基于ZigBee技术的水稻自动灌溉控制系统设计

发布时间：2020-10-30 17:42

　　 为了加快农业生产的数字化和信息化的发展,提高农田灌溉中的生产效率,采用单片机技术、ZigBee以及组态等技术设计开发了一种远程灌溉监控控制系统。该系统由监控计算机、主控制器、分控制器等组成。分控制器由传感器、电源模块、太阳能电池板、电磁阀组成,通过传感器把现场的池块温度、土壤含水率、池块水位采集回来,将数据打包后通过GPRS发送到监控终端的上位机;上位机软件接收并处理数据,根据相应的预设参数和采集回来的参数,发送相应的命令给现场。该系统能够控制电磁阀的动作,连续运行未发生故障,可实现无人值守的远程灌溉监控。
【部分图文】：

?现在的农业灌溉都是采用喷灌、滴灌、微灌等技术方法，需要手动对监控现场的情况进行控制，而且需要另外的网络构建与布线，成本较高。随着经济社会的发展，需要一种自动、科学的灌溉系统来控制灌溉。为此，设计一种基于ZigBee和STC12C5A60S2［1］的自动灌溉系统，在监控中心通过上位机可以看到现场的数据，同时会根据水稻各个生长期的需水情况，自动发送命令控制电磁阀的动作。综合来看，该系统成本低，与传统的控制系统相比更加智能［2］。1系统的结构及工作原理系统由上位机和下位机组成，总体结构图如图1所示。其中，上位机安装了组态软件服务器，负责接收发回来的数据和发送相应的命令［3］;下位机由网关和节点组成。其中，节点是由电源模块、ZigBee模块、传感器、太阳能板、电磁阀等部分组成。在稻田池块处放置节点，根据水稻生长时期和土壤状况确定传感器埋设深度，实时监测池块变化。设计时，在池块中布置8个节点，网关与节点中采用ZigBee树状网络通讯，网关与上位机采用GPＲS通讯，系统网关和节点都通过太阳能板供电。收稿日期:2014－02－19基金项目:哈尔滨市科技局攻关项目(2013AA6BN010)作者简介:李野(1991－)，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，(E－mail)liyeneau@126．com。通讯作者:董守田(1968－)，男，哈尔滨人，副教授，硕士生导师，(E－mail)stdongneau@163．com。节点实时采集传感器的数值，经ZigBee传输到网关，数据实时显示在组态屏上，网关将数据融合后由GPＲS传送到上位机。上位机软件接收并处理数据，根据相应的预设参数和采集回来的参数，会自动控制电磁阀启停功能。同时，网关还可以监测电池电量的参数，并传送至上位机。图1总体结构示意图Fig．1Schematicdrawingofthegenera

D转换(250K/s)，针对电机控制，适用于强干扰场合［4］。2．2节点驱动电路的设计采用驱动继电器控制电磁阀的方式。为了提高系统的可靠性，采用5V继电器。继电器使用ULN2803驱动，ULN2803使用5V供电，STV12C5A60S2的输出信号经74HC14传输到ULN2803［5］。继电器连接图如图2所示。图2继电器连接图Fig．2Interfacediagramofrelay2．3传感器的选择传感器测量部分包括土壤水分、池块温度和池块水位。各部分的选型如下:1)测量池块温度。选用DSl8B20温度传感器，与传统的热敏电阻不同，其可直接将被测温度转换为串行数字信号，供单片机处理。测量温度范围为－55～+125°C，在－10～+85°C范围内精度为±0．5°C，适合于恶劣环境的现场温度测量。2)测量池块水位。选用GB2100A液位传感器，供电范围5～12V，具有信号隔离放大、截频干扰设计及抗干扰能力强等特点。根据寒地水稻控制灌溉技术规范，水稻生育转换期要提前晒田，并在生育期转换问题上提出“时到不等苗苗到不等时”的调控方法。“时到不等苗”，即不管水稻处于哪个生育期(分蘖末期除外)，土壤水分到了土壤控制下限则灌水至上限，土壤水分未达到控制下限，不需要灌水;“苗到不等时”即水稻生长发育到分蘖末期，不管土壤水分是否控制到下限，都要及时排水晒田［6］。过了分蘖末期，到了拔节孕穗期，(需水敏感期)则必须灌水至土壤水分上限。因此，采用HS－102STＲ土壤水分传感器，它是一款基于频域反射原理，利用高频电子技术制造的高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器，通过测量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量［7］。2．4ZigBee网络的设计ZigBee网络采用TI公司最新一代ZigBeeSOC芯片，芯片供电电压为3．3V

电池板具有优先权;当太阳能电池板输出不足不能为系统正常供电时，则二极管导通，采用铅蓄电池供电，以保证系统能够连续工作。其供电电路连接图如图3所示。图3供电电路连接图Fig．3Thepowersupplycircuitconnectiondiagram2．7系统软件设计系统软件主要是靠对单片机编程实现。其中，对上位机无线通信时，响应帧在上位机链接单元中自动生成，在单片机中无需用户再编写通信程序。因此，单片机编程主要解决的是现场电磁阀的开启和关闭控制、模拟量的数据的采集和处理，同时也可接收上位机发送的控制指令完成相应的控制操作。系统软件的实现可以让操作员位于监控中心的计算机终端，进行远程手动、半自动和全自动控制，各项操作无需人进行，节省了人力资源，操作的准确性、连贯性比以往得到显著提高，从而大幅度提高了生产效率。2．8上位机组态程序设计MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。上位机程序控制流程图如图4所示。MCGS软件具有网络监控、数据采集和处理、趋势曲线、报表输出、动画显示等功能，同时支持多种GPＲS模块，能够在灌溉远程控制中发挥其优越性。3安装调试本研究选用方正研究院的试验地块，地势较平坦，选取8个下位机基站对水稻内环境进行监测，检验系统的各项性能指标。节点无线通讯模块的天线高度为1．5m，与上位机间距分别为45～55m，每个工作节点下设1个温度传感器、1个液位传感器和1个土壤水分传感器，分别监测池块的温度?
【参考文献】

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【共引文献】

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本文编号：2862805