一、項目概述
1.1 引言
當今溫室大棚產業不斷擴大，人們對於健康的要求也越來越高，溫室大棚提高農產品的質量，就必須要有適宜的生長環境。 本文介紹的基於GSM的太陽能農業大棚多功能智能監控系統，通過太陽能給單片機供電，設置不同的大棚植物所需的最適宜生長環境參數，系統實時檢測環境值，並在液晶模塊上顯示，如果與設置參數不同，則會啟動報警裝置，並通過GSM模塊給大棚管理者發送信息，同時自動採取相應操作。我們相信在未來的生活中，尤其是在溫室大棚中會起到很重要的作用。
1.2 項目背景/選題動機
近二十年來，我國十分重視農業的發展，對農業設施做了很多投資，溫室大棚就是其中最重要的一個項目。它作為一種新型的農業作物種植技術，已經突破了傳統作物種植受地域、自然環境、氣候等諸多因素的限制，對農業生產有重大意義。產量提高了，但是隨著人們生活水平的提高，健康也更加的被人們所關注，溫室大棚農產品的質量也是人們關心的焦點，。然而大棚綠色農產品怎麼樣才能最好的生長呢?目前我國溫室大棚多依靠人工經驗進行管理，或單片機控制的單參數，單迴路的較多，人們無法，通過自己的經驗能精準的控制給予蔬菜水果等植物，最佳適宜生長參數。溫室大棚自動化程度不高，效率低。就農作物的生長環境而言，光照，溫度，溼度是最基本的要素，而溫室大棚的智能監控系統是實現其生產自動化，高效率化的最關鍵，最重要的環節。作為智能監控系統必須能夠實現對以上要素的數據進行採集，分析，處理，並且進行相應的報警和智能控制，從而使得溫室大棚的農作物能生長在一個最佳適宜的生長環境中。
二、需求分析
2.1 功能要求
單片機所需電能有太陽能提供，可以設置各種植物生長所需的光照度，溫溼度值，系統實時採集環境值，並在液晶上顯示。如果超標或不足，系統會自動報警，並自動採取開關燈，開關門，灌溉，捲簾等操作。系統會通過GSM模塊給大棚管理者發送報警信息。本系統既可用於大面積的溫室大棚種植，也可用於特殊植物的小面積培育。系統架構如圖2.1所示：
圖2.1 系統架構
2.2 性能要求
由太陽能供電，溼度測量範圍：20%～90%RH，溫度測量範圍：0～+50℃，信號傳輸距離可達20米以上，採集的數據信息在液晶上顯示。單片機控制GSM模塊，將參數信息發送給管理者。
三、方案設計
3.1 系統功能實現原理
如下圖所示：該系統主要由以下幾大模塊組成：太陽能供電模塊，傳感器模塊(光照度傳感器，溫溼度傳感器)，GSM模塊，智能控制模塊(開關門，開關燈，灌溉，捲簾)，鍵盤模塊，液晶顯示模塊。系統硬體結構框圖如圖3.1所示：
圖3.1 系統硬體結構框圖
3.1.1 太陽能供電模塊
太陽能是一種乾淨的可再生的新能源，越來越受到人們的青睞，在人們生活、工作中有廣泛的作用， 其中之一就是將太陽能轉換為電能，太陽能電池就是利用太陽能工作的。
太陽能供電模塊採用深圳市萬家好太陽能公司生產的5 W多晶矽太陽能電池，最大電壓18V，多晶矽太陽能電池的光電轉換效率約12%左右。從製作成本上來講，比單晶矽太陽能電池要便宜一些，材料製造簡便，節約電耗，總的生產成本較低，因此得到大量發展。
3.1.2 傳感器模塊
光照度傳感器：光照度是農作物生長的重要參數之一,在設施農業中光照度的檢測越來越得到科技工作者的重視。目前設施農業溫室大棚環境控制用的光照度檢測電路中,所使用的敏感元件大多為矽光電池。實際上光敏二極體較矽光電池有許多優點,有很高的帶寬,價格便宜,特別是光電流與光照度之間呈較好的線性關係,因此他在光耦合隔離器、光學數據傳輸裝置和測試技術中得到廣泛的應用。因此本系統是根據光敏二極體的感光特性,設計一種簡單實用的光照度檢測電路。
溫溼度傳感器： 溫溼度對農作物的生長也相當重要。本系統採用的是DHT11數字溫溼度傳感器，它是一款含有已校準數位訊號輸出的溫溼度複合傳感器。它應用專用的數字模塊採集技術和溫溼度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感溼元件和一個NTC測溫元件，並與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗幹擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的溼度校驗室中進行校準。校準係數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準係數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。
3.1.3 GSM模塊
移動通信網絡GSM現已覆蓋全國,是我國公眾移動通信網的主要方式，主要提供話音，短消息，傳真等業務。作為GSM網絡的一項遠程業務，具有通過手機發送和接收有線長度的文本信息的功能，已經在許多領域得到越來越多的應用，如諮詢服務，移動商務，E-mail應用，娛樂，定位服務，遠程監控，和企業服務等。GSM數據模塊的出現給GSM網絡的發展注入了新的活力和提供了廣闊的市場，而單片機技術已在測控領域得到了廣泛的應用，本系統利用單片機對GSM模塊進行控制，各項環境參數通過遠程無線傳輸，發送到大棚管理者手機上。
3.1.4 智能控制模塊
開關通風口：溫室大棚內的溫度過高時，溼度過高時，可以採取自動打開通風口的動作，從而達到通風的目的。如果溫度低時，要先把通風口關上，再開燈取暖。
開關燈：溫室大棚內的溫度過低時，可以採取開燈取暖的方式，類似於家用取暖器的原理。將電能轉化為熱能使溫度增加。系統將實時採集溫度值，一旦溫度達到了所需值，就可以關掉燈。
灌溉：溫室大棚內的溼度過低時，可以採取自動灌溉技術，保證植物的水分供給，避免人工灌溉造成水資源的浪費。
捲簾：溫室大棚內的光照度不足時，可以採取自動將大棚的帘子卷開，反之，則將帘子蓋上，這一操作準確且及時，減少了人力，物力。
3.1.5 鍵盤模塊和液晶顯示模塊
鍵盤模塊：不同的蔬菜有不同的適宜環境生長值，通過鍵盤可以增加或減少默認值，設置最佳生長參數。液晶顯示模塊：顯示當前時間，光照度和溫溼度。
3.2 硬體平臺選用及資源配置
經過商討決定，硬體平臺選用主辦方提供的EVK1100，它是一個基於AVR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開發系統。本系統的實現需要很多資源，EVK1100恰好可以滿足其需求。
3.3系統軟體架構
系統軟體架構如圖3.3所示：
圖3.3 系統軟體架構
3.4 系統軟體流程
程序整體流程圖如圖3.4所示，鍵盤模塊程序流程如圖3.4.1所示，液晶模塊程序流程圖如圖3.4.2所示，報警器模塊程序流程圖如圖3.4.3所示，傳感器模塊程序流程圖如圖3.4.4所示，智能控制模塊程序流程圖如圖3.4.5所示，GSM模塊程序流程圖如圖3.4.6所示：
圖3.4 程序整體流程圖
3.4 系統預計實現結果
能夠實時採集光照度和溫溼度，並在液晶上準確顯示。自動報警系統可以根據大棚管理者設置的不同生長參數作出提示，另外，單片機通過GSM模塊把超標或不足信息發送給管理者，同時作出相應自動控制。