变化方程如下：

（1）

T的单位为摄氏度，Vout单位为伏特。

HIH-4000-001湿度传感器用于测量相对湿度。测量的范围为5%到95%。使用该传感器的校准曲线，使用以下公式（霍尼韦尔传感器）：

（2）

RH单位为%，Vout单位为伏特，Vsupply=5V。

可以通过基于电容式探头的电子电路来检测土壤水分。因此，这种电容探头的原理是基于介电常数变化能力。电路调节器由一个NE555不稳定的多谐振荡器和一个LM2907N频率电压转换器组成（Vout5 = fIN x VCC x P2 x C4）。足够用于测量电路调节器的输出电压来估计浇水量（Bouchikhi et al, 2004）。根据地下含水状态，当Vout5电压超过4 V（干土）时，灌注站的螺线管通过SMS打开，当Vout5达到2 V（湿土）时，通过SMS关闭。使用的降水传感器IBR273（lextronic）基于电容原理。传感器的敏感元件的容量取决于水滴的润湿表面。（100 pF时湿度从10%开始）。因为它可以快速响应，所以是最适合的传感器。加热电阻式42Omega;时传感器对湿度不敏感。一种NTC类型的温度传感器在25℃时阻值为1000Omega;。电容式探头与可变频率振荡器相关联（A或非B）。第二个振荡器（C或非D）产生10 kHz和50％占空比的方波频率。设计两个组合振荡器，通过门电路“E或非F或非G”产生脉冲宽度调制信号。它用于转换电压频率（C3, R3, C4 and P1）。我们使用比较器获得阈值由电位器P2调节的逻辑信号（0 V：下降，5 V：不存在降水）。此设备安装在户外气象站以检测降水。简单的雨“网格”表示降水的存在或不存在，但不表示体积。这种简单的传感器通常用于在下雨时关闭或者限制屋顶通风口和可伸缩屋顶。开发的降水检测器在其感应面上检测到雨滴后能够通知微控制器。

3.2控制卡

控制卡的电路如图三所示。控制卡用于控制温室设备（电磁阀，泵，加热，风扇和直流电动机）。基于三端双向可控硅开关元件TBA16A / 600B的PIC16F877通过集成电路ULN2803控制静态继电器的输出。ULN2803A包含八个具有共射极和感性负载的积分抑制二极管的达林顿晶体管。k3021p6的引脚塑料双列直插式封装中包含了由光敏光耦合到一个砷化镓红外发光二极管。k3021提供ULN2803和硅之间的电隔离。LED指示灯D1展示了微控制器输出信号的状态。图3显示了控制直流电机的电路接口，确保屋顶的开启和关闭。电动机旋转的反转由两个继电器和两个开关晶体管2N1711提供。

图3 控制卡电路图 （a）静态继电器（b）直流电机电路接口

3.3滴灌站

滴灌站（图4）包括电动泵、过滤系统、流量指示器、气囊、带有自动控制阀的调速器、电磁阀和排水管。抽水站用于把井里的水抽进水箱。泵按每分钟水量的要求和管道所需的压力来选择。对该泵的操作取决于于水箱中的水位。过压将确保管道内的水分布有足够的压力。压力计测量灌溉系统中的水压。滴灌站安装在科学院（梅克内斯，摩洛哥）。一个典型的应用是一个远程泵，此泵通常用于供水和灌溉系统。通过短信控制灌溉，使用短信指令可以停止，启动或运行泵和电磁阀（Dae-Heon et al, 2011; Jiang et al, 2009; Ozdogan et al, 2010）。

图4 滴灌站

3.4管理卡

管理卡如图5所示。PIC16F877单片机采集到的数据发送到GSM与RS232串行接口。由于RS232与今天的微控制器不兼容，我们需要一个线路驱动器或电压转换器转换RS232信号到TTL电压电平。其中有种转换器是MAXIM公司的MAX232。MAX232转RS232电平到TTL电平。该芯片的一个优势在于：它使用一个5伏的电源，这与单片机的电源电压相同。换言之，一个5 V的单电源可以同时用于的MAX232与单片机供电，无需在许多旧系统普遍存在的双电源。MAX232有两套传送和接收数据的线驱动器。在建议的系统中，我们使用了一个标准的GSM手机与集成调制解调器和适当的电缆连接到PIC串行接口。现在的SMS / MMS网关支持所有ETSI GSM 07.05规范中定义的用于发送/接收SMS消息的“扩展AT命令集”的手机。

图5 管理卡

3.5多功能卡PCL812PG

其主要特点是16个单端模拟输入通道，12位分辨率，16位I / O通道，2个模拟输出通道和1个内部可编程定时器/计数器（Advantech，1994）。一些其他实验传感器和执行器通过PCL812PG直接连接到计算机系统。我们收集了温室内外安装的不同传感器的数据。

4．软件

4.1通过短信实现远程控制和通信

通过GSM调制解调器使用一些简单的AT命令行程序访问GSM手机。使用GSM的ETSI GSM 07.07, ETSI GSM 07.05等标准读取，写入，发送和接收短信。集成在系统中的微控制器和GSM终端之间通过异步串行RS232实现通信（Adedjouma and al, 2006; Benghanem, 2009）。命令AT CNMI=1，1将GSM模块配置为微控制器系统指示新文本到达响应帧lt;CRgt; lt;LFgt; CMTI: lt;memgt;, lt;indexgt; lt;CRgt; lt;LFgt;。SMS使用命令AT CMGR=lt;indexgt; lt;CRgt;读取。终端回复lt;CRgt;lt;LFgt; CMGR: 'REC READ'，'sender number', 'AA/MM/JJ, hh:mm:ssplusmn;zz'lt;CRgt;lt;LFgt;。消息主体是：lt;CRgt; lt;LFgt; lt;CRgt; lt;LFgt;OKlt;CRgt;lt;LFgt;. (zz =time zone)。我们只需要从整个接收到的帧中提取有用的信息到我们的应用程序。通过短信接收的指令来识别之前的消息的字符的映射。

4.2远程控制程序的流程图

图6示出了全局远程控制过程的流程图。管理卡用于两项必要的任务：通过GSM网络进行命令和远程控制。为此，按照非常具体的语法开发了两个控件，以便与GSM可以接收到的消息的通常内容区别开来。这样可以减少收到不安全的“垃圾邮件”短信的风险，例如短信宣传。

图6 远程控制程序的流程图

4.3虚拟仪器

在本节中，用户能够以非常方便的方式就地监控工厂，在个人电脑中通过图形用户界面展现出细节部分。我们使用labview软件开发了虚拟仪器（VI），重新分组了以下功能：

1）获取和数据记录；

2）实时显示和处理信息；

3）执行器指令。

VI的前面板如图7所示。驱动软件使我们能够修复两个温度阈值，在我们的示例中，根据工厂的气候需求，我们选择了温度阈值。温度低=20℃，温度高=25℃。因此，当温度低于20℃时，加热系统接合。另一方面，当温度高

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