一种家庭浇花远程遥控系统的设计

李澍源，冯奇杰，余文泉，曾明海，林寿英

（福建农林大学，福建 福州 350002）

一种家庭浇花远程遥控系统的设计

李澍源，冯奇杰，余文泉，曾明海，林寿英

（福建农林大学，福建 福州 350002）

设计一个基于STC89C52单片机远程浇花系统.整个远程浇花系统的控制运行是将温度、湿度传感器检测到信号经过AD转换输入到单片机，单片机通过控制命令对gsm模块进行设置,这样用户不受地理位置的限制在任何可接收到手机信号的地方就能接收到实时监测数据，用户还可通过发送短信指令对系统手动或者自动浇水进行设置；该系统有就地摄像头，用户可以在联网的情况下对花卉实时的外观动态进行远程监控.

远程浇花；STC89C52；gsm模块；温度传感器；湿度传感器

在现今科学技术飞速发展的时代，人们对于事物的处理更多采用远程控制的方式，这不仅解决了人们在不同情况下可以及时处理事物的需求，更重要的是让我们身处异地也能按时完成某些工作.随着人们生活水平的提高，种植花卉越来越受到人们的青睐；花卉不仅可以净化空气，而且种植花卉还是许多人陶冶情操.然而对许多花卉爱好者来说，常常因为忙于某些事情无法随时随地、不受空间的限制自己种植花卉.如何解决这个问题呢？对此类问题，本系统设计了远程浇花控制系统，它是基于安卓系统上和无线网络通信技术，对花卉周围环境温度以及土壤湿度进行检测并发送短信告知用户实时数据，并且能远程控制进行浇花，同时也能根据所设定的条件进行自动控制浇花.

这样的一个远程浇花系统，它需要一台带有网络信号的安卓手机即可实现；现如今智能手机已经普及，并且主要以安卓操作系统为主流，所以说通过一台安卓智能手机进行远程控制对于很多人来说成为了可能.[1]这种基于单片机的远程控制系统在物联网发展和智能家居发展过程中占有非常重要的一部分.

1 系统构成及硬件实现

1.1 整体概述

远程控制花卉浇花系统采用单片机进行数据处理和智能控制，通过移动2G网络完成通信；系统具备短信回复功能，对用户不同操作进行提示并反馈信息，方便用户及时了解花卉各种信息,达到友好交互方式和智能目的.如图1为系统结构示意图，本系统采用单片机STC89C52作为控制核心、GSM模块作为通信核心，单片机发送指令控制GSM模块实现用短信收发.[2]通过发短信用户可以控制浇花和还能收系统发来温度和湿度实时数据的短信.本系统的摄像头对家庭花卉及其生长环境进行实时监控，户可以在手机APP中观看联网可观看摄像头拍摄画面.由于本系统是基于GSM网络技术，其具有成熟、覆盖范围广的特点，故本系统可避免组建网络造成的高成本、效果差等诸多问题，同时该系统在现代农业灌溉上运用前景广、实用价值高.

图1 系统结构示意图

1.2 系统信息采集部分

1.2.1 摄像头远程监控

可以在安卓手机上安装摄像头应用软件，通过联网在手机上远程观看家中阳台的花卉，并且能够通过手机控制转动摄像头来观察系统不同位置，如转动摄像头对准水阀门看其是否关紧，同时也可以转动摄像头观察阳台门窗是否关紧实现用此摄像头进行家庭防盗.

1.2.2 湿度检测

利用土壤湿度传感器将培植花草的土壤湿度实时传到手机，以此作为判断是否浇水的一个依据，若湿度达不到预先设定的最低值说明土壤过于干涸，则需要开始浇水；若超出设定的最高值说明土壤湿度已经很大，则需要停止浇水.这样可以防止浇水不足，以及过度浇水.[3]

1.2.3 温度检测

利用温度传感器实时监测花草所在环境的温度情况.当温度太高时，系统会发送短信到用户手机，提醒用户喷水降温，该温度传感器采集到的温度也可以作为测量当天的温度.

2 系统硬件设计

硬件系统电路设计主要包括以下几个部分，单片机主控电路，GSM模块、温度检测电路、土壤湿度检测模块、AD采样电路等.

2.1 单片机主控电路

如图2所示为单片机最小系统控制电路，单片机是该远程浇花控制系统的核心部件.它需要接收温湿度传来的AD值，并通过GSM模块发送出去，同时还要接收用户在手机发送来的控制命令来对浇水的阀门进行控制.可以说，单片机是整个系统承上启下的中轴核心部分.[4]

图2 单片机最小系统控制电路

2.2 GSM电路

如图3所示为SIM900A_GSM模块，我们通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能.单片机通过串口发送AT指令对GSM模块上的SIM900A芯片进行指定操作,AT指令集中包含了对SMS的控制，所以单片机向GSM模块发送一系列的AT命令就可以实现GSM模块控制SMS信息的收发.这样温度、湿度信息就能通过短信的形式发送给手机用户，同时用户可以通过发送短信来对电磁阀的开关进行控制实现浇水.[5]

2.3 温度检测电路

如图4所示为温度检测电路，这里我们用到的温度传感器为DS18b20,它具有抗干扰能力强，测量精度高的特点；该传感器的测温范围可以达到－55℃～+125℃，可编程的分辨率为9~12位，可以满足本次实际的要求.

图3 GSM模块

图4 温度检测电路

2.4 土壤湿度检测模块

如图5所示为4线制土壤湿度检测模块，工作电压3.3-5V；该模块有数字量和模拟量输出，本系统采用模拟量输出.拟量输出AO和AD模块相连，通过AD转换得更准确的土壤湿度值.

图5 土壤湿度检测模块

2.5 AD转换电路

如图6所示为AD转换电路，该电路采用PCF8951芯片，其功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换，该芯片最大转化速率由I2C总线的最大速率决定.

图6 AD转换电路

3 软件通信系统

本次远程浇花控制系统微处理器在通信过程中，需要与PCF8591进行数据交换，这是使用I2C通信协议进行通信的；微处理器在通信过程中还需要与蓝牙进行数据交换，这里我们是使用UART通信协议来实现，同时，GSM模块的通信需要通过单片机将向GSM的发送一系列的的AT命令实现.[6]

3.1 IIC通信协议

I2C总线是国际标准，通信时只需两条总线，串行时钟线SCL和数据线SDA.串行双向数据传输位速率分为标准模式、快速模式和高速模式.标准模式下速率可达 100Kbps，快速模式下可达400Kbps，高速模式下可达3.4Mbps.根据I2C特点，本系统采用了快速模式，在通信开始前，主机首先发送起始条件，在没有出现停止条件时总线被认为是忙的状态.当出现停止条件后总线处于空闲状态.

3.2 UART通信协议

UART通信需要两条总线RXD和TXD,对于UART通信我们使用了STC98C52RC处理器的硬件UART，在通信前只需配置UART通信参数即可通信,在程序里我们配置微处理器和GSM模块的通信波特率为9600bps.

3.3 AT指令

AT指令集是从单片机向GSM发送的.其对所传输的数据包大小有定义：即对于AT指令的发送，除AT两个字符外，最多可以接收1056个字符的长度（包括最后的空字符）.每个AT命令行中只能包含一条AT指令；对于由终端设备主动向PC端报告的URC指示或者response响应，也要求一行最多有一个，不允许上报的一行中有多条指示或者响应.AT指令以回车作为结尾，响应或上报以回车换行为结尾.GSM模块中SIM900A的AT指令支持IRA字符集.

在微型处理器中用三条TA指令AT+CMGF=1、AT+CSCS="GSM"、AT+CMGD=1,4初始化.设置发短信号码AT+CMGS="157****0841".微型处理器根据设置的电话来发送短信.

4 软件总体结构

本系统的软件总体结构是根据如下程序流程设计的，首先开机后系统先初始化是将各个子程序进行初始化设置、各个内存单元进行初始化赋值，然后通过AD转换电路将温、湿度的值采集进来并通过GSM模块发送到手机用户.用户可以设置手动模式，通过接收的实时温、湿度实时值，自行在手机上进行远程操作，选择是否浇水；用户也可以设置自动控制模式，让系统根据温湿度自动进行浇花，当土壤湿度低于预设值时进行自动浇水或者环境温度高于预设值时进行自动定时浇水控制，无需浇水时就关闭电磁阀.通过这样一个循环监控流程实现对家庭阳台花卉浇花的远程遥控控制.[7]

5 测试与调试

首先我们在使用万用表进行部分测量,保证元件的焊接不虚焊，测量没有发现问题后我们编写了各个硬件的驱动程序，通过通信、显示等方式确认硬件连接正确.软件编程模块化，需要先对各个子模块功能进行软件调试，其调试过程与硬件调试过程类似,软件部分程序的编写和调试是经过多次修改和调试，最终使得软硬件的实现效果达到最初预期的要求.

6 结语

本系统是远程浇花控制系统，是基于STC89C52单片机的控制系统，通过土壤湿度传感器和温度传感器检测土壤湿度和环境温度，利用GSM模块将温、湿度数据通过短信发送给用户；用户通过发送短信来对电磁阀开关进行控制，实现花卉的浇水控制；该系统中还利用摄像头对花卉进行监控，通过联网用户在手机APP上可以直观看到花卉的生长状况和周围的情况.这个系统解决了许多用户因为身处异地不能及时对植株进行浇水的问题，这体现了现今社会的进步性，这种智能化的远程浇花系统满足了人们随时随地监控自己所种植花卉的需求，这种远程控制系统也是未来物联网发展的趋势所在.

〔1〕张兆朋.基于AT89S52的家庭智能浇花器的设计[J].电子设计工程,2011,19(5):39-41.

〔2〕陈凯，金红.一种室内自动浇花系统的设计[J].科研教学，2013（11）.

〔3〕李克讷,韦昌勇,徐剑琴.基于AVR单片机的盆栽自动浇水系统[J].农机化研究,2015,37(6):213-216.

〔4〕陈立刚,冯伟伟,周智颖,等.基于Android客户端GSM短信模块的远程浇花系统[J].电子设计工程,2016（01):165-168，650-651.

〔5〕吉王得燕.基于GPRS的手机远程控制浇花装置[J].四川兵工学报,2013,34(11):113-115，119-122.

〔6〕刘川,张小成,高进渊,等.智能自动浇花系统的控制设计研究[J].科技视界,2015(18):87-88.

〔7〕赵丽,张春林.基于单片机的智能浇花系统设计与实现[J].长春大学学报,2012,22(6).

TP399

A

1673-260X（2016）11-0021-03

2016-08-05

林寿英，（1965.4-），女，福建福州人，福建农林大学副教授，硕士生导师，研究方向：自动控制和应用电子研究