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1、菏澤學院Heze University本科生畢業(yè)設計（論文）題目 基于物聯網的溫室監(jiān)控系統(tǒng) 姓名 系 別 物理與電子工程系 學號 專業(yè) 電子信息科學與技術 指導教師 職稱 講師 2014 年 05 月30日菏澤學院教務處制目錄 摘要1關鍵詞1Abstract1Key words1引言11系統(tǒng)方案論述22 系統(tǒng)硬件電路設計22.1控制器模塊22.2 空氣溫濕度采集模塊42.3 光強測量電路模塊42.4 土壤濕度測量電路模塊52.5二氧化碳測量電路模塊 62.6顯示電路模塊 72.7 報警電路模塊82.8 通信電路模塊82.9 控制電路模塊 82.10電源電路模塊 103 系統(tǒng)軟件設計103.1

2、GSM通信模塊軟件設計114 結論13參考文獻13附錄A14致謝 15基于物聯網的溫室監(jiān)控系統(tǒng) 基于物聯網的溫室監(jiān)控系統(tǒng)摘要：基于物聯網技術的溫室監(jiān)控系統(tǒng)以單片機AT89S52為核心控制模塊，利用相應的傳感器監(jiān)測溫室環(huán)境變化，即利用SHT10數字式溫濕度傳感器、FDS-100型土壤水分傳感器、SH-300-DH二氧化碳傳感器、TSL2561光照強度傳感器分別測量溫室的空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度和光照強度，利用GSM網絡的短信收發(fā)功能，在數據采集點建立快捷的數據通信通道，將結果通過短信息的形式發(fā)送到人們的手機上，通過手機達到對溫室環(huán)境控制的目的。該系統(tǒng)實現了參數的自動采集和無線傳輸，降低

3、了測量的工作量、節(jié)約成本、提高效率，對現代溫室農業(yè)的發(fā)展起到了一定的推動作用。關鍵詞： AT89S52；傳感器；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 contr

4、ol 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 temper

5、ature 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 pho

6、ne 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. Key

7、word: AT89S52; Sensor ;GSM 引言 隨著我國改革開放的不斷發(fā)展，人們的物質生活水平達到了一個極大的提高，越來越多的人們想要找出一種更方便、更快捷的交流溝通的方式。而對于物聯網的提出，讓人們的生活開始有了一個翻天覆地變化。物聯網，一個基于互聯網、傳統(tǒng)移動網絡等信息載體，讓所有能夠被獨立尋址的物理實體對象實現互聯互通的網絡，正在一步一步地改變著人們的生活。 物聯網是基于傳感器技術的新型網絡技術，在現代溫室中，大量的傳感器節(jié)點構成了一張張功能各異的監(jiān)控網絡，通過各種傳感器采集與溫室環(huán)境變化的各種信息參數，可以幫助我們及時發(fā)現問題，準確的發(fā)現問題。無線傳感網絡由部署在監(jiān)測區(qū)的大

8、量的微型傳感器節(jié)點及時有效的采集不斷變化的環(huán)境參數，通過無線通信網絡形成一個多跳自組織的網絡，其主要的目的是采集與處理該網絡覆蓋范圍內監(jiān)測參數的信息。在農業(yè)現代化的進程中，科技水平的不斷進步讓傳感器的發(fā)展日新月異，傳感器幾乎覆蓋了農業(yè)工程的全部范圍，有力的支撐了智能農業(yè)的技術體系?；谝陨系姆N種認識，該論文設計出一種基于物聯網的溫室監(jiān)控系統(tǒng)。1系統(tǒng)方案論述 整個溫室控制系統(tǒng)采用模塊化設計，主要由兩大部分組成：溫室環(huán)境數據采集部分和數據監(jiān)測終端部分。溫室環(huán)境數據采集部分主要由傳感器、AT89S52單片機和GSM無線收發(fā)模塊等部件組成，采用基于GSM系統(tǒng)的移動平臺之間點對點的短信業(yè)務，將移動通信與

9、溫室系統(tǒng)控制報警功能結合起來，硬件結構由傳感器和單片機、控制裝置組成，用SHT10數字式溫濕度傳感器、FDS-100型土壤水分傳感器、SH-300-DH二氧化碳傳感器、TSL2561光照強度傳感器分別測量溫室的空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度和光照強度，傳感器將采集到的溫室環(huán)境數據信號送給AT89S52單片機進行分析處理，同時將采集到的變化的數據參數發(fā)送至通信模塊。單片機主要控制溫室環(huán)境數據采集傳感器和GSM無線收發(fā)模塊兩者之間的有序工作，并將得到的數據轉換成GSM短信模式，同時控制TC35i收發(fā)模塊發(fā)送數據。GSM無線收發(fā)模塊即TC35i負責發(fā)送和接收短信，它可以向用戶監(jiān)測終端發(fā)送檢測到的

10、實時環(huán)境數據，也可以接收用戶發(fā)來的命令指令，從而實現遠程的溫室環(huán)境監(jiān)控。如圖1-1所示。顯示電路模塊單片機 電源電路模塊報警電路模塊 采集電路模塊GSM通信模塊 圖1-1 系統(tǒng)結構框圖 本系統(tǒng)采用模塊化結構設計控制程序，以便于擴展系統(tǒng)功能和提高程序的通用性；采用匯編語言編寫程序代碼，以便提高系統(tǒng)的實時控制性能。基于物聯網的溫室控制系統(tǒng)硬件部分主要由控制器模塊、空氣溫濕度采集模塊等共計10個電路模塊組成。系統(tǒng)總體電路見附錄A。2 系統(tǒng)硬件電路設計2.1控制器模塊本設計的控制器模塊選用AT89S52，是一種低功耗、高性能CMOS微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。片上Flash允許程序

11、存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在嵌入式控制系統(tǒng)中得到應用。（1） 標準功能：8K字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O接口線，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器、計數器、串口中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 （2）在外部結構上，A

12、T89S52單片機和MCS-51系列單片機的結構相同，有三種封裝模式，最常用的是PDIP形式，如圖2-1所示。 圖2-1 AT89S52引腳圖單片機最小系統(tǒng)是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對于該類單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路。如圖2-2所示。 圖2-2 單片機最小系統(tǒng) 2.2 空氣溫濕度采集模塊 本設計選擇SHT10數字式溫濕度傳感器來檢測溫室中空氣的溫濕度。SHT10數字式溫濕度傳感器是一種可以同時測量溫濕度的傳感器，可以有效的解決傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。其特點：信號放大、A/D轉換、IIC總線接口全部集成于一個芯片上（CMOSens技術）；全校

13、準相對濕度及溫度值輸出；具有露點值計算輸出功能；卓越的長期穩(wěn)定性；測量精度高，濕度的精度為正負3.5，濕度的精度為正負0.5攝氏度（在20C時）；可靠的CRC數據傳輸校驗功能；片內裝載的校準系數，保準100%的互換性；電源電壓為2.5-5.5V。引腳功能：1(GND):接地；2（DATA)與3（SCK)：串行數字接口，其中DATA為數據線；4(VDD）：接電源。2.3 光強測量電路模塊 該設計選擇TSL2561光強傳感器檢測溫室內的光照強度。 各引腳功能如下：引腳1和引腳3分別是電源引腳和信號引腳。工作電壓范圍2.7V-3.5V。引腳2為器件訪問地址選擇引腳。由于該引腳電平不同，故有3個不同的

14、訪問地址。引腳4和引腳6為總線的時鐘信號和數據線。引腳5為中斷信號輸出引腳。當光照強度超過用戶編程設置的上或下閾值時，器件就會輸出一個中斷信號。 TSL2561是第二代周圍環(huán)境光強度傳感器，內部有兩個通道，是兩個光敏二極管，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，而通道1僅對紅外線敏感。積分式A/D轉換器對流過光敏二極管的電流進行積分，并轉換為數字量，在轉換結束后將轉換結果存入芯片內部通道0和通道1各自的寄存器中?？刂破骱蚑SL2561可通過IIC總線協議訪問。 IIC總線是一種串行總線，主要用于IC器件之間的二線制同步通信，它通過兩根線（串行時鐘線SCL和串行數據線SDA）便能實現總線上各器件的同

15、步數據傳送。IIC總線可以極為方便地構成多機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。SHT10數字式溫濕度傳感器和TSL2561光強傳感器均具有直接IIC接口，同時遵循IIC串行總線協議，故將單片機AT89S52的P1.3和P1.4口作為串行時鐘線和串行數據線，連至傳感器的相應引腳。電路連接如圖2-3。 圖2-3 電路連接圖2.4 土壤濕度測量電路模塊該設計選擇FDS-100型土壤水分傳感器檢測土壤中水分的含量。FDS-100型土壤水分傳感器引腳功能如下：1（VDD）：5-12V電源輸入；2（V-OUT）：電壓輸出0-1.875V DC；3（GND）：地線。 本傳感器體積小巧化設計，攜帶方便，安裝、操作及維護

16、簡單。結構設計合理，外部以純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕。土質影響較小，應用廣泛。測量精度高，響應速度快，數據傳輸效率高。廣泛應用于節(jié)水農業(yè)、溫室大棚、花卉培養(yǎng)、蔬菜種植、草地牧場、土壤檢測、植物栽培等場領域。 FDS-100型土壤水分傳感器經過信號放大輸出至單片機，電路如圖2-4所示。 圖2-4 FDS-100傳感器電路連接示意圖2.5二氧化碳測量電路模塊該設計采用SH-300-DH二氧化碳檢測模塊檢測溫室內的二氧化碳濃度。該模塊主要用于二氧化碳含量的檢測，具有體積小，反應靈敏，檢測精度高等優(yōu)點。主要性能參數如下：（1） 檢測范圍：0-3000PPM（2） 響應時間：

17、小于30秒，數據更新時間：2秒（3） 輸出：模擬：0-3V；數字UART：默認波特率9600bps（4） 輸入電壓：DC6V-12V 在系統(tǒng)設計中，采用數字通信方式，該傳感器的數字輸出引腳直連到單片機管腳上。電路圖如圖所示。 圖2-5 SH-300-DH二氧化碳傳感器連接電路 SH-300-DH二氧化碳傳感器通過監(jiān)測二氧化碳分子吸收的紅外線輻射數量來測量二氧化碳的濃度。傳感器使用一些金屬絲作為紅外線源來產生紅外線輻射（IR）。紅外線輻射源位于傳感器軸的底部。在軸的頂部的紅外線源是測量經過樣本沒有被二氧化碳分子吸收的輻射量。數據采集軟件就會自動識別傳感器，并使用預定義的參數來設置實驗。2.6顯示

18、電路模塊 本設計采用LCD1602作為輸出器件，液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應用。這里采用常用的字16字X2行的字符型液晶模塊的使用方法。這是一種通用模塊。與數碼管相比該模塊有如下優(yōu)點： （1）位數多，可顯示32位，32個數碼管體積相當龐大了。 （2）顯示內容豐富，可顯示所有數字和大、小寫字母。 （3）程序簡單，如果用數碼管動態(tài)顯示，會占用很多時間來刷新顯示，而1602自動完成此功能。 1602采用標準的16腳接口，其中： 引腳1和引腳2為電源引腳， 第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，第4腳：RS為寄存器選擇，第5腳：R

19、W為讀寫信號線， 第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為雙向數據線。第1516腳：空。 圖2-6 LCD1602顯示電路 由以上說明已經知道LCD1602液晶的各個引腳的功能，所以只要將它們接到相應的電源、地，以及單片機的數據口即可。在此設計中并不需要從LCD1602中讀取數據，所以將5腳置為低電平即可。 2.7 報警電路模塊 本系統(tǒng)專門設計了報警電路模塊，由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機輸出信號控制晶體管的導通或截止，晶體管導通，則報警。當某個參數長時間超出其合理的上下限范圍時，報警系統(tǒng)啟動。它與單片機的連接電路如圖2-7所示。 圖2-7 報警電

20、路2.8 通信電路模塊 移動信模塊采用的是基于GSM數字移動通信系統(tǒng)的通信模塊。GSM移動通信系統(tǒng)的主要特點是：由于采用了高效調制器、通信編碼等技術，使系統(tǒng)的頻譜效率高，具有靈活的組網結構，頻率重復利用率高，容量大，臨時移動用戶識別碼，可以達到安全的目的；在SIM卡的基礎上，實現自動漫游功能。GSM模塊是傳統(tǒng)調制解調器與GSM無線移動系統(tǒng)的結合，可以稱之為無線調制解調器。TC35i是新一代無線通信GSM模塊，可以方便的與單片機聯機通信?？梢钥焖佟踩?、可靠的實現系統(tǒng)方案中的數據、短信服務。TC35i通信模塊具有GSM無線通信的所有功能，并提供標準的UART串行接口支持GSM07.05的AT命令

21、集指令，直接使用AT命令即可以簡便的實現短信息的收發(fā)、查詢和管理。TC35i模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現電源連接、指令、數據、語音信號及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF連接器及天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。AT89S52單片機與TC35i模塊軟件接口其實就是單片機通過AT指令控制手機的控制技術，設置TC35i模塊的工作方式是PDU模式，在這種模式下，能傳送或接受透明數據。連接電路如圖2-8所示。2.9 控制電路模塊本設計的控制電路模塊選用繼電器作為控制系統(tǒng)的開關。繼電器室一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常應

22、用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電路的一種裝置。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。從機從主機接受指令控制繼電器的開關，從而使各類執(zhí)行器件起到對溫室環(huán)境調節(jié)的作用。如圖2-9所示。 圖2-8 通信電路 圖2-9 繼電器控制電路2.10 電源電路模塊本設計中用到4種電源，分別為-5V、+3.3V、+5V、+12V。如圖3.7所示，220V交流電經變壓器降壓、橋式整流、電容濾波后由7905、7805、7812三端集成穩(wěn)壓管分別得到-5V、+5V、+12V電壓，為整個系統(tǒng)供電。如圖2.8所示。 圖2-10 電源電路圖3 系統(tǒng)軟件設計根據空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳

23、濃度數據的特點，數據先被傳感器采集，經過信號處理，存入AT89S52的內部數據存儲器，與設定值進行比較，進而通過單片機通過AT指令控制GSM模塊的短信息功能，將溫室環(huán)境變化的參數結果發(fā)送到用戶手機上，實現溫室的控制。 溫室控制現場，由傳感器、前端控制器和控制設備組成。傳感器將采集的數據存入單片機，單片機初始化，開始逐一比較采集的空氣溫濕度是否在測量范圍內，如果在此范圍內，則比較采集的土壤濕度是否在測量范圍內，否則進入空氣溫度調整程序，控制加熱爐或者通風扇系統(tǒng)調節(jié)空氣溫濕度，然后比較采集到的二氧化碳濃度后進入下一個循環(huán)開始比較空氣溫濕度，并依次循環(huán)進行。系統(tǒng)整體流程圖如圖3-1。開始 系統(tǒng)初始化

24、 參數設定 空氣溫濕度測量 GSM通信通信報警空氣溫度是否在測量范圍N 空氣溫度調整 Y 空氣濕度測量 GSM通信報警空氣濕度是否在測量范圍N 空氣濕度調整Y土壤濕度測量 土壤濕度是否在測量范圍 GSM通信報警N 土壤濕度調整Y二氧化碳濃度測量二氧化碳濃度是否在測量范圍GSM通信報警N 二氧化碳濃度調整Y 圖3-1 系統(tǒng)流程圖3.1 GSM通信模塊軟件設計 西門子TC35i模塊支持PDU格式的短信息的發(fā)送和接收，該模塊通過AT指令與單 等待一段時間 成功？ 發(fā)送報警信息 PDU解碼是否有異樣？ 信息采集與處理 初始化開始片機通信。AT指令集是調制解調器通信接口的工業(yè)標準。GSM引擎模塊提供的命

25、令接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。GSM07.07中定義的AT Command接口，提供了一種移 開始動平臺與數據終端設備之間的通用接口；GSM07.05對短信息作了詳細的規(guī)定，在短消息模塊收到網絡發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示消息，數據終端設備可以向GSM開始模塊發(fā)送各種命令。單片機與TC35i的軟件接口其實就是單片機通過AT指令控制手機的控制技術，首先設置TC35i模塊的工作模式：AT+CMGF=n，n=0為PDU模式；n=1為文本模式；通常設置為PDU模式，在這種模式下，能傳送或接受透明數據（用戶自定義數據）。AT+CMGR=n為讀TC35i模塊短消息數據，n為短消

26、息號。AT+CMGL=n為列出TC35i模塊內的短消息，n=0是未讀的短消息，n=1位已讀的短消息，n=2位未發(fā)送的短消息，n=3為已發(fā)送的短消息n=4為所有短消息。AT+CMGD=n為刪除TC35i模塊的短消息，n為短消息編號。 初始化 信息采集與處理 是否有異樣？ N Y PDU解碼 發(fā)送報警信息 成功？ Y 等待一段時間 N 圖3-2 通信模塊流程圖設置短信息模式：AT+CMGF=0;即設置為PDU模式，在這種模式下，能夠傳輸或接受透明數據（用戶自定義的數據）。通訊握手：AT發(fā)送短信息：AT+CMGS用PDU格式:AT+CMGF=0撥號與掛斷：ATD、ATH讀模塊短信息數據：AT+CMG

27、R=n，n為短消息號。4 結論此次設計結合單片機技術、傳感器技術和物聯網技術，構建了一個基于物聯網的溫室控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)是本著在不影響功能實現的前提條件下盡可能降生產成本的宗旨，以AT89S52為核心，采用各個模塊相互組合的方式，運用GSM網絡的強大作用，以檢測并調節(jié)溫室環(huán)境變化為主要目的的測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現對溫室參數信息的實時檢測和調整并報警，實現遠程參數的無線控制。結果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的擴展性和實用性，對于實現溫室的智能化測控管理，降低勞動強度，創(chuàng)造溫室生產的最佳效益將產生積極作用。參考文獻：1 管繼剛.物聯網技術在智能農業(yè)中的應用.通用管理技術,2010(3):24-27.

28、 2 孫科. 物聯網在現代農業(yè)上的應用J,無線互聯科技,2012（3):9.3 龔道禮.基于無線傳感器網絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研制D.中國地質大學,2011:8.4 胡漢才.單片機原理及系統(tǒng)設計M.2001:20-26.5 劉守義.單片機應用技術M.2002:29-34.6 戴勇,周建平.基于AT89S52單片機的多功能智能溫室測控系統(tǒng)J.農機化研究，2009（5）：139.7 來清民.傳感器與單片機接口及實例M.2008：139-141.8 李子忠.FDS探針兩種埋設方式下土壤水分的測定J.高等教育出版社，2010：125-130.9 韓斌杰.GSM原理及其網絡優(yōu)化.機械工業(yè)出版社，2009:25

29、-30.10 鐘亞飛.基于單片機的溫室二氧化碳測控系統(tǒng)的設計D.山東科技大學，211:14. 11 黃勤.單片機原理及應用.北京-清華大學出版社，2010:191-195.附錄A: 系統(tǒng)整體電路圖致謝: 本文是在指導老師師趙光輝的悉心指導下完成的。趙老師幫我選定題目，并在我撰寫論文的過程中，傾注了大量的心血和汗水，并給我提供了許多有益的意見和建議，使我順利得完成了課題的研究和論文的撰寫。趙老師以其豐富的經驗和淵博的知識自始至終指導著我的工作和學習，特別是他廣博的學識、深厚的學術素養(yǎng)、嚴謹的治學精神和一絲不茍的工作作風使我終生受益。無論在工作、學習還是生活中，趙老師都給了我無私的指導和幫助，在此謹向趙老師表示最誠摯的敬意和感謝。15