全球移动通信系统（GSM）和单片机技术在家庭农场高效管理中的应用

赵方+苏咏梅

摘要：根据家庭农场种植规模大且分散的特点，设计基于全球移动通信系统（GSM）短信息技术的家庭农场高效管理的远程实时监控装置。该装置由检测终端、监控中心终端和手机监控终端组成。检测终端用SHT11检测家庭农场的温、湿度，用BH1710FVC检测家庭农场的光照强度，用KSC-6V检测土壤湿度信息，采用TC35I模块通过GSM网络将家庭农场的环境参数实时传送至监控中心和农场主手机中，从而实现用较少的劳动力集中管理较大规模家庭农场的目的，节约了大量的劳动力，该设计将会加快我国家庭农场发展的步伐。

关键词：家庭农场；全球移动通信系统（GSM）；短信息；单片机；远程监控

中图分类号： S126文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）04-0194-04

“家庭农场”一词源于欧美，2013年“家庭农场”的概念首次在中央一号文件中出现。在我国，家庭农场是指以家庭成员为主要劳动力，从事农业规模化、集约化、商品化生产经营，并以农业收入为家庭主要收入来源的新型农业经营主体，农场主本人及其家庭成员直接参加生产劳动。2013年，中央一号文件提出家庭农场的经营模式后，各地政府鼓励和支持承包土地向专业大户、家庭农场、农民合作社流转。透过中央一号文件对“家庭农场”的鼓励和支持态度，人们看到了一条农业农村改革的新路径，一条充满阳光和希望的新路径。

[JP2]当前，随着城镇化的不断发展，数以亿计的农民工进城打工，有很多农民工还长期在城市驻扎下来。而与之相对应的问题是，在不少村庄出现了“青壮年荒”，或者说是“劳力荒”，村里留守的大多是老人和儿童，青壮年已经不愿意或者因工作原因不能、不便回家种地，大量的耕地主要靠老人打理。尽管有日益发展的农业机械化帮忙，但年龄越来越大的老年人们还是越来越感到力不从心了。当前家庭农场的种植主要以温室大棚和大面积的规模种植为主。不论是数目较多的温室大棚管理还是大面积的规模种植管理，都需要花费大量的人力去查看温室的温度、空气湿度、土壤湿度、光照度等指标。所以，要响应中央的号召加快家庭农场发展的步伐，就必须想办法充分利用信息技术，在劳动力有限的条件下，实现家庭农场的高效管理。本研究开发了1种利用全球移动通信系统（GSM）短信息技术，是实现家庭农场的集中管理、远程监控的装置。[JP]

1远程实时监控装置整体思路

当前，制约家庭农场迅速发展的因素很多，其中家庭劳动力不足是导致家庭农场的规模不大、发展缓慢的重要原因。目前，家庭农场主要以温室大棚种植和大面积产业化种植为主，对于温室大棚来说，温度、空气湿度、土壤湿度、光照度等参数是影响大棚内植物生长的关键因素，对于大面积产业化种植来说，土壤湿度的保持即何时浇水是关键因素。据此，基于单片机技术、检测技术和GSM无线通信技术设计可以通用于温室和大面积种植的土地的集中检测、管理和自动控制装置，可节省人力、物力，有助于加快家庭农场的规模和发展速度。本装置主要包括监控终端控制器、上位机监控中心软件及农户手机3个部分，系统组成结构见图1。

本装置通用于温室大棚、大面积种植等模式的家庭农场。加上图1虚线框中的传感器可以构成温室大棚的远程集中管理，对于大面积种植的集中管理可以去掉虚线框中的部分。整个装置分为两大部分：一部分是以微处理器为核心的温度、湿度、光照度的自动控制终端；另一部分是以GSM模块和个人计算机（PC）为核心的信息远程传输和监控终端。控制终端的功能是温度传感器、空气湿度传感器、光照度传感器、土壤湿度传感器将采集到的实时信息经过模拟量/数字量（A/D）转换后经微处理器的输入/输出（I/O）口送入微处理器并与事先设定的值比较，根据比较结果决定是否通风、浇水等，微处理器把决策结果信号经过D/A转换电路后经功率放大去驱动执行机构发出相应的动作，如接通浇水电源开始浇水、启动大棚覆盖温控设备进行升温或降温、开启加湿/除湿设备从而实现温、湿度和光照度等的自动调节。装置中的液晶显示器可以实时显示现场的温度、湿度、光照度等信息。通过系统键盘可以设定现场的温度、湿度、光照度等信息。若现场的某个传感器故障或者执行机构自动调节不成功，则发出声光报警，同时微处理器启动GSM模块，将报警信息传输至上位机监控中心和用户手机，以便用户及时作出处理，避免造成不必要的損失。远程监控终端的功能是接受来自控制终端的各种信息和数据并在上位机监控软件中显示以方便农场主查看，农场主还可以通过上位机软件和GSM通信对控制终端进行控制，上位机软件带有数据库，农场主可以方便地查看各

个监测点的历史数据信息。同时为实现双重保险，监控终端的报警等紧急信息还可以同时发给农场主手机。

2监控装置的硬件设计

2.1控制器的选择

主控制器选择MSP430单片机，它具有丰富的片上资源，有2个16位定时器、14路的12位模数转换器、6路I/O口，2路串行通信端口等资源，具有功耗低、抗电磁干扰能力强、速度快等特点[1]，本设计选择该单片机作为主控制器，完全满足设计和工作环境的要求。

2.2家庭农场环境参数检测电路的设计

家庭农场（以温室大棚为例）中空气的温、湿度采用数字集成温湿度传感器SHT11，SHT11是将温湿度传感器、信号放大调理电路、A/D转换电路、工业标准的I2C总线接口全部集成在1块微型电路板上，输出完全标定的超低功耗的数字信号传感器。默认的测量温度、相对湿度的分辨率分别为14、12位，设计中均设置为12位分辨率，则相对湿度测量范围为0%～100%，分辨率为0.3%，温度测量范围为-40～1238 ℃，分辨率为0.01 ℃。其供电电压是2.4～5.5 V，推荐值是3.3 V。空气温、湿度检测电路见图2-a。

光照度传感器选用数字照度传感器BH1710FVC，它是16位串行数字输出型环境光照传感器，采用I2C总线结构。该传感器接近人的视觉，具有低功耗、与人的视觉灵敏度相似的光谱灵敏度等特点，可以检测从黑暗到日光直射范围的光照度，工作电压是2.4～3.6 V，温度范围是-40～100 ℃。该传感器本身具有高、中、低3种测量精度模式，可以通过指令进行选择，其测量电路见图2-b。