毕业设计（论文）-基于物联网的温室监控系统.doc

菏泽学院Heze University本科生毕业设计（论文）题目 基于物联网的温室监控系统 姓名 系 别 物理与电子工程系 学号 专业 电子信息科学与技术 指导教师 职称 讲师 2014 年 05 月30日菏泽学院教务处制目录 摘要1关键词1Abstract1Key words1引言11系统方案论述22 系统硬件电路设计22.1控制器模块22.2 空气温湿度采集模块42.3 光强测量电路模块42.4 土壤湿度测量电路模块52.5二氧化碳测量电路模块 62.6显示电路模块 72.7 报警电路模块82.8 通信电路模块82.9 控制电路模块 82.10电源电路模块 103 系统软件设计103.1 GSM通信模块软件设计114 结论13参考文献13附录A14致谢 15基于物联网的温室监控系统 基于物联网的温室监控系统摘要：基于物联网技术的温室监控系统以单片机AT89S52为核心控制模块，利用相应的传感器监测温室环境变化，即利用SHT10数字式温湿度传感器、FDS-100型土壤水分传感器、SH-300-DH二氧化碳传感器、TSL2561光照强度传感器分别测量温室的空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度，利用GSM网络的短信收发功能，在数据采集点建立快捷的数据通信通道，将结果通过短信息的形式发送到人们的手机上，通过手机达到对温室环境控制的目的。该系统实现了参数的自动采集和无线传输，降低了测量的工作量、节约成本、提高效率，对现代温室农业的发展起到了一定的推动作用。关键词： AT89S52；传感器；GSM Greenhouse monitoring system based on Internet of things Student majoring in Science and Technology of Electronic Information Shiwenzheng Tutor ZhaoguanghuiAbstract:Based on the content of the networking technologies greenhouse canopy control system by AT89S52 single chip microcomputer as the core,using sensors to monitor the greenhouse environment changed.Using SHT10 digital temperature and humidity sensor, FDS-100 soil moisture sensor, SH-300-DH carbon dioxide sensor, TSL2561 light intensity sensor measured the greenhouse air temperature and humidity, soil moisture, carbon dioxide concentration and light intensity,using the SMS function of GSM network ,in the data acquisition point to establishment efficient data communication channel,through the short message form to send the results to the mobile phone,through the mobile phone to control the greenhouse environment .This system has realized the parameters of automatic data collection and wireless transmission ,reduces the measurement workload, reduce costs and improve efficiency,has played a certain role in promoting the development of modern greenhouse agriculture. Keyword: AT89S52; Sensor ;GSM 引言 随着我国改革开放的不断发展，人们的物质生活水平达到了一个极大的提高，越来越多的人们想要找出一种更方便、更快捷的交流沟通的方式。而对于物联网的提出，让人们的生活开始有了一个翻天覆地变化。物联网，一个基于互联网、传统移动网络等信息载体，让所有能够被独立寻址的物理实体对象实现互联互通的网络，正在一步一步地改变着人们的生活。 物联网是基于传感器技术的新型网络技术，在现代温室中，大量的传感器节点构成了一张张功能各异的监控网络，通过各种传感器采集与温室环境变化的各种信息参数，可以帮助我们及时发现问题，准确的发现问题。无线传感网络由部署在监测区的大量的微型传感器节点及时有效的采集不断变化的环境参数，通过无线通信网络形成一个多跳自组织的网络，其主要的目的是采集与处理该网络覆盖范围内监测参数的信息。在农业现代化的进程中，科技水平的不断进步让传感器的发展日新月异，传感器几乎覆盖了农业工程的全部范围，有力的支撑了智能农业的技术体系。基于以上的种种认识，该论文设计出一种基于物联网的温室监控系统。1系统方案论述 整个温室控制系统采用模块化设计，主要由两大部分组成：温室环境数据采集部分和数据监测终端部分。温室环境数据采集部分主要由传感器、AT89S52单片机和GSM无线收发模块等部件组成，采用基于GSM系统的移动平台之间点对点的短信业务，将移动通信与温室系统控制报警功能结合起来，硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成，用SHT10数字式温湿度传感器、FDS-100型土壤水分传感器、SH-300-DH二氧化碳传感器、TSL2561光照强度传感器分别测量温室的空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度，传感器将采集到的温室环境数据信号送给AT89S52单片机进行分析处理，同时将采集到的变化的数据参数发送至通信模块。单片机主要控制温室环境数据采集传感器和GSM无线收发模块两者之间的有序工作，并将得到的数据转换成GSM短信模式，同时控制TC35i收发模块发送数据。GSM无线收发模块即TC35i负责发送和接收短信，它可以向用户监测终端发送检测到的实时环境数据，也可以接收用户发来的命令指令，从而实现远程的温室环境监控。如图1-1所示。显示电路模块单片机 电源电路模块报警电路模块 采集电路模块GSM通信模块 图1-1 系统结构框图 本系统采用模块化结构设计控制程序，以便于扩展系统功能和提高程序的通用性；采用汇编语言编写程序代码，以便提高系统的实时控制性能。基于物联网的温室控制系统硬件部分主要由控制器模块、空气温湿度采集模块等共计10个电路模块组成。系统总体电路见附录A。2 系统硬件电路设计2.1控制器模块本设计的控制器模块选用AT89S52，是一种低功耗、高性能CMOS微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在嵌入式控制系统中得到应用。（1） 标准功能：8K字节Flash,256字节RAM,32位I/O接口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器、计数器、串口中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 （2）在外部结构上，AT89S52单片机和MCS-51系列单片机的结构相同，有三种封装模式，最常用的是PDIP形式，如图2-1所示。 图2-1 AT89S52引脚图单片机最小系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对于该类单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。如图2-2所示。 图2-2 单片机最小系统 2.2 空气温湿度采集模块 本设计选择SHT10数字式温湿度传感器来检测温室中空气的温湿度。SHT10数字式温湿度传感器是一种可以同时测量温湿度的传感器，可以有效的解决传统温、湿度传感器的不足。其特点：信号放大、A/D转换、IIC总线接口全部集成于一个芯片上（CMOSens技术）；全校准相对湿度及温度值输出；具有露点值计算输出功能；卓越的长期稳定性；测量精度高，湿度的精度为正负3.5，湿度的精度为正负0.5摄氏度（在20C时）；可靠的CRC数据传输校验功能；片内装载的校准系数，保准100%的互换性；电源电压为2.5-5.5V。引脚功能：1(GND):接地；2（DATA)与3（SCK)：串行数字接口，其中DATA为数据线；4(VDD）：接电源。2.3 光强测量电路模块 该设计选择TSL2561光强传感器检测温室内的光照强度。 各引脚功能如下：引脚1和引脚3分别是电源引脚和信号引脚。工作电压范围2.7V-3.5V。引脚2为器件访问地址选择引脚。由于该引脚电平不同，故有3个不同的访问地址。引脚4和引脚6为总线的时钟信号和数据线。引脚5为中断信号输出引脚。当光照强度超过用户编程设置的上或下阈值时，器件就会输出一个中断信号。 TSL2561是第二代周围环境光强度传感器，内部有两个通道，是两个光敏二极管，其中通道0对可见光和红外线都敏感，而通道1仅对红外线敏感。积分式A/D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量，在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。控制器和TSL2561可通过IIC总线协议访问。 IIC总线是一种串行总线，主要用于IC器件之间的二线制同步通信，它通过两根线（串行时钟线SCL和串行数据线SDA）便能实现总线上各器件的同步数据传送。IIC总线可以极为方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。SHT10数字式温湿度传感器和TSL2561光强传感器均具有直接IIC接口，同时遵循IIC串行总线协议，故将单片机AT89S52的P1.3和P1.4口作为串行时钟线和串行数据线，连至传感器的相应引脚。电路连接如图2-3。 图2-3 电路连接图2.4 土壤湿度测量电路模块该设计选择FDS-100型土壤水分传感器检测土壤中水分的含量。FDS-100型土壤水分传感器引脚功能如下：1（VDD）：5-12V电源输入；2（V-OUT）：电压输出0-1.875V DC；3（GND）：地线。 本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。结构设计合理，外部以纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。土质影响较小，应用广泛。测量精度高，响应速度快，数据传输效率高。广泛应用于节水农业、温室大棚、花卉培养、蔬菜种植、草地牧场、土壤检测、植物栽培等场领域。 FDS-100型土壤水分传感器经过信号放大输出至单片机，电路如图2-4所示。 图2-4 FDS-100传感器电路连接示意图2.5二氧化碳测量电路模块该设计采用SH-300-DH二氧化碳检测模块检测温室内的二氧化碳浓度。该模块主要用于二氧化碳含量的检测，具有体积小，反应灵敏，检测精度高等优点。主要性能参数如下：（1） 检测范围：0-3000PPM（2） 响应时间：小于30秒，数据更新时间：2秒（3） 输出：模拟：0-3V；数字UART：默认波特率9600bps（4） 输入电压：DC6V-12V 在系统设计中，采用数字通信方式，该传感器的数字输出引脚直连到单片机管脚上。电路图如图所示。 图2-5 SH-300-DH二氧化碳传感器连接电路 SH-300-DH二氧化碳传感器通过监测二氧化碳分子吸收的红外线辐射数量来测量二氧化碳的浓度。传感器使用一些金属丝作为红外线源来产生红外线辐射（IR）。红外线辐射源位于传感器轴的底部。在轴的顶部的红外线源是测量经过样本没有被二氧化碳分子吸收的辐射量。数据采集软件就会自动识别传感器，并使用预定义的参数来设置实验。2.6显示电路模块 本设计采用LCD1602作为输出器件，液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。这里采用常用的字16字X2行的字符型液晶模块的使用方法。这是一种通用模块。与数码管相比该模块有如下优点： （1）位数多，可显示32位，32个数码管体积相当庞大了。 （2）显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母。 （3）程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而1602自动完成此功能。 1602采用标准的16脚接口，其中： 引脚1和引脚2为电源引脚， 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，第4脚：RS为寄存器选择，第5脚：RW为读写信号线， 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时模块执行命令。第714脚：D0D7为双向数据线。第1516脚：空。 图2-6 LCD1602显示电路 由以上说明已经知道LCD1602液晶的各个引脚的功能，所以只要将它们接到相应的电源、地，以及单片机的数据口即可。在此设计中并不需要从LCD1602中读取数据，所以将5脚置为低电平即可。 2.7 报警电路模块 本系统专门设计了报警电路模块，由晶体管和蜂鸣器组成。由单片机输出信号控制晶体管的导通或截止，晶体管导通，则报警。当某个参数长时间超出其合理的上下限范围时，报警系统启动。它与单片机的连接电路如图2-7所示。 图2-7 报警电路2.8 通信电路模块 移动信模块采用的是基于GSM数字移动通信系统的通信模块。GSM移动通信系统的主要特点是：由于采用了高效调制器、通信编码等技术，使系统的频谱效率高，具有灵活的组网结构，频率重复利用率高，容量大，临时移动用户识别码，可以达到安全的目的；在SIM卡的基础上，实现自动漫游功能。GSM模块是传统调制解调器与GSM无线移动系统的结合，可以称之为无线调制解调器。TC35i是新一代无线通信GSM模块，可以方便的与单片机联机通信。可以快速、安全、可靠的实现系统方案中的数据、短信服务。TC35i通信模块具有GSM无线通信的所有功能，并提供标准的UART串行接口支持GSM07.05的AT命令集指令，直接使用AT命令即可以简便的实现短信息的收发、查询和管理。TC35i模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。AT89S52单片机与TC35i模块软件接口其实就是单片机通过AT指令控制手机的控制技术，设置TC35i模块的工作方式是PDU模式，在这种模式下，能传送或接受透明数据。连接电路如图2-8所示。2.9 控制电路模块本设计的控制电路模块选用继电器作为控制系统的开关。继电器室一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电路的一种装置。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。从机从主机接受指令控制继电器的开关，从而使各类执行器件起到对温室环境调节的作用。如图2-9所示。 图2-8 通信电路 图2-9 继电器控制电路2.10 电源电路模块本设计中用到4种电源，分别为-5V、+3.3V、+5V、+12V。如图3.7所示，220V交流电经变压器降压、桥式整流、电容滤波后由7905、7805、7812三端集成稳压管分别得到-5V、+5V、+12V电压，为整个系统供电。如图2.8所示。 图2-10 电源电路图3 系统软件设计根据空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度数据的特点，数据先被传感器采集，经过信号处理，存入AT89S52的内部数据存储器，与设定值进行比较，进而通过单片机通过AT指令控制GSM模块的短信息功能，将温室环境变化的参数结果发送到用户手机上，实现温室的控制。 温室控制现场，由传感器、前端控制器和控制设备组成。传感器将采集的数据存入单片机，单片机初始化，开始逐一比较采集的空气温湿度是否在测量范围内，如果在此范围内，则比较采集的土壤湿度是否在测量范围内，否则进入空气温度调整程序，控制加热炉或者通风扇系统调节空气温湿度，然后比较采集到的二氧化碳浓度后进入下一个循环开始比较空气温湿度，并依次循环进行。系统整体流程图如图3-1。开始 系统初始化 参数设定 空气温湿度测量 GSM通信通信报警空气温度是否在测量范围N 空气温度调整 Y 空气湿度测量 GSM通信报警空气湿度是否在测量范围N 空气湿度调整Y土壤湿度测量 土壤湿度是否在测量范围 GSM通信报警N 土壤湿度调整Y二氧化碳浓度测量二氧化碳浓度是否在测量范围GSM通信报警N 二氧化碳浓度调整Y 图3-1 系统流程图3.1 GSM通信模块软件设计 西门子TC35i模块支持PDU格式的短信息的发送和接收，该模块通过AT指令与单 等待一段时间 成功？ 发送报警信息 PDU解码是否有异样？ 信息采集与处理 初始化开始片机通信。AT指令集是调制解调器通信接口的工业标准。GSM引擎模块提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范。GSM07.07中定义的AT Command接口，提供了一种移 开始动平台与数据终端设备之间的通用接口；GSM07.05对短信息作了详细的规定，在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向GSM开始模块发送各种命令。单片机与TC35i的软件接口其实就是单片机通过AT指令控制手机的控制技术，首先设置TC35i模块的工作模式：AT+CMGF=n，n=0为PDU模式；n=1为文本模式；通常设置为PDU模式，在这种模式下，能传送或接受透明数据（用户自定义数据）。AT+CMGR=n为读TC35i模块短消息数据，n为短消息号。AT+CMGL=n为列出TC35i模块内的短消息，n=0是未读的短消息，n=1位已读的短消息，n=2位未发送的短消息，n=3为已发送的短消息n=4为所有短消息。AT+CMGD=n为删除TC35i模块的短消息，n为短消息编号。 初始化 信息采集与处理 是否有异样？ N Y PDU解码 发送报警信息 成功？ Y 等待一段时间 N 图3-2 通信模块流程图设置短信息模式：AT+CMGF=0;即设置为PDU模式，在这种模式下，能够传输或接受透明数据（用户自定义的数据）。通讯握手：AT发送短信息：AT+CMGS用PDU格式:AT+CMGF=0拨号与挂断：ATD、ATH读模块短信息数据：AT+CMGR=n，n为短消息号。4 结论此次设计结合单片机技术、传感器技术和物联网技术，构建了一个基于物联网的温室控制系统。本系统是本着在不影响功能实现的前提条件下尽可能降生产成本的宗旨，以AT89S52为核心，采用各个模块相互组合的方式，运用GSM网络的强大作用，以检测并调节温室环境变化为主要目的的测控系统。该系统可以实现对温室参数信息的实时检测和调整并报警，实现远程参数的无线控制。结果表明，该控制系统具有良好的扩展性和实用性，对于实现温室的智能化测控管理，降低劳动强度，创造温室生产的最佳效益将产生积极作用。参考文献：1 管继刚.物联网技术在智能农业中的应用.通用管理技术,2010(3):24-27. 2 孙科. 物联网在现代农业上的应用J,无线互联科技,2012（3):9.3 龚道礼.基于无线传感器网络的环境监测系统研制D.中国地质大学,2011:8.4 胡汉才.单片机原理及系统设计M.2001:20-26.5 刘守义.单片机应用技术M.2002:29-34.6 戴勇,周建平.基于AT89S52单片机的多功能智能温室测控系统J.农机化研究，2009（5）：139.7 来清民.传感器与单片机接口及实例M.2008：139-141.8 李子忠.FDS探针两种埋设方式下土壤水分的测定J.高等教育出版社，2010：125-130.9 韩斌杰.GSM原理及其网络优化.机械工业出版社，2009:25-30.10 钟亚飞.基于单片机的温室二氧化碳测控系统的设计D.山东科技大学，211:14. 11 黄勤.单片机原理及应用.北京-清华大学出版社，2010:191-195.附录A: 系统整体电路图致谢: 本文是在指导老师师赵光辉的悉心指导下完成的。赵老师帮我选定题目，并在我撰写论文的过程中，倾注了大量的心血和汗水，并给我提供了许多有益的意见和建议，使我顺利得完成了课题的研究和论文的撰写。赵老师以其丰富的经验和渊博的知识自始至终指导着我的工作和学习，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益。无论在工作、学习还是生活中，赵老师都给了我无私的指导和帮助，在此谨向赵老师表示最诚挚的敬意和感谢。15