【正文】 .................... 36 參考文獻(xiàn) ........................................................... 37 致謝 ................................................. 錯誤 !未定義書簽。 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 6— 第一章 前言 研究背景 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增多，對水資源的利用正在迅速增長，占世界人口總量 40%的 80 個國家缺水，其中 26個國家嚴(yán)重缺水。我國水資源總量為 萬億 mm3，居世界第 6 位，我國人均占水僅 2200m3，排在世界第 109 位。我國的水資源在時空上分布很不均勻，南多北少，東多西少 ； 夏秋多，冬春少 。占國土面積 50%以上的華、西北、東北地區(qū)的水資源僅占全國總量的 20%左右，農(nóng)業(yè)的季節(jié) 性、區(qū)域性干旱缺水問題十分突出。 農(nóng)業(yè)節(jié)水不僅是可能的，而且潛力很大，對占消費(fèi)水 80%左右的農(nóng)業(yè)用水的合理使用和發(fā)揮最大效益應(yīng)該說具有非常重要的意義。我國旱地農(nóng)業(yè)面積約 億 m2，占耕地面積一半以上，平均每年受早面積約達(dá) 億 m2，成災(zāi)減產(chǎn)的約 億 m2左右，這些干旱地區(qū)水資源灌溉的開發(fā)余地幾乎枯竭。然而我國灌溉用水利用率卻很低，約有 6070%的水資源因灌溉方法不當(dāng)白白浪費(fèi)。從作物需要來講，我國水分有效利用率僅 ，個別省份只有 ，與先進(jìn)國家的，浪費(fèi)驚人。 21世紀(jì) 的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)將是農(nóng)業(yè)科技革命的重要組成部分，節(jié)水灌溉具有廣闊的前景 [1]。 單片機(jī)灌溉技術(shù)是當(dāng)前世界上諸多節(jié)水灌溉技術(shù)中省水率最高的一種先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)，單片機(jī)灌溉屬局部灌溉、精細(xì)灌溉，灌節(jié)水 50%~60%，增產(chǎn)20%~30%，一般只用于溫室中水果、蔬菜、花卉等產(chǎn)值高、收益高的經(jīng)濟(jì)作 。到 90 年代中期，全世界單片機(jī)灌溉面積達(dá)到 291. 3 萬畝，約占全世界灌溉面積的 1. 1%，其中美國約 150 萬 m2。我國單片機(jī)灌溉面積只徘徊在 2~3. 7 萬 m2。 世界上單片機(jī)灌溉技術(shù)的發(fā)展最有代表性的國家應(yīng)首推以色列，其溫 室種植全部采用單片機(jī)灌溉。以色列溫室滴灌的最高水利用率為 95%，以色列著名的公司有 NETAFIM， AAMLAD、 PLAASTRO 等。單片機(jī)灌溉方式普遍采用計(jì)算機(jī)控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關(guān)土壤水分的信息。計(jì)算機(jī)化操作運(yùn)行精密、可靠、節(jié)省人力，對灌溉過程的控制可達(dá)到相當(dāng)?shù)木?。在以色列，已?jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對灌溉過程進(jìn)行全部控制 (無線、有線 )的農(nóng)場主。 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 7— 但是我國單片機(jī)灌溉技術(shù)還處于初級發(fā)展階段，系統(tǒng)的成套性還較差，主要部件品種少，質(zhì)量不穩(wěn)定，自動化程度低，大部分單片機(jī)灌溉技術(shù)還停留在人工操作上 ，即使有些地方搞了一些灌溉工程自控系統(tǒng)，也只是從國外引進(jìn)或者是小規(guī)模的局部控制，國內(nèi)開發(fā)的自動灌溉控制器目前還處于研制、試用階段。 總之，目前西方發(fā)達(dá)國家的自動灌溉控制器已基本發(fā)展成熟并朝著大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單機(jī)控制兩個方向發(fā)展，產(chǎn)品一般都能與微機(jī)通訊，并由微機(jī)對其施行編程操作 [2]。 研究目的和意義 灌溉管理自動化是世界先進(jìn)國家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要手段，而我國目前仍局限于灌溉單項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，技術(shù)的集成和自動化水平較低，這也是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日、英、美等 國家己采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報(bào)，實(shí)行動態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，監(jiān)土壤墑情和作物生長，開發(fā)和制造了一系列用途廣泛、功能強(qiáng)大的數(shù)字式灌溉控制器，得到廣泛應(yīng)用 [2]。 任務(wù)和要求 本課題采用 AT89C51 單片機(jī)為灌溉控制器的核心，通過傳感器自動檢測土壤水分，按照設(shè)置的程序根據(jù)土壤含水量要求的上、下限確定供水時間、供水量，采用預(yù)編定時程序的時間控制和根據(jù)水分信息決定灌溉指標(biāo)的閉環(huán)控制兩種工作方式，并能實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能。使單片機(jī)灌溉向適時、適量、按需灌溉發(fā) 展，達(dá)到節(jié)約用水、省工省時、增產(chǎn)增收的目的。 本自動灌溉控制器的總體研制方案如下 ： ①自動控制器采用 ATMEL 公司的 AT89C51 系列單片機(jī) ； ②土壤水分測量時采用先進(jìn)的 TW02 型水分傳感器，可同時接八路傳 器 ； ③系統(tǒng)控制多路輸出 ； ④系統(tǒng)可完成 :傳感器自動閉環(huán)控制，時間控制等多種灌溉控制方式 ； 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 8— ⑤具有灌溉水分超出設(shè)定范圍自動報(bào)警功能 ； ⑥根據(jù)以上性能要求本控制器采用 4 位 LED 顯示和 4 個按鍵來完成多種功能操作?？傮w功能確定后， 開始著手整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編制工作 [3]。 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 9— 第二章 智能灌溉系統(tǒng)的組成 灌溉總系統(tǒng)的組成 自動化單片機(jī)灌溉系統(tǒng)是指利用微機(jī)技術(shù)對單片機(jī)灌溉工程的主要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制以及各種信息處理，及時地對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行全面地分析和準(zhǔn)確的判斷，確保灌溉工程安全、合理和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。它包括傳感器系統(tǒng)，控制器系統(tǒng)和水源控制系統(tǒng)三大部分組成。 圖 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 10— 灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖 圖 灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖 單片機(jī)灌溉量的確定 灌水量的確定 灌水量可由式 m = (b1b0)hpr （ 21） 計(jì)算，式中 :m 為灌水定額 ； b1， b0 分別為土壤田間持水量和灌前土壤含水率 ； r 為土壤干容 (t/m3)； h 為土壤計(jì)劃濕潤層深度 ； P 為單片機(jī)土壤濕潤比。 灌水時間間隔的確定 兩次灌水之間的時間間隔又稱灌水周期 T=m/E， T 為灌水周期 (h)； E 為作物需水量 ； m 為灌水定額 (mm)。 一次灌水延續(xù)時間的確定 t=(m178。 Se178。 Sr)/η q. （ 22） 式中 :t 為次灌水延續(xù)時間 (h)； Se 為灌水器間距 (m)； Sr 為毛管間距 (Cm)； q土壤水分傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器 AT89C51 鍵盤 報(bào)警 LED 顯示 光隔 繼電器 電磁閥 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 11— 為灌水器流量 ((L/h)； η為單片機(jī)灌溉水利用系數(shù)，一般為 ~0. 950。 灌水次數(shù)與灌水總量的確定 采用單片機(jī)灌溉，作物全生育期的灌水次數(shù)比傳統(tǒng)地面灌多，并隨作物種類、地區(qū)水源條件等而不同?？偣嗨?M=∑ mi； M 為灌溉定額即總灌水量〔 m3〕 ；mi 為各次單片機(jī)灌溉灌水量，即灌水定額 (m3)。 開啟和關(guān)閉供水系統(tǒng)的土壤含水量臨界點(diǎn)的確定 這兩個臨界點(diǎn)的 選擇要依據(jù)土壤的水分特性、作物的需水特性及灌溉管理的要求確定，相當(dāng)于確定農(nóng)田灌溉管理用的土壤含水量上限 (關(guān)閉值 )和下限 (開啟值 )。田間持水量是指土壤中毛管懸著水達(dá)到最大量時的土壤含水量，當(dāng)灌溉水量超過田間持水量時，只能加深土壤的濕潤深度，而不可能再增加土層中含水量的百分?jǐn)?shù)，它是土壤中對作物有效水的上限，可用作灌溉的上限和計(jì)算灌溉量的依據(jù)。灌水定額 =(田間持水量一灌水前土壤含水量 )。毛管斷裂含水量，是指土壤中毛管懸著水發(fā)生斷裂時的土壤含水量，土壤這時的水分已不能滿足作物的需求，一般只是田間持水量的 65%左右， 可用此作物灌水的限。用灌溉控制器閉環(huán)控制灌溉農(nóng)田的土壤含水量動態(tài)變化可用圖 圖 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 12— 假定灌溉從 A 處開始，隨著農(nóng)田水分的消耗土壤含水量由點(diǎn) A 逐步下降，當(dāng)降至點(diǎn) B 時，達(dá)到設(shè)定的土壤含水量的控制下限，灌水設(shè)備起動，開始灌水，土壤含水量也快速上升。當(dāng)土壤含水量抵達(dá) C 點(diǎn)時，達(dá)到設(shè)定的土壤含水量控制上限，供水設(shè)備關(guān)閉，停止供水。但由于土壤含水量測定上的滯后，土壤含水量會有一個輕微的繼續(xù)上升的過程，最后達(dá)到 D 點(diǎn)。之后由于作物的吸收及土壤蒸發(fā)，含水量又開始逐步的下降，直至抵達(dá) E 點(diǎn)，開始下一次灌水過程。由于灌水時土壤含水量的變化比正常作物消耗情況下的變化要快得多，因而在灌水過程中土壤含水量的監(jiān)測頻率應(yīng)比作物耗水過程的監(jiān)測頻率高的多 [5]。 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 13— 第三章 GTM900C 無線模塊 GTM900C 模塊介紹 華為 GTM900C 無線模塊是一款兩頻段 GSM/GPRS 無線模塊。它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng) AT命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案。內(nèi)嵌 TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡單，易于集成 ,GTM900C軟件、硬件兼容 GTM900B、 TC35i、 MC39i，使用 TC35i或 MC39i的用戶不用作任何更改就可以使用。 華為 GTM900C 是一款雙頻 900/1800MHZ 高度集成的 GSM/GPRS 模塊，是GTM900B 的升級模塊。內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議模塊，使用簡單，易于集成，使用它您可以在較短的時間內(nèi)花費(fèi)較少的成本開發(fā)出新穎的產(chǎn)品。在遠(yuǎn)程監(jiān)控和無線公話以及無線 POS終端等領(lǐng)域您都能看到 GTM900C 無線模塊在發(fā)揮作用， GTM900C軟件、硬件兼容 GTM900B、 TC35i、 MC39i，使用 TC35i或 MC39i的用戶不用作任何更改就可以使用，以 降低產(chǎn)品成本。 主要功能 : GSM/GPRS Phase 2/2+ ； GSM 短信業(yè)務(wù)； GPRS CLASS 10 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；支持 Group3， Class2 傳真業(yè)務(wù)；電路交換業(yè)務(wù) (， )；分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) () ； FR/HR/EFR/AMR 語音編碼；呼叫轉(zhuǎn)移、等待、保持、呼叫前轉(zhuǎn)；多方通話、來電顯示、可選鈴聲 接口特性： 40pin zip 連接器；紅外串口接口； SIM 和 接口； 2 路模擬音頻輸入輸出接口；電源輸入接口和 充電管理； ADC 輸入；全雙工串行接口， TTL 電平；支持 ， ； TCP/IP擴(kuò)展 AT指令集。 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 14— GTM900C 模塊產(chǎn)品定位 華為 GTM900C 無線模塊是一款兩頻段 GSM/GPRS 無線模塊。它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令及增強(qiáng) AT 命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案。 GTM900C 模塊產(chǎn)品特性 表 31 GTM900C 的產(chǎn)品特性表 工作頻段 EGSM900/GSM1800 雙頻 最大發(fā)射功率 EGSM900 Class4(2W) GSM1800 Class1(1W) 接收靈敏度 106dBm 工作溫度 正常工作溫度 :20176。 C～ +70176。 C 擴(kuò)展工作溫度 :40176。 C～ 20176。 C 和 +70176。 C to～ +80176。 C 電源電壓 ～ （推薦值 ） 平均待機(jī)電流 (DRX=5) 關(guān)機(jī)漏電流 50uA 協(xié)議 支持 GSM/GPRS Phase2/2+ 支持華為 GT800 協(xié)議 AT命令 GSM 標(biāo)準(zhǔn) AT 命令 AT 命令 華為擴(kuò)展的 AT 命令 40PIN ZIF 連接器 UART 接口（最大串口速率可達(dá) 115200bit/s） 標(biāo)準(zhǔn) SIM 卡接口（ 或 3V） 兩路模擬音頻接口 電源接口 GSC 射頻天線連接器 50166。? GSC 射頻天線連接器 語音業(yè)務(wù) 支持 FR、 EFR、 HR 和 AMR 的語音編碼 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） — 15— 支持免提通話，提供回聲抑制功能 短消息業(yè)務(wù) 支持 MO 和 MT 點(diǎn)對點(diǎn)和小區(qū)廣播 短消息模式支持 TEXT 和 PDU GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) GPRS CLASS 10 編碼方式 CS 1， CS 2， CS 3， CS 4 最高速率可達(dá) 支持 PBCCH 內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議：支持多鏈接，提供 ACK 應(yīng)答，提供大容量緩存 電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 支持 CSD 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最高速率可達(dá) 支持傳真： Group3， 支持 USSD 補(bǔ)充業(yè)務(wù) 來電顯示、呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫保持、呼叫等待和三方通話等 集群功能 組呼、廣播和私密呼叫等（ GTM900C 模塊支持） STK 功能 通過增強(qiáng)的 AT 命令支持 STK 功能 ROHS 環(huán)保 符合 ROHS 環(huán)保認(rèn)證要求 GTM900C 模塊產(chǎn)品的應(yīng)用 GTM900C 在 Terminal 型固定臺、 Phone 型固定臺、車載臺、公用電話、電力無線抄表業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程信息服務(wù)臺等方面被廣泛的應(yīng)用。 GTM900C 無線模塊的業(yè)務(wù)演示框圖 沈陽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)