基于无线传感技术的自动喷灌控制器的设计

1引言

1.1选题的背景
我国是一个水资源并不充足的农业大国。农业用水量占大部分总耗水量，在农业中的农田灌祗用水，占总用水量的一大部分，但是灌溉用水的利用率普遍较低，因此，节水灌溉在农业生产中发挥着很重要的作用，采用节水和节能的自动化的灌溉方法是当今供水技术在世界上的大势所趋水资源短缺对中国的农业发展带来了很大的困难和障碍。作物生长的土壌需要保持一定的湿度以，我国大部分地区的园林、草坪、农田等基本采用人工灌溉，该方式对水量的把握不够精确，可能存在斑灌不及时、鴻灌过量或不足的问题，止壤湿度很难达到作物生长所需，从而导致农作物产量不高。由于人工灌溉存在这些缺点，人们针对这些缺点开始寻找可以自动迸行灌溉的方法，经过探索，找出了一种新的灌慨方式--喷灌。喷灌顾名思义--喷水灌溉，也就是把水库或者深井里的水经过化压通过管道送到大田中，在管道的末尾处加上喷头，水资源经过喷头变成散落的水滴落到地面，进行大田的灌溉。要想实现喷灌的自动化，止壤的湿度信息是极其重要的判定因素。因此，本文提出了采用无线传感技术""来监测土壤的湿度信息，改变传统的灌满方式，运用喷灌来实现灌溉的自动化。
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1.2选题的回的及意义
农业灌溉用水量巨大，在水资源严重缺乏的北方地区研究节水灌溉技术有着重要的意义。要想达到节水灌溉，就要使灌溉自动化程度提高，灌溉的自动化可使农业灌溉的管理更加科学，使灌溉的人力与物力都大大减少，，因此工作的效率就会明显提升。节水灌溉即是人们根据大田中作物的生长实际所需要的水分及附近的水资源状况提出的一种新技术，它既可实时适量的对作物进行合理充分的灌溉，又不会浪费大量的水资源，在水资源不必浪费的情况下使作物获得很高的产量。喷灌是当今节水最多的灌溉方式之一，为其加入传感控制部分可进一步提高其性能。作物生长所需要的王壤水分是很重要的，我们应该怎样对止壤的水分信息进行准确的测量，使它作为上述节水灌溉自动化的指标，是具有一定技术含量的问题，并且该信息对自动化的实施具有重要的价值。现有的喷灌系统存在糟确度低、布线及维护困难等问题。将无线传感技术应巧于农业灌溉中，实现实时监测及自动控制，根据需要及时灌溉，是提高水的利用率、达到节约用水的可用方式之一。本文在总结己有方法和硏究思路的基础上，根据现代无线技术的发展，提出一种新型的设计方案--基于无线传感技术的自动喷灌控制系统。该喷灌系统利用土壤湿度传感器获取湿度信息，将获得的湿度信息通过无线通信技术，技术传送到上位机。上位机通过对比处理将控制信号无线传送到协调器，经过协调器的处理，再将信号传送到终端，控制电磁阀的开断，由此来控制灌溉系统的动作。该系统解决了传统灌溉方法的使用水资源不合理、科学的管理不足等问题，避免了布线的麻烦、灵活性差的缺点，降低了成本。
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2主要技术和总体方案

2.1无线传感技术介绍
结合嵌入式技术、通信技术和传感器技术的无线传感器技术的研究在上世纪90年代末兴起，它是由多个传感器节点组成，每个节点的传感器都有无线通信的能力，和之前相比，设备尺寸小，安装使用成本低。传感器节点主要由进行信息采集的传感器及其内部的数模转换模块、进斤信息处理的微处理器模块、传输数据的无线通信模块和对各模块供给能量的电源部件组成。每个模块之间是相互联系不可缺少的。如图1所示：星型网络顾名思义所述中间节点到四周的网络结构。它的构成如图2所示，由一个协调器和多个终端组成，协调器是唯一的与上位机进巧通信的通道，所有终端节点接收的信息将由协调器转发，信息才能到达PC机进行其他方面的工作。从PC机上发回来的控制信息等也都需要通过中间协调器的作用才能送到具有控制结构等的终端上进行动作。
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2.　2无线传感器网络选择
新的无线网络协议随着无线传感网络的发展不断诞生，其中的蓝牙技术、无线USB和高速、低速U以B等技术以是新的协议中主要的短距离通信技术。下面对几种技术做一简单介绍，从而选择出该设计所需的通信网络协议。蓝牙技术主要是实现小范围之内的一对一短距离传输，可以两台或者两台上的设备在该范围之内进行数据、文件的传输等。它们之间的链接属于自动组网的方式，只要搜索到相应的设备就可以进行配对连接。但是它的耗电量相对来说比较大，可靠性不是很高以。目前主要用于手机，电脑和其他设备之间的蓝牙传输。该技术是现阶段运用比较多的一项技术，简单来说就是将因特网通过一定的设备设置连接"热点"，拥有支持局域网无限连接的设备，比如现在的安卓智能手机^^及笔记本电脑等6"，通泣搜索"热点"，进行网络的连接就可从，连接么后就可使用网络。但是该技术的标准没有形成一致性的内容，并且有一定的安全间题。目前该技术主要用于一定区域内的网络连接，比较方便、快速。
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3自动喷灌控制器的硬件设计............10
3.1硬件选型...........10
3.1.1微处理器选择...........10
3.1.2传感器选型...........11
3.1.3电磁阀选择...........13
3.2无线传感器节点设计...........14
3.3阀口控制节点设计...........15
3.4串口通信硬件设汁...........16
4自动喷灌控制器软件设计...........16
4.1软件总体设计...........16
4.2软件的介绍及使用...........17
4.3传感器及其对应的控制节点的软件设计...........18
4.4上位机软件的设计...........19
5系统测试结果与分析...........24
5.1实验测试地点及设备...........25
5.2实验效果测试...........26

5系绕测试结果与分丰斤

5.1实验测试地点及设备
该设计是基于实验室条件下建立的，测试地点选择在机电学院的实验室内，该实验室温湿度正常，基本保持在一个温湿度左右浮动不大。本设计采用的网络结构是星型的，有一个协调器和两个终端，协调器直接和计算机通过USB接口连接，两个传感器分别连接在两个终端埋在止壊中。由于是实验室条件下，该设计用两个亮灭来代替电磁阀的动作。图33-1是终端的实物图，图33-2表示协调器的实物图，图33-3是上位机界面。设备都准备齐全后，首先将两个传感器埋在同一深度的止壤中，该深度在离土层上面只有2cm，测试控制器的动作效果。预先设定好湿度的上下限值，设计的4日%将是上限，对于下限是23%，上限温度为40度，下限是0度。当测量湿度大于45%时，继电器连接的灯亮，表示停止灌溉;当在两者之间时保持原状，低于下限即小于24%时，继电器连接的巧灭，表示打开灌溉设备。当温度高于上限即40度时，出现红色预警，作为提示，操作者可以根据情况关闭灌溉设备等，但是不自动操作，正常情况下就显示绿色，表明立壤温度处在正常范围。

结论

本文针对存在于现阶段的灌溉不合理的状况，采用无线传感技术设计了一款自动喷灌控制器，该控制器由两个终端采集及控制节点和一个协调器传输节点以及一个PC机组成，完成了控制不同湿度条件下的灌溉。该论文研究的成果主要有;
(1)对现阶段的灌溉状况进行了分析，总结了该设计的总体方案;
(2)研究了无线传感技术以及其他几种技术的优缺点，选取了　Ziee作为整个控制系统的无线协议;
(3)选取实验所需的硬件设备，主要是CC30作为壁个设备的核也器件，T11作为设备的基础数据采集器件，完成整个控制器的硬件设计;
(4)设计整个系统所需的软件，本设计采用VS2012作为上位机开发的平台，采用C语言完成了对整个系统的控制，实现了不在现场就可以观测实时数据，并且可对设备进行控制的界面，该界面同时可以进行手动控制，并且可以随时査看历史数据。
(5)在实验室条件下对整个控制器进行了测试，其测试结果达到预期的目的。
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参考文献(略)