基于单片机和雪量传感器的大棚防雪防压塌报警系统研究

【摘要】在冬季，北方农村的蔬菜大棚时常受到大雪的侵害。特别是晚上，由于菜农正在睡觉，对夜晚突至的大雪缺乏警惕性和防范性，因而无法及时扫除大棚上的积雪，导致蔬菜大棚被压塌。为了防止积雪过厚，压塌蔬菜大棚，本文采用AT89S52单片机和HSC-SE80雪量传感器，设计了一套大棚防雪防压塌报警系统，较好的解决了这个问题。

1.引言

北方的冬季是冰雪天气多发的季节，如果遇到雪灾，在白天，菜农可以及时发现大棚顶上的积雪，如果积雪过厚，可以及时清雪。而在晚上，由于菜农都在休息，无法时时刻刻蹲守在大棚，所以无法及时发现积雪。据作者在山东各地区的实地采访，大雪压塌蔬菜大棚的事故多发生在深夜，由于深夜突降的大雪导致第二天清晨才发现大棚被压塌的情况数不胜数[1]。目前菜农的防雪手段还停留在原始的阶段，多是看天气预报，或者是提前在棚顶撒盐，不能有效的对付较大的雪灾。而使用新型材料做支撑骨架虽然能有效提高大棚的抗雪抗压能力，但是其造价极高，目前尚不能大规模推广。经调查，目前大多数蔬菜大棚还在使用竹竿或者钢结构做支撑架，其抗雪抗压能力受到很大的限制，针对这一情况，本文设计了一种大棚防雪防压塌报警系统，采用雪量传感器HSC-SE80，能有效探测到棚顶的积雪量，如果积雪超过一定厚度，会通过系统的GSM模块向菜农发送报警短信，及时提醒菜农，以便及时赶到大棚除雪。

2.系统总体方案设计

整个系统分为三个模块：雪量探测，主机，GSM模块。雪量探测模块的功能是有效的探测到棚顶的积雪高度。主机模块的功能是判断积雪是否高于我们设定的预警值，另有键盘和显示装置，来设置预警值或查看雪量信息。GSM模块的功能是沟通主机与菜农，如果主机检测到雪量高于我们设定的预警值，则由GSM模块向菜农的手机发送报警短信，来达到预警目的，系统总体方案的结构如图1所示：

3.系统的硬件电路设计

3.1 主芯片选择

本文采用一片AT89S52单片机作为控制核心，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统上编程的Flash 存储器，其使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，抗干扰性比较强[2]，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得AT89S52完全能适应本系统的功能需求。

3.2 接口电路

由于雪量探测模块所采用的雪量传感器HSC-SR80，和用于通信的GSM模块，使用的都是RS-232接口，所以要给主电路设计接口电路，本文采用一颗MAX232芯片完成接口的转接任务[3]。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。

3.3 雪量探测模块

目前市面上的雪量传感器，主要有激光和超声波探测[4]，激光探测虽然精度比较高，抗干扰能力也比较强，但是成本太高，因此本文采用了华创维想科技开发有限公司的HSC-SR80雪深传感器，该传感器是一个性价比很高的测量雪深的解决方案，采用超声波探测。HSC-SR80测量探头到被测目标表面的距离，通过发射50kHz的超声波来进行测量，主要原理是通过发出一个声波脉冲，然后再接收这个回波，测量这个传播过程的时间。因为声波在一定的温度下的传播速度是一定的，所以通过测量传播时间、空气温度就可以计算出这段距离。传感器集成了温度传感器，通过测量温度对超声波速度进行修正，测量数据可通过RS-232串口以ASCII码输出。

3.4 GSM模块

本文的GSM模块采用的是TC35i芯片[5]，TC35i是德国西门子公司的一款双频900/ 1800MHZ高度集成的GSM模块，其易于集成，使用它可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。其支持数据、语音、短消息和传真，集成强大的SIM应用工具包，具有体积小，重量轻，功耗低等优点。

4.系统的软件架构设计

雪量的检测最终是由系统的末端即雪量传感器来完成的，然后再将采集到的雪量信号传给单片机，由单片机判定是否调用GSM模块，向菜农发送报警信号，其总体系统的软件流程如图2所示。

系统上电以后，先由单片机进行初始化操作，包括HSC-SR80雪量传感器的初始化和TC35i的初始化。HSC-SR80雪深传感器的初始化工作包括：设置安装高度，设置传感器数据回传模式，设置串口通信模式，设置数据存储及数据自动回传时间间隔，设置传感器地址，设置传感器日期，设置传感器时间等等。TC35I发短信时采用的是PDU模式以实现中文短信的发送[6]。

5.报警参数的选择

由于本文的探测重点是雪量的探测，雪量传感器传回的数据是积雪的高度，所以报警的临界位选择是个特别重要的问题。根据查询到的蔬菜大棚技术规格，以CH-D5025为例，其技术规格如表1所示。

以三拱大棚为例，其跨度为9m，脊高3m，肩高1.7m，每根拱梁之间的间距为1.2m，故其棚顶面积约为24m2，经查询，刚下的积雪的密度约为100kg/m3，经计算后，理论上其可承受的雪量为20CM。而具体的报警参数，应该根据大棚的技术规格和风化程度做具体的计算，计算后的结果由键盘输入主机，保证了报警参数设置的灵活性。

6.结语

针对目前蔬菜大棚抗雪抗压的现状，本文设计了大棚的防雪防压塌预警系统，采用探测终端与手机终端相结合，实现了菜农对棚顶积雪的预警。经过测试，系统对棚顶雪量的探测误差在5mm以内，当雪量超过预警值时，菜农能够收到预警短信。该装置具有操作简单，成本低廉，应用灵活等特点。

参考文献

[1]任洪忠.陈庄五个蔬菜大棚被大雪压塌[N].齐鲁晚报，2011-12-1.

[2]万军.基于单片机大棚温湿度远程监控的设计与实现[D].电子科技大学，2012.

[3]裴清华.基于AT89 C5 1单片机的蔬菜大棚控制系统[J].计算机与现代化，2010，173（1）：4-6.

[4]王柏林，花卫东，阳艳红等.基于相位法激光测距原理的雪深传感器研究与应用[J].气象科技，2013，41（4）：597-599.

[5]周国祥，周俊，苗玉彬等.基于GSM的数字农业远程监控系统研究与应用[J].农业工程学报，2005，21（6）：87-90.

[6]郑争兵.基于GSM网络的蔬菜大棚环境参数监测系统[J].广州农业科技，2012（1）：158-159.