【正文】 idity and temperature are send to PC in substation after changing them to digital signals by AD transformation module The PC encodes the signals and adds start bit as well as check sodes into the coded signals to form transmittal data frames PTR8000 packes Frame signals under specified agreementaddes head word and CRC into signalsthen sents them to master stationAfter eliminating noises carrier signals received by receiving aerial are demodulated by PTR8000 Then the PC decodesthem and put them into database At the same time the the irrigation forecast and control module are designed to determine water requirement of plants to control opening or closing the electromagically operated valve by the drive circuit Key words Wireless transmission Watersaving irrigation Data acquisition 目 錄 中文摘要 I Abstract II 目錄 III 第一章 緒論 1 11 研究背景 1 12 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 13 本課題的 主要研究工作 3 21 研究方案的選擇 4 專家系統(tǒng) 4 微機測控技術 5 22 節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的原理 6 23 設計方案 7 系統(tǒng)框圖 7 設計總體結構與原理 8 24 主要器件的選擇 9 測量器件的選擇 9 單片機的選擇 10 AD 轉換器的選擇 11 電磁閥的選擇 11 無線通信模塊的選擇 12 31 單片機模塊的設計 17 AT89S51 的簡介 17 AT89S51 的主要性能及管腳介紹 17 32 單片 機與計算機通信電路的設計 22 單片機與計算機之間的電路連接 23 33 無線射頻收發(fā)電路的設計 24 PTR8000 24 基于 PTR8000 的無線收發(fā)電路的設計 28 41 數(shù)據(jù)采集電路的設計 31 土壤水分檢測電路的設計 31 溫濕度檢測電路的設計 34 42 CPU 處理電路的設計 35 43 AD 轉換電路的設計 36 ADC0808 簡介 36 43 基于 ADC0808 的 AD 轉換電路的設計 39 44 LED 顯示電路的設計 40 45 電磁閥 控制電路的設計 42 46 蜂鳴器電路的設計 43 51 系統(tǒng)主站軟件設計 45 單片機軟件設計 45 PTR8000 軟件設計 47 52 系統(tǒng)子站軟件設計 48 單片機軟件設計 48 數(shù)據(jù)采集程序設計 49 數(shù)據(jù)處理程序設計 50 數(shù)據(jù)顯示程序設計 51 電磁閥控制程序設計 52 第一章 緒論 11 研究背景 我國是一個農(nóng)業(yè)大國建國 50 年來農(nóng)業(yè)得到了很大發(fā)展取得了以占世界 7的耕地養(yǎng)活了世界 22 的人口的舉世矚目的成就但也付出了巨大 代價地下水位下降河湖干枯季節(jié)性缺水江河污染水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化等當前制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素是水資源嚴重不足而且隨著經(jīng)濟建設生態(tài)環(huán)境建設步伐的加快人們生活水平的提高對水的需求量將更大 我國農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺的同時農(nóng)業(yè)用水浪費現(xiàn)象卻非常嚴重我國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的 80 左右由于農(nóng)田灌溉用水的利用率普遍低下水的利用率僅為 45 而水資源利用率高的國家為 7080 為解決我國農(nóng)業(yè)用水短缺問題有兩種方法一種方法是開發(fā)新的水資源以滿足農(nóng)業(yè)用水需求這種方法在一定程度上可以緩解我國農(nóng)業(yè)水資源嚴重短缺現(xiàn)象但它同時也存在兩 個比較大的問題一是開發(fā)水資源所需的投資非常大而且見效慢受地理條件和資金等限制較大短期內(nèi)不能解決大面積的農(nóng)田灌溉問題二是我國水資源畢竟有限而農(nóng)業(yè)的發(fā)展是長期的靠開發(fā)水資源來解決農(nóng)業(yè)缺水問題是不現(xiàn)實的另一種解決農(nóng)業(yè)用水短缺問題方法是發(fā)展節(jié)水灌溉節(jié)水灌溉是遵循作物不同生長發(fā)育階段的需求規(guī)律而進行的適時灌溉利用盡可能少的水取得盡可能多的農(nóng)作物產(chǎn)出的一種灌溉模式在灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動化控制不僅可以提高水資源的利用率緩解水資源日趨緊張的矛盾還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量降低農(nóng)產(chǎn)品的成本研制與開發(fā)無線遙控節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)是 尋找客觀的節(jié)水的一種方法不但改善水資源緊缺的條件對提高水資源的利用率起一定的作用而且還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量降低農(nóng)產(chǎn)品的成本這就是我們這個項目的研究目的和研究意義 12 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近三四十年科技的發(fā)展拉開了新的農(nóng)業(yè)技術革命的序幕灌溉水管理技術的應用可以減少水在渠系調(diào)配過程中的損失達到節(jié)水的目的該技術還可以使水量分配合理增加水量分布的均勻性因此也是使作物增產(chǎn)增效的有效途徑以色列美國荷蘭等國家對不同作物的灌溉制度進行了深入的研究己取得了豐富的成果主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)信息的獲取和及時處理農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理農(nóng)業(yè) 專家系統(tǒng)農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)農(nóng)業(yè)計算機網(wǎng)絡應用和農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易信息化等 一國外研究狀況 國外由于節(jié)水灌溉發(fā)展時間長電子技術水平較高所以與節(jié)水灌溉配套的自動控制系統(tǒng)也較完善和先進節(jié)水灌溉發(fā)達國家已普遍采用計算機控制灌溉系統(tǒng)用埋在地下的濕度傳感器可以測得土壤濕度信息還有的智能系統(tǒng)能通過檢測植物莖果的直徑變化來決定對作物的灌溉計劃和灌溉量在溫室等設施內(nèi)較多使用小型灌溉控制器這種設備通常能控制幾路或十幾路電磁閥內(nèi)有若干套灌溉管理程序可預先設定灌水開始結束時間和灌水間隔時間操作方便自動化智能化控制運行精密可靠節(jié)省 人力對灌溉過程的控制可達到相當精度 近年來發(fā)達國家為滿足對灌溉系統(tǒng)管理的靈活準確快捷的要求將空間信息技術計算機技術和網(wǎng)絡技術等高新技術應用到節(jié)水灌溉的控制與管理上來這些技術是目前節(jié)水灌溉研究的熱點 二國內(nèi)研究狀況 我國的節(jié)水灌溉技術和設備自 20世紀 50年代從國外引進后由于設計管理及設備上的一些問題沒有得到大面積的應用相配套的自動控制系統(tǒng)就更少了到 20世紀 80 年代隨著經(jīng)濟的發(fā)展水資源的緊張及國家的重視節(jié)水灌溉得到了迅猛地發(fā)展從國外引進許多先進節(jié)水灌溉設備同時我國在滴灌等節(jié)水灌溉技術上的研究也取得長足進步但是在 自動灌溉控制系統(tǒng)方面仍屬空白與國外相比我國技術還比較落后基本上還沒有自行研制的成型的自動控制產(chǎn)品那些引進的國外灌溉自動控制設備是為國外的具體情況設計的沒有考慮我國的氣候土壤條件作物類型等因素并不適合我國的國情不能充分發(fā)揮它的優(yōu)勢凡此種種在我國推廣引進國外控制設備不可行的目前我國許多溫室大棚都己配備了滴灌噴灌等各種微水灌溉設備但是缺乏與之配套的節(jié)水灌溉自動控制產(chǎn)品這些溫室大棚仍然采用手動開關閥門的方式來控制灌溉耗費人力而水的利用效率仍然不高 因此加速開發(fā)適合我國國情的成套適用可靠低成本高效率先進的智能節(jié)水灌 溉控制系統(tǒng)是十分必要和緊迫的也是我國今后節(jié)水灌溉設備發(fā)展的主要方向 13 本課題的主要研究工作 本課題是為實現(xiàn)無線遙控節(jié)水灌溉而設計的課題的主要研究工作是設計一個基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)該系統(tǒng)具有實時顯示檢測數(shù)據(jù)和實時上傳檢測數(shù)據(jù)的功能并能根據(jù)采集到的有關作物生長的環(huán)境參數(shù)及所需水量來控制給水的時間和流量本課題的研究工作有以下幾個方面 1 系統(tǒng)整體方案設計根據(jù)系統(tǒng)功能要求并且考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準確性采用模塊化設計方法以方便系統(tǒng)的調(diào)試和后期開發(fā) 2 無線節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的工作方式的選擇采用命令應答方式主 站下達采集數(shù)據(jù)指令子站對主站發(fā)出的地址信息進行處理若與本機地址相符則執(zhí)行命令主站與子站之間采用無線通信方式 3 系統(tǒng)硬件設計主要包括子站與主站的硬件設計其中主站的硬件設計包括單片機芯片的選型 PC 機串口的選型無線通信模塊的選型單片機與無線通信模塊電路設計單片機與 PC 機的電路設計子站的硬件設計包括單片機芯片的選型模數(shù)轉換芯片的選型傳感器的選型 LED 的選型電磁閥的選型單片機與電磁閥的電路設計單片機與模數(shù)轉換芯片電路的設計單片機與 LED 顯示模塊接口電路設計單片機與無線通信模塊電路設計 4 系統(tǒng)軟件設計主要包括子站與主站 的軟件設計其中主站的軟件設計包括數(shù)據(jù)的接收與發(fā)射程序設計串口數(shù)據(jù)通信設計以及 PC 機部分圖形界面設計子站的軟件設計包括數(shù)據(jù)采集單片機控制電磁閥的程序設計數(shù)據(jù)處理程序設計 LED顯示數(shù)據(jù)的接收與發(fā)射程序設計等第二章 方案研究與論證 21 研究方案的選擇 專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)是一個模擬人腦思維方式以知識為基礎的計算機軟件系統(tǒng)其特點在于把人 專家 在解決生產(chǎn)實際問題過程中所使用的啟發(fā)性知識判斷性知識分成事實和規(guī)則以一定的知識表示形式存入計算機建立知識庫并采用合適的產(chǎn)生式系統(tǒng) Production System 按輸入的原始數(shù)據(jù)選擇合適的規(guī)則進行推理演繹作出專家級的智能判斷與決策將專家系統(tǒng)應用于農(nóng)業(yè)就形成了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)專家的知識和經(jīng)驗為系統(tǒng)的核心運用計算機技術克服時空限制在較短的時間內(nèi)得以廣泛地應用使專家的知識和經(jīng)驗變?yōu)樯a(chǎn)力 專家系統(tǒng)應用于節(jié)水灌溉也是以豐富的種植經(jīng)驗為基礎的例如在已有經(jīng)驗智能化設施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究上將已知的作物生長各階段的需水量生長狀態(tài)各階段可能遇到的氣候與自然條件等決定灌溉的詳細信息輸入計算機按照一定的法則劃分成各項細則存儲在計算機中當進行控制時就將己獲得的作物生 長狀態(tài)氣候條件等輸入計算機計算機經(jīng)過計算推理把它劃分歸屬于某一細則再按這一細則的要求如灌溉量和灌溉時間進行灌溉如從荷蘭引進的大棚花卉種植專家系統(tǒng)由于多年的種植經(jīng)驗對某種花卉的生長過程十分熟悉將其生長過程細節(jié)輸入計算機由計算機通過推理計算來決定其灌溉與施肥 由此可見專家系統(tǒng)能實現(xiàn)作物種植灌溉的完全智能化能夠代替為數(shù)極少的專家群體走向地頭進入農(nóng)家在各地具體地指導農(nóng)民科學種田節(jié)省大量人力物力能實現(xiàn)高效節(jié)水優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)專家系統(tǒng)將是我國未來節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點之一 但是在目前情況下專家系統(tǒng)還不能在我國進行推廣它除了具有上述 的優(yōu)點外還存在著下述缺點 1 專家系統(tǒng)模型大開發(fā)周期長在我國目前科技水平較低情況下投入大量人力物力及資金去開發(fā)不太可能 2 專家系統(tǒng)開發(fā)完全依賴種植專家的經(jīng)驗去控制作物的施肥與灌溉它并不對土壤墑情及作物情況進行實時檢測它雖然能代替農(nóng)業(yè)專家卻并不能擺脫完全憑經(jīng)驗灌溉的種植模式 3 專家系統(tǒng)的操作需要具有一定水平的專業(yè)人員才能完成而我國農(nóng)業(yè)科技水平普遍較低缺乏農(nóng)業(yè)科技人員這也限制了專家系統(tǒng)的推廣 4 開發(fā)受限制單一性強投入過高一般一個專家系統(tǒng)是針對一種作物開發(fā)的它要在農(nóng)業(yè)專家提供有關這種作物豐富系統(tǒng)的種植經(jīng)驗的基礎上才 能進行開發(fā)一旦沒有農(nóng)業(yè)專家就無法進行開發(fā)而農(nóng)業(yè)專家畢竟人數(shù)很少同時當需要對多種作物進行監(jiān)測實施節(jié)水灌溉時就需要多個專家系統(tǒng)這就需要投入很大的資金也限制了專家系統(tǒng)的推廣 從上面的分析可以看出專家系統(tǒng)雖然具有很多優(yōu)點具有很大的發(fā)展?jié)摿Φ荒軡M足成本低操作簡單易推廣能按作物需水量適時精準灌溉的研究目標因此本課題的研究不能朝專家系統(tǒng)的方向走 微機測控技術 另一種節(jié)水灌溉自動控制技術是微機測控技術它將計算機技術單片機技術傳感與檢測技術以及通訊技術結合起來能夠檢測土壤情況環(huán)境特征并依據(jù)檢測結果來決定灌溉量與 灌溉時間擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗灌溉的灌溉模式 目前在國外特別是以色列大部分田地都是采用的這種節(jié)水灌溉控制方式國外的這種控制系統(tǒng)一般都很大采取大型分布式控制系統(tǒng)在田間分布各種傳感器檢測點如土壤水分溫度濕度光照作物蒸騰量等檢測結果送至微機微機對結果進行處理然后通過通訊技術將處理結果發(fā)送至上位機即實驗室或家里的計算機中操作者就可以在家里或實驗室里觀察到作物生長狀況和土壤墑情根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)判斷作物是否缺水及所需灌溉量與灌溉時間然后發(fā)出灌溉命令給微機微機就可以根據(jù)命令控制灌溉量與灌溉時間實現(xiàn)高效節(jié)水灌溉 首先采用分布式結 構系統(tǒng)分為中央控制系統(tǒng)和遠程測控系統(tǒng)中央控制系統(tǒng)與遠程檢測系統(tǒng)之間通過無線通信方式進行通信 其次使用傳感器測量土壤及作物參數(shù)并盡量減少測量參數(shù)的數(shù)量只選擇一些常用的灌溉參數(shù)進行測量這樣既能使控制系統(tǒng)具有一定的廣泛適用性同時又可以減少傳感器的數(shù)量降低成本 設計一個節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否做到因地制宜主要用三條標準加以衡量其一是否節(jié)水其二是否減輕農(nóng)民負擔其三是否增效 短期內(nèi)收回投資且提高效益 根據(jù)這三個標準可以來判斷上述擬采用的研究方案是可行的 22 節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的原理 自動控制系統(tǒng)即反饋控制系統(tǒng)是基于反饋基 礎上檢測偏差用以糾正偏差的原理組成的系統(tǒng)所謂檢測偏差用以糾正偏差的原理是需要控制的是受控對象的被控量而測量的則是被控量和給定值