1 引言
溫室是利用可調控的技術手段，在不適宜露地植物生長的季節用來栽培植物的設施[1]。它可改變植物生長的外部環境，為植物創造最佳條件，從而達到高效、高產的目的。20世紀90年代，大規模的溫室開始引進農業生產，并逐漸成為設施農業的重要內容。目前，我國溫室的建造面積已超過120萬公頃，躍居世界第一。但是我國商品化溫室普及率很低，60%以上為簡易日光溫室，溫室環境參數主要靠人工檢測[2]。人工檢測溫室環境工作量大，效率低，阻礙了溫室的規模化發展。
隨著科學技術的不斷進步以及計算機技術的普及，溫室環境的自動控制成為溫室建設的目標，溫室管理智能化成為溫室發展的方向。溫室環境的檢測是實現自動控制和智能化的基礎。世界發達國家如荷蘭、美國、英國、日本等大力發展集約化的溫室產業，智能化溫室測控系統已經得到應用，溫室內溫度、光照、水、氣、肥實現了計算機調控，遙測技術、網絡技術、控制局域網也在溫室的自動管理控制中得到了廣泛應用[3]。我國的溫室環境檢測起步較晚，但也產生了一批有價值的研究成果，華中科技大學開發了基于PLC 的溫室環境智能控制系統[4]，浙江大學開發出掌上型溫室環境測控系統[5]，延安大學研制了基于單片機的溫室環境數據采集終端[6]。但由于成本和技術普及等方面的限制，溫室環境參數的自動檢測系統在實際生產過程中的應用受到嚴重制約，限制了溫室環境自動檢測系統的推廣和應用，因此開發一套適合我國國情的低成本，易用、易安裝的無線溫室環境檢測系統對于溫室環境的自動化控制和智能化管理具有重要意義。
2 系統組成
本文介紹的溫室環境無線檢測系統由數據采集終端、無線傳輸模塊和監控中心三部分組成。數據采集終端主要由單片機系統和各參數檢測傳感器組成，實現溫室溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度的前端采集、數據轉換以及臨時存儲；采集的數據定時通過GSM無線網絡傳送到監控中心；監控中心為安裝有筆者開發的溫室環境無線檢測系統軟件的普通計算機, 負責對溫室環境參數的處理、分析、顯示以及儲存，如果溫室環境參數變化異常，監控中心將通過GSM網絡以短消息的模式發送到溫室相關管理人員的手機中進行及時提醒，同時，監控中心還可以通過GSM網絡隨時向數據采集終端發送指令，對傳感器參數、無線傳輸參數進行調整和修改，查看網絡系統中的任何溫室的環境參數。系統結構組成圖如圖1所示。
圖1.系統結構組成圖
3 數據采集終端
3.1 終端硬件設計
數據采集終端的核心選用AT89C51單片機。單片機與PLC和ARM系統相比，具有體積小、電路簡單、技術成熟、功耗低等優勢。因為溫室環境參數數據量小，變化緩慢，速度和精度要求不高，單片機的性能完全滿足具體的使用要求，并且可以大大降低系統成本。AT89C51單片機是一種高性能8位單片機，采用了CMOS工藝和NURAM技術，輸出引腳和指令系統都與MCS-51兼容。本文設計的數據采集終端硬件結構圖如圖2所示。
圖2. 數據采集終端硬件結構圖
3.1.1 傳感器選用
終端檢測溫室的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度，選用傳感器類型及相關參數如表1所示。
表1.傳感器選型參數表
3.1.2 A/D轉換芯片
A/D轉換芯片選用MAX186，它是一種串行輸入的模數變換器，轉換精度為12位，該芯片變換速率高、功耗低、增益調節簡單，利用MAX186的4個模擬信號通道采集溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度。
3.1.3 時鐘芯片
采集的時間間隔由時鐘芯片控制，默認每小時采集并發送一次。時鐘芯片選用DS12887型號芯片，它把時鐘所需的晶振和外部鋰電池相關電路集于芯片內部，無需任何外圍電路，芯片內部有114個字節為通用RAM且具有掉電保護功能，掉電情況下，數據不會丟失。
3.1.4 看門狗芯片
本系統數據采集終端長期在溫室內工作，為了防止程序跑飛或進入死循環，選用X25045看門狗芯片。X25045是標準化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時器、電壓監控三種功能組合在單個芯片之內，大大簡化了硬件設計，提高了系統的安全性和可靠性。
3.1.5 電平轉換芯片
本系統數據采集終端和監控中心均通過RS-232接口與無線傳輸模塊連接。單片機使用TTL電平，即0到+5v的電壓，而RS-232信號電平為-10V到10V的電壓。兩者進行連接時，需要一個電平轉換芯片MAX232，用于TTL電平和RS-232電平的轉換。
3.2 終端軟件設計
數據采集終端軟件設計流程如圖3所示。系統上電后初始化各個模塊，如設置串口波特率、初始時鐘芯片時間等，然后等待中斷。數據采集終端發送數據有兩種工作模式，一種是定時發送，每個響應時刻采集并發送一次；另一種工作模式是根據控制指令隨機采集溫室環境參數。當控制中心計算機通過GSM網絡向數據采集終端發送采集數據，修改參數等控制指令時，數據采集終端首先根據規定的控制指令協議判斷真偽，若真則完成相應動作并發送確認短信，否則不做任何響應。
圖3. 數據采集終端軟件設計流程圖
4 GSM網絡無線傳輸模塊
系統通過GSM網絡進行數據和指令的無線傳輸。GSM (global system for mobile communications) 是根據GSM技術規范建造的國際無線蜂窩網絡，目前是我國覆蓋范圍最大、市場占有量最大的數字蜂窩系統。短消息服務(SMS)是GSM技術的一項內容，它每次可傳輸140個字節的數據，通過GSM網絡的信令信道傳送。短消息業務分為點對點短消息業務和小區廣播短消息業務。點對點的短消息業務通過短消息業務中心(MSC)來完成存儲和轉發功能，當接收終端不在線時，GSM系統會在用戶數據庫中設置等待標志，待接收終端上線后，GSM系統會及時通知短消息中心重新發送短消息。短消息業務依附于GSM網絡之上，在GSM網絡覆蓋的范圍內均可傳送短消息，它是一種確認型業務，具有雙向尋呼的特點，確保消息可靠接收，利用點對點短消息業務可方便可靠地實現信息的遠程傳輸。
系統選用集成TC35i芯片的GSM模塊，基于以下幾個方面的特點：所有與AT 響應有關的操作都是由GSM模塊在其內部完成；程序開放，支持用戶方便進行二次開發；具有格式及透明傳輸兩種傳輸格式；無須驅動程序；設置四字節的密碼，可使接收終端免收廣告、通知等數據干擾。
檢測過程中，數據采集終端連接的GSM模塊需要向監控中心連接的GSM模塊發送數據，監控中心GSM模塊的目標地址需要不斷變化，數據采集終端GSM模塊的目標地址是固定不變的。因此監控中心GSM模塊為非透明傳輸，數據采集終端GSM模塊工作在透明方式下。非透明傳輸時發送和接收內容格式如表2所示。透明傳輸方式下，發送和接收的內容無格式要求，所發即所收。兩種方式混用時，非透明傳輸的GSM模塊按照格式發送或接收信息，透明傳輸的GSM模塊只發送或接收有格式傳輸的“數據”部分內容。
表2.GSM模塊非透明傳輸數據格式
5 監控中心
監控中心溫室環境無線檢測系統軟件具有參數設置、數據顯示、數據保存與查詢、溫室環境數據分析、生成報表與打印，控制指令，短信報警等功能模塊。檢測開始前，用戶可通過參數設置模塊對傳感器進行標定，對采樣頻率、串口波特率等參數進行設置；檢測過程中，溫室環境無線檢測系統軟件讀取GSM模塊收到的數據，并以數字儀表的形式顯示溫室的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度，同時可實現數據的存儲、歷史數據的查詢、分析繪制溫室環境變化曲線以及生成WORD報表、打印等功能；控制指令模塊包含開始采集、停止采集、更改設置等指令，可在工作過程中對數據采集終端進行有效控制；溫室環境無線檢測系統軟件實時對溫室環境參數進行分析判斷，如有異常變化將及時向相應溫室管理員手機發送報警短信。
溫室環境無線檢測系統軟件的編寫采用美國NI公司開發的基于C語言的虛擬儀器軟件開發平臺LabWindows/CVI，它提供了豐富的串口通信編程函數，并且能很方便的實現數據的讀取、存儲等功能。系統軟件主界面如圖4所示。
圖4.溫室環境無線檢測系統主界面
6 結論
本文集成虛擬儀器技術、單片機技術和GSM無線通訊技術開發了一套溫室環境無線檢測系統，實現了溫室環境參數的自動檢測和無線傳輸，監控中心可遠程檢測溫室環境，并可對環境參數進行深入分析研究，還可對異常情況短信報警。系統成本低，安裝改造方便，可靠性高，適合大范圍推廣。通過傳感器的擴展還可對更多參數進行檢測。