基于GSM的盆栽土壤湿度检测与远程控制

李 俭， 陈 行， 樊学良， 郭地伟， 吴 亮， 刘晓文

(成都大学 机械工程学院， 四川 成都 610106)

0 引 言

土壤是植物生长发育的基础，土壤湿度对于植物的生长起着重要的作用.随着农业技术的发展，各种灌溉机械层出不穷，但多数灌溉机械应用在农业或园林领域，针对盆栽的灌溉系统却相对缺乏.本研究设计了由PLC、C52单片机、GSM、土壤湿度传感器、远程WiFi控制模块组成的土壤湿度检测与提示及远程控制盆栽灌溉的系统.因多数植物在不同阶段里适宜生长的水分含量不同，灌溉系统将湿度提醒给客户后，客户随时可以根据需求决定是否灌溉.

1 系统硬件设计

本系统的硬件主要由传感器模块、转换器模块、处理器模块、GSM模块、 LCD显示模块、远程WiFi模块、PLC模块及电源供电模块组成，硬件系统如图1所示.

图1硬件系统示意图

1.1 湿度检测电路

土壤湿度检测电路主要用来测量盆栽土壤的相对含水量，针对盆栽土壤的墒情进行检测.湿度传感器基片上覆盖了一层用感湿材料制成的膜，当盆栽土壤中的水分子吸附在感湿膜上时，感应原件的电阻率和电阻值都会发生相应变化，传感器通过线路元件电阻值的差异来反映土壤不同湿度值[1].本研究选用Risym公司的土壤湿度传感器为传感器模块，其表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命，其结构简单，成本低，满足设计要求.测试模拟量输出AO和A/D模块相连，通过A/D转换，可以获得土壤湿度更精确的数值.湿度检测电路原理图如图2所示.

图2湿度检测电路原理图

1.2 光耦合器模块

系统中远程WiFi和PLC元件的工作电压不同，因而本研究引入了光电耦合器.光电耦合器通过“电—光—电”的转换形式将输入端信号耦合到输出端，一般由3部分组成：光的发射、光的接收及信号放大.输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再进一步放大后输出.本研究选用Telesky公司的EL817C型光耦，其输入输出之间高隔离电压值Viso=5 000 Vrms.

1.3 处理器模块

处理器模块[2]计算土壤湿度传感器传来的数据并生成数值，连接SIM发射模块，在LCD1602显示屏上将数值显示出来，相应的指示灯亮，并将计算所得数值发射到客户手机上，客户可通过手机APP查看土壤湿度值.本研究选用型号为STC89C52RC的单片机作为系统主体，其结构简单，成本较低，性价比高.A/D模数转换器是将输入电压信号转换为输出数字信号的元件.湿度传感器输出的就是电压信号，A/D转换器将其转换为可供识别的数字信号，选择植物生长的最小土壤湿度作为转换标准，转换器输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小.本研究选用Telesky公司生产的ADC0832模数转换器，ADC0832为8-bit分辨率的双通道A/D转换芯片，具有体积小、兼容性强且性价比高等优点.处理器原理图如图3所示.

图3处理器原理图

1.4 WiFi模块

客户可以使用手机端APP或PC端上位机通过无线局域网连接到系统搭载的WiFi模块[3]，实现手机端或PC端对PLC的控制.本研究选用型号ESP8266-12E作为系统的WiFi模块，ESP8266-12E有完善的外围电路和较强的阻抗匹配，有较好的稳定性和抗干扰能力.

1.5 PLC模块

PLC又称为可编程逻辑控制器，主要控制系统中水管阀门的闭合状态.针对不同的土壤墒情和植物类型，土壤所需的灌溉量不同，PLC自带的计时器会通过控制延时来控制不同土壤的灌溉量.本研究选用型号为S7-200的国产PLC,其具有西门子CPU相同的主线设计，有独立的电源板和CPU板，抗干扰能力更强.PLC接线图如图4所示.

图4 PLC接线图

1.6 GSM模块

GSM模块[4]具有独立的操作系统，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器及功放器件等集成在一块线路板上且能进行GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块.本研究采用SIM800C芯片，利用其低功耗、短信服务及数据传输等功能完成预设的工作.该模块支持TTL电平控制，工作电压为3.3～5 V，模块上的RXD和TXD可直接与单片机串口连接(P3.0 RXD和P3.1 TXD)，单片机可直接通过串行口与GSM模块通信、发送AT控制指令和接收数据.GSM工作原理图如图5所示.

2 系统软件设计

本系统的软件主要由单片机模块[5-6]和PLC模块组成.单片机模块和PLC模块在系统中分别起计算和控制的作用，两个模块均以独立的形式存在于系统中，在提高系统稳定性的同时保证了系统的兼容性.

2.1 单片机模块

湿度传感器采集的土壤湿度模拟信号，通过A/D转换模块将接收到的模拟信号转换为数字信号后，单片机对湿度传感器收集的数据进行计算与分析，并在LCD显示器显示检测信息的同时通过GSM模块将检测信息传输到Android智能手机上.手机端接收到的信号形式为：湿度值+土壤湿度(干燥、湿度适中或高湿度).当传感器检测的湿度值低于设定的最低湿度值或高于设定的最高设定值时，GSM模块向手机发送信息；若湿度处于适中阶段，则可先设定1个中值，当湿度值为此中值时，模块就向手机发送信息.本单片机监测系统方案如图6所示.

图5 GSM工作原理图

图6单片机检测系统方案图

2.2 PLC模块

手机在收到不同程度的土壤湿度值时可根据不同土壤湿度向远程WiFi模块发出信息，WiFi模块通过光耦合器将信号传递给PLC模块，PLC模块将会控制水管阀门的开合状态.本PLC控制系统方案如图7所示.

图7 PLC控制系统方案图

3 实验系统演示

本研究使用USB为实验系统[7-8]供电.实验中，首先将土壤湿度传感器插入干燥土壤，接着LCD显示器正常显示土壤湿度，土壤湿度干燥指示灯亮，手机收到土壤湿度低的信息提示.此时，手机向远程WiFi模块发送灌溉信息，水管阀门正常打开，开始灌溉盆栽.经过灌溉后，土壤湿度达到适中值，完成实验系统的演示.实验系统的演示调试图如图8所示.

4 结 语

本研究制定了一种基于GSM的盆栽土壤湿度检测系统，根据盆栽土壤中的水分变化特征采用电阻式湿度传感器实时采集湿度数据，搭建了基于GSM模块的信息传递系统和基于PLC的远程WiFi盆栽灌溉系统，实现了盆栽土壤水分的检测和控制.大量的实物模拟实验结果表明，该系统能有效检测土壤水分含量，并通过LCD显示屏和指示灯显示盆栽土壤的含水量，且GSM模块能将盆栽土壤水分信息及时传递到手机，手机可通过远程WiFi模块对盆栽进行灌溉控制.本研究的系统具有实时性高、成本低且稳定性好等优点，为后续远程土壤检测控制的研究奠定了一定的实验基础.

图8实验系统的演示调试图