自动灌溉控制系统

关键词： 灌溉系统 灌溉 水资源 网络

自动灌溉控制系统（精选十篇）

自动灌溉控制系统 篇1

1 系统主要功能及物理模型设计

1.1 系统主要功能设计

根据农作物的浇灌特点, 我们主要设计了以下功能:

(1) 定时浇水周期控制:根据不同的植物、不同的地区气温和温度, 可选择不同的浇水周期;

(2) 水量控制:根据不同的浇灌对象选择不同的水量;

(3) 对多个对象实现逐一浇水:浇灌系统对多个浇灌对象自动切换, 逐一浇水;

(4) 浇灌方式选择:可根据需要选择水管或喷洒的方式, 对植物的根部、叶部进行浇水;

(5) 土壤湿度控制:每次浇灌前自动进行土壤湿度检测, 当下雨使土壤达到农作物需要的湿度不需要进行浇灌时, 不启动浇灌程序, 而检测到土壤低于要求的湿度时启动浇灌程序;

(6) 作业语音提示:作业中语音提示, 可以告知人们浇灌机的作业情况, 使管理更为人性化;

(7) 有停电、来电语音提示, 以便管理人员采取应对管理员措施;

(8) 夜间彩灯指示:夜幕降临时, 该系统彩色指示灯会自动亮起, 以方便管理人员监测系统工作状态。

1.2 系统物理模型设计

系统主要由水泵、控制水箱、球阀、输水管、水位控制装置等组成, 先用水泵将水抽到控制水箱里, 通过程序控制打开相应的电磁阀向需要水的目标浇灌, 当浇灌的水量达到设定值时该电磁阀关闭, 同时, 程序控制打开另外的电磁阀进行下一路浇灌。当水位检测装置检测到水箱里水位不够时, 水泵工作, 向水箱里注水, 当水位达到设定的上限时, 水泵停止工作。

2 系统设计

2.1 控制方案选择

该控制系统可选择PLC控制技术, 也可采用以单片机为主控单元的控制系统。PLC进行控制的优点是抗干扰能力强, 可靠性好, 但成本高不利于大面积推广;采用单片机控制, 其优点是制作成本和维修成本都很低, 且使用灵活, 易于让消费者接受和大面积推广大面积推广。因此, 该设计方案采用以单片机AT89C52为主控单元的控制系统。

2.2 硬件控制电路设计

控制电路采用AT89C52为主控单元。

用SWR2型土壤水分传感器检测土壤湿度, 检测数据经A/D转换器芯片TLC549进行转换后送给单片机进行分析处理。SWR2型土壤水分传感器的特点是测量精度高, 响应速度快, 土质影响较小, 适用地区广泛, 密封性好, 可长期埋在土壤中使用, 不受腐蚀, 适合农田、水利等水份的埋测, 且价格低廉。

SWR2型土壤水分传感器的主要性能指标, 工作电压4.5~5.5VCD, 典型值5.5VCD, 工作电流50~70m A, 典型值60m A, 输出信号0~2, 5V, 电缆标准长度5m, 最长20m, 探针材料锈钢, 强度大, 不易折断, 密封材料采用ABS工程塑料, 外形尺寸Φ50×115mm, 工作温度-50~50℃。

2.3 系统程序设计

根据不同的农林作物对土壤湿度的要求, 设定相应的湿度值, 程序每次启动前, 要首先检测土壤湿度, 如达到设定值, 程序不启动, 如未达到设定值, 选择合适的周期和水量, 启动程序进行浇灌。

根据所管理的农林作物的地块和面积的多少, 设置多路浇灌, 对每路浇灌作物的不同, 选择不同的给水量, 用时间来设定, 程序检测浇灌的时间, 达到设定时间后, 完成该地块的浇灌, 关闭该路控制球阀, 打开下一路控制球阀, 进行下一路的浇灌, 如此循环, 完成需要浇灌的所有目标。

3 结论

该控制系统使用灵活、方便, 可通过多个球阀的并联, 实现几路到任意多路地块或作物的浇灌, 通过多个球阀的串联, 向远处延伸;通过程序设计, 实现多种流量的选择和不同周期的选择;可用水管进行根部浇灌, 也可通过在水管的端部安装喷头进行叶部的喷洒;且成本低, 结构简单, 安装方便, 不仅实现了对水资源的有效、合理、科学地利用, 又可以让人们从繁重的体力劳动中解放出来。该系统可广泛应用于农业、园林、花草等领域, 具有广泛的推广前景。

摘要：水资源短缺的现象日益严重, 科学有效地利用水资源是当务之急。农林灌溉自动控制系统, 利用单片机AT89C52和土壤湿度传感器等组成控制电路, 可以根据不同的农林作物的类型, 选择不同的浇灌周期、浇灌水量、浇灌方式等进行自动浇灌, 实现对水量的精确控制, 避免人为浇灌造成的水资源严重浪费的现象。

关键词：农林灌溉,AT89C52,土壤湿度,传感器

参考文献

[1]邓立新.单片机原理及应用[M].北京:教清华大学出版社, 2012.

[2]戴永贵.C语言程序教程[M].北京:机械工业出版社, 2010.

自动灌溉控制系统 篇2

2011年1月5日至1月25日，受局领导委派我参加了由兵团外专局组织，新疆农垦科学院牵头，农一、二、五、十四师参加的赴美国“果园灌溉施肥自动化技术培训”，此次培训一行12人，为期21天。在美国期间，先后参观考察了玛瑞埃塔大学现代化的智能温室、俄亥俄州立大学农业技术学院及农业研究中心的三个研发中心、玛瑞埃塔大学农业应用生物学院土壤管理与环境保护系及一些农业示范农场。听取了美国共同农业政策及农业发展情况、美国水肥高效利用技术、水肥耦合与作物水肥一体化管理模式、配方施肥技术、土壤养分管理、肥料对环境影响监测、无公害农产品施肥技术、有机农业土壤与肥料管理等技术专题。与美国俄亥俄州立大学、华盛顿社区农业大学和玛瑞埃塔大学的农业专家进行了广泛深入的学习和交流。考察培训时间虽短，但整个培训考察活动紧张有序，所到之处，受到了美国有关方面尤其是玛瑞埃塔大学中国中心的友好接待，我在外培训考察期间，严守外事纪律，团结协作，认真学习交流，圆满地完成了本次培训活动，获得了不少有益经验，达到了预期目的。

培训与考察的主要形式是：在玛瑞埃塔大学、俄亥俄州立大学与华盛顿社区农业大学由相关专家学者集中授课；考察当地农场，与农场主进行交流；与当地农业政府部门有关负责人大学科研人员进行学术研讨等。通过以上手段既学习了美国在现代化条件下的农业（主要是果园）灌溉施肥所采取的技术手段和方法，了解美国果园灌溉施肥自动化技术所采取的最新成果，同时也使美方有关人员进一步了解和认识兵团农业现代化与现代化果园发展的基本情况，有利于双方今后做进一步的接触与交流。在大家的共同努力下，培训、研讨与考察进展顺利，圆满的完成了这次培训任务，并取得良好效果，顺利获得该校颁发的结业证书。现将培训情况报告如下：

一、美国现代农业及其发展经验

1、美国农业基本现状

全美有50个州，3045个县。人口20010年突破3亿，其中农业就业人口200万。全国国土面积937万平方公里，耕地面积1.87亿公顷，占全国国土总面积的20％，人均耕地0.63公顷。美国农用地大部分位于北纬25°-49°之间的北温带和亚热带，土地平坦，土壤肥沃，气候条件优越。美国是世界上农业生产技术水平最高、劳动力效率最高、农产品出口量最大、城市化程度最高的国家，农业是美国在国际市场上最具竞争力的产业之一。

2、各具特色的产业优势布局

多年的区域发展、优势布局，美国农业已经形成各具特色鲜明的产业带、产业链。自19世纪开始农业商品化进程至今，全美已形成牧草乳酪带、玉米带、棉花带、烟草和综合农业带、小麦带、山区放牧带、太平洋沿岸综合农业带、亚热带作物去等8个专业化农业生产带。处于每一生产带的农场一般只生产一种或几种产品、甚至只从事某种产品的某一生产环节的工作。例如美国西部经过大开发后，加利福尼亚州已经成为美国最大的水果、蔬菜生产基地，其区域优势十分明显。

3、高度发达的机械作业

海拔500m以下的平原占国土面积的55％，有利于农业的机械化耕作和机械化经营。从某种意义上讲，美国农业的发展是农业机械化的发展，农业生产主要依靠家庭农场，家庭农场经营规模大，又主要依靠机械化作业。在美国，农民就是一个机械手和卡车司机，驾驶卡车在田间巡视，操作农机在地里耕作、整地、深施肥、收获等各种农业作业项目，有的项目还实行复合作业。家庭农场实行公司核算，科学种植，机械化标准作业，生产效率高。

4、科学合理的保护性利用资源

一是进行盐碱地治理，改善土壤物理性能，科学选择适合土壤种植的作物品种； 二是发展旱作农业；

三是开展保护性耕作，注重培养地力，实行免耕作制度，全国免耕面积占总耕作面积1/3，对农作物秸秆进行机械还田；

四是实施休耕法。美国政府规定了土壤保护标准，农户的耕地经过检测后达到了规定标准，就可以得到政府的补贴，否则就得不到政府的补贴，从政策上激励农民保护土壤。

5、政府引导，企业促进的节水举措

政府引导，企推进机制是美国西部农业节水最重要的举措之一。美国西部是干旱地区，雨水少，这里的旱作农业十分发达。如加利福尼亚州降雨多在北部，为解决中部水资源短缺问题，修建848km长的饮水工程，将北部的科罗拉多河水通过胡佛水坝引进中部，满足中西部地区农业灌溉需要。其主要运行机制是政府投资修建主渠道，家庭农场自己投资将水引进农田，充分发挥政府和家庭农场双方的积极作用。

6、连接紧密的产业链条

美国农产品生产、加工、营销各环节紧密相连，产业化水平很高，实现了“从田间到餐桌”的产加销一体化。一方面，超市，连锁店等大型企业建立了自己的配送供货机构，直接到产地组织采购、加工。另一方面，农产品加工企业发达，规模大，加工水平高，成为家庭农场与市场销售的中间力量。

7、效率极高的现代农业

2009年美国农业总产值占GDP的1％左右。虽然份额不大，但是产业效率很高。美国平均每个农业经济活动人口耕地面积57.4公顷，据美国农业专家估计，美国一个农民可以养活98个本国人和34个外国人。美国是世界第一大农产品出口国，2009年农产品出口额在770亿美元左右，他们的产品在世界农产品贸易中占较大份额。其中小麦出口占世界市场的45％，大豆占34％，玉米占22％。同时，尽管美国农业很发达，但农业人口却很少。2006年美国农业就业人口仅仅200万人，占总就业人口的不足0.7％。农业生产完全实现了机械化，生物工程发展迅速，农产品的商品化程度高达90％以上。

8.政府补贴政策 农业补贴是一个国家对本国农业支持与保护体系中最主要、最常用的工具。政府对农业生产、流通和贸易进行转移支付，亦即政府通过行政手段，干预资源转移到农业领域，以支持本国农业的发展。美国为了增强本国的农业在国际上的市场竞争力，以达到操纵与控制世界农产品市场的目的，不断加大对其农业的补贴。其种类主要有以下几种：生产灵活性合同补贴、农业灾害补贴、土地休耕保护计划补贴等。美国的农业补贴政策开始于20世纪30年代。美国的农业补贴，直接降低了美国农产品的出口价格，增强了其在国际市场上的竞争力，为进一步操纵和控制世界农产品市场做了很好的铺垫。此外，美国农业补贴使美国农业有效支持国民经济持续、稳定、协调发展，保障农产品有效供给和农民收入的稳定提高，保障社会安定和生态环境良性循环。增加农业投入，加强和完善农业基础设施建设，对农业生产和农产品价格以及市场贸易，科技研发与推广、加强农业基础地位、实现可持续性发展、提高农业的综合生产能力，增加农产品有效供给、保护农民利益等都发挥了巨大作用。

9、专业化、规模化、现代化的经营模式

美国农产品在世界市场上持久的竞争力和其较低的市场价格与政府补贴有密切的联系，而价格的优势又与它的专业化、规模化、现代化的经营是分不开的。美国政府的补贴政策直接推动了美国农业经营的专业化、规模化和现代化。美国农业资源结构的特征是人少地多，劳动力供给短缺。因此，在要素市场上，劳动力价格相对较高。这种市场价格信号，诱导农民偏向劳动替代型技术的选择，所以美国农业的技术革命是从机械技术开始的。农业现代化经历了农业机械革命、化学革命和生物革命以及管理革命。20世纪60年代以后，由于土地价格高涨和土地利用率的提高成为农业现代化的突出矛盾，美国就把农业机械化的焦点集中到采用生物、化学技术，以提高土地产出率上。与此同时，农业机械自身的改革和应用仍旧伴随这农业现代化进程。不仅重视农业生产技术现代化，也十分重视农业组织管理的现代化。大力推行农业专业化、一体化、社会化。同时，美国加速进行农业管理革命，一方面把工业部门的管理技术应用于农产管理；另一方面，在建立高度发达的农业基础设施的基础上，把农业产前、产中、产后各个环节组成为一个统一的农业综合体，实现了产业化经营。在现代化方面，美国农业在全球范围内具有相当广泛的先进性，其具有代表性的特征主要有两个：一是以生物工程为主的现代化农业，这些生物工程在驱虫防病、保护生态、提高效益上充分显示了传统农业增产增收方法与之无法相比的威力。二是以卫星遥感技术为主的信息化。在美国，从农场到市场、从农村到国家机关信息处理中心已经普遍使用了卫星定位技术。

10、农业合作社制度

美国农业合作社在其整个农业经济发展中有着举足轻重的作用，它对内为其社员提供物资与资金，组织经营管理等，对外输出劳务和销售农副产品等。这样，农业合作社就不仅直接成为土地和市场联系的纽带，而且成为一种能够避免市场风险、保护农民利益的有效合作经济组织，同时也大大促进了美国农业经济的发展。在美国，由合作社加工的农产品占农产品总量的80％，合作社提供的化肥、石油占44％、贷款占40％。

二、美国农业灌溉施肥自动化技术发展现状

自动化技术对美国农业生产和经营产生深刻影响。美国颁布了一系列关于灌溉施肥技术方面的法律法规，为美国灌溉施肥自动化技术发展提供了制度框架。美国农业部行政主导、业务协同提供了组织保障。农场经济规模是制约灌溉施肥自动化技术应用的重要因素。美国灌溉施肥自动化水平居于世界前列。研究其做法及特点并加以借鉴，对发展中国家进一步发展农业经济有重要现实意义。以灌溉施肥自动化技术为支撑的现代农业20世纪60年代初在美国开始出现。精准农业的产生，标志着信息化对农业产生了深刻影响，精准农业是建立在信息技术与农业生产模拟技术基础上的，旨在提高特定地点的整个农场的长远生产效率、产出率和利润率的复合操作系统。精准农业信息技术是根据作物的需要或生产潜力，因地制宜确定种子、化肥、农药、灌溉水等生产投入品的数量成为可能。产量显示器、产量地图、地理土壤地图、遥感地图及全球定位系统，是支撑精准农业发展的重要物化信息技术。美国农业灌溉技术在国际上处于规程先进低位，农业节水能力很强。例如，由于使用了压力灌溉方法，美国单位面积土地的耗水量已下降了50%-70%。现在，美国西部的灌溉土地都使用了这种灌溉方法。此外，许多田间作物都使用处理后的废水灌溉，通过使用循环水，不仅节约了水资源，同时有利于生态环境。

1、压力灌溉技术

美国在灌溉领域具有广泛的经验，并以此为基础开发出了一系列新的灌溉技术，这些技术现在已成功地进入国际市场。美国的农场主只要向其提供土壤和农作物类型的田间数据，就可以获得水质要求、适于此种用水的过滤器的选择、能防止残余物堆积和堵塞的合适的化肥推荐、最佳的灌溉方法以及其它客户需要的信息等一系列的专业咨询。

2、滴灌技术

美国的滴灌技术处于国际先进低位。其滴灌设备每小时可供水1升-20升不等，最高水利用率可达95%，非常适用于精细种植。例如，无土栽培使用的低流量滴灌喷头，在温室中进行精细种植往往需要消耗大量的水，而为温室应用而设计的滴灌系统，则使用了低流量喷头，每小时供水仅200毫升。这种方法灌溉的一个独特之处在于水分可以在培养基中均匀扩散，减少了水分的散失。

美国加州80%的灌溉土地都使用了水肥灌溉的方法，使灌溉与施肥同时进行，一次完成。美国开发了针对废水灌溉的滴灌头，它能控制水的流量，并且能防止堵塞。美国生产的滴灌管线中安装了过滤筒，它是一种塑料的多齿元件，当水流经过滤筒时，会产生涡流，可以抛掉其中的尘粒，以防止狭窄的滴头出口受堵。

3、埋藏式灌溉技术

美国从滴灌技术中又派生出一个新的灌溉方法，就是把管线埋藏在地下50厘米深处的埋藏式灌溉，这种灌溉方式可以保持地表干燥，即使是灌溉时也不影响田间作业。在这种埋藏式滴灌系统中使用了一种新型材料，它可以阻止滴头附近的根须的生长，从而使滴灌系统免于被细小的根须穿透。当水阀关掉，停止灌溉时，滴灌系统的气门会打开，使管线内充入空气，防止外来的尘土被吸入滴灌头。

4、喷洒式灌溉技术

采用这种方法，可以让每果棵树都拥有一个独自的喷洒器为其灌溉。美国还开发了一系列主要用于果园和温室灌溉的喷洒器附属产品。使用喷洒式灌溉的耗水量大约在每小时30-300升之间，这种灌溉方式可以使水的有效利用率达80%。

5、散布式灌溉技术

散布器主要是为田间作物的灌溉所设计的，因为这种灌溉方式适合于大区域灌溉的要求。使用散布器可以使水的利用率达到60%-70%（传统的开放式灌溉，水的利用率只有约40%）。

6、灌溉系统的操作

美国西部果园的灌溉方式都大多采用计算机控制。计算机化操作可完成实时控制，也可执行一系列操作程序，完成监视工作，且能长时间工作，精密、可靠、节省人力。在灌溉过程中，如果系统记录下水肥施用量与要求相比有一定偏差，系统会自动地关闭灌溉装置，计算机系统还允许操作者预先设定程序，有间隔地进行灌溉。这些系统中有可以帮助收集灌溉信息的传感器，如埋在地下的湿度传感器，负责收集土壤湿度信息。还有一种传感器，它能通过检测植物的茎和果实的直径变化，来决定对果树的灌溉。

三、主要培训考察工作内容

此次集中学习7天，实地考察11天。1.学习培训

（1）在美国俄亥俄州玛瑞埃塔大学，制定教学计划与大纲；

（2）学习美国《年轻人与农业》和《美国文化》。《美国年轻人与农业》培训中教授主要从二个方面讲述了美国如何进行年轻人农业教育。第一是4-H教育，在美国4-H教育分四个级别，一级别USDA,二级别NIFA,三级别109所大学，四级别3000所郡。4H教育是Hand（手）、Head（脑）、Health（身）、Heart（心）的简写。这是一种强调“手，脑，身，心”和谐发展、从大自然和日常生活中汲取知识、发展潜能，进而在生活中创建积极的人生观的教育哲学。训练具有：健全的头脑，以运用思想；健全的心胸以发展品性；健全的双手，以改善生活；健全的身体，以服务社会”。徽章是一个绿色的四瓣苜蓿草，每片叶子上均有一个白色的字母“H”，它象征着4H如苜蓿草一样具有旺盛的生命力，无处不在，无时不在；均匀的四片叶子还表示同步协调发展而不厚此薄彼。发展到今天，4H教育机构遍布全美，提供个性化课题是4H教育最吸引人的地方，激励年轻人学习和发挥想象力的主题。第二是农业教育，由FFA机构落实，主要集中在22个大城市，与4-H教育不同，农业教育专注于具体农业教育，主要教授农业内容、技能、管理理论等。在《美国文化》中讲述了二个方面，第一美国的生活方式：个性必须得到充分体现，谈个人的优点和成就是很正常的；与美国人交流要保持适当的距离，美国人不关心他人的家庭生活；要拜访美国人事先进行预约，没有预约不能拜访别人；交通规则必须遵守；很强的时间观念；经常性更换工作。第二美国人最重要的事情：关注食品安全和流行的东西；运动在美国是大事，大多美国人知道篮球、美式足球；什么东西要大的（汽车、房子、家具）；在教育上关注孩子的运动，不太关注孩子的教室学习；

（3）学习《美国的农业》。一是美国农业机构及扶持领域：农业开拓处（联邦、州、郡），水土保持处（州、郡），农业商务处（州、学校），中小学农业教育处（州、学校），农业服务处（联邦），自然资源保持处（联邦）；美国农业扶持领域有提高作物产量（单产），怎样增加农业的产值，怎样创建新的农村企业，如何研发，农村科技教育，审订农业技术标准，资源保护和利用。政府补贴主要用于水土保持和农产品价格补贴。二是食品安全（联邦政府管理），主要工作有水果、蔬菜、草药检查及制定相关技术标准，农业生产场地标准及检查，不属于农业行业的抽查。具体要做的是在农民肥料、牲畜粪便管理上要有详细记录，选择农作物是否抗病及无病虫害，水质量检查及安全，从事具体农业工作个人健康卫生安全，包装运输环节是否干净卫生，上述环节必须记录以便检查。第三美国农业今后发展的方向：生物燃料生产研究，生物工程技术农作物，生物工程技术新材料，生产就地消费作物及材料。第四作物病虫害防治：经常教育农民观察有无病虫害，做到及时发现及时处理及时治疗；作物病虫害的防治方法有机械防治(防虫网、灭虫胶)，生物技术防治（生物农药及天敌），化学防治（在化学防治中严格允许使用的杀菌剂、杀虫剂）；（4）学习美国《果园新法栽培与经营》。一是果园的基本情况：1998年私人投资建设果园，果园面积3公顷，主要种植苹果（5000株，15个品种），桃（200株，2个品种），樱桃（3个品种），果园最初从商业模式经营开始。二是苹果园的种植系统：高密度矮化种植，矮化种植需要支撑杆，600-700株/亩，株距5英尺，行距12英尺，架杆呈“V”；每隔10株野苹果作为授粉树，每颗树配2个杆；种植苹果品种选择，选择时考虑成熟期和品种可逆性，不同种类间的兼容性，主要种植品种嘎拉、密脆、黄香蕉、乔纳金；病虫害防治上重点防治病害和虫害，使用防虫网；灌溉系统两部分，地下灌溉系统和地上喷灌系统，喷灌系统主要起的4月份即将开花时进行喷雾；

（5）在俄亥俄州立大学农业研究发展中心与专家教授交流、研讨食品安全、新能源研发和循环经济的技术发展模式。

（6）学习美国《农业与环境》。一是美国农产品生产的布局，燕麦南北都种，南方多一些，最大种植在加州，美国东北部种植不少蔬菜，加州为美国最大的葡萄种植区，东部牛在草场进行放养，西部圈养，猪养殖在玉米生产带上，避免饲料长途运输，鸡的养殖在南部。二是俄亥俄州农产品在美国的排名，玉米第7位，燕麦第9位，大豆第5位，烟草第8位，灯笼椒第4位，卷心菜第10位，甜玉米第5位，鲜食番茄第6位，加工番茄第3位，苹果第9位，葡萄第7位，草莓第10位，鸡第2位。三是美国农业面临的三大难题：水里硝酸盐污染，富营养化（N、P过高）促使藻类繁殖；土壤腐蚀，河流污染很大一部分是农业造成的，还有一部分是工业和生活污水正常的，硝酸盐对灌水系统造成很大影响，最大影响是农业，免耕法用除草剂进行除草，造成除草剂污染土壤，造成P流失严重，大量运用尿素及其他肥料，硝酸盐极易流失，因此翻耕造成硝酸盐等腐蚀，免耕造成P流失，使农业面临两难问题。在俄亥俄州冬季施肥因降雨量大雨冲造成污染，春夏施肥易解决，表皮1-5CM，将P撒在上面下雨易流失，杀虫剂也会造成环境污染；

（7）学习美国果园水肥自动化技术及果树栽培管理技术及果实采后储运技术、加工配套技术和工艺设备等

水肥自动化技术是将施肥与灌溉结合在一起的农业新技术。它是通过低压管道系统与安装在末级管道上的灌水器，将含可溶性化肥的水以较小流量均匀、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中的灌水施肥方法，可以把水和养分按照作物生长需求，定量、定时直接供给作物。其特点是能够精确地控制灌水量和施肥量，显著提高水肥利用率。该技术与传统技术相比，果园节水40%，节肥30%，水果增产9％～15%。

A、根据地块面积、形状等规划设计和配置微灌和施肥系统设备。微灌施肥系统由水源、首部枢纽（水泵、动力机、施肥系统、过滤设备、控制阀等）、输配水管网（包括干管、支管、毛管三级管道）、灌水器（分为滴头、滴灌管、微喷头、小管灌水器、渗灌管、喷水带等）以及流量、压力控制部件和测量仪等组成。

B、灌溉施肥方案确定。根据果树树种及其生长条件确定灌溉制度（包括灌水定额、一次灌水时间、灌水周期、灌水次数和灌水总量）和施肥制度（加肥时间、数量、比例、加肥次数和总量）。C、选择适用的化肥品种。一是养分含量适宜的液体肥料，二是微灌施肥专用固体肥料，三是溶解性好的普通固体肥料。根据与灌溉水的反应，配置肥料比例和数量。D、根据气候、作物长势等，参照施肥方案，适时实施灌溉施肥，加强田间管理。

2、实地考察

参观考察了俄亥俄木材加工厂，参观了俄亥俄州立大学农业研发中心、俄亥俄州立大学消化技术研发中心、俄亥俄州立大学生物能源技术研发中心；参观了俄亥俄州格里姆绿色果园、加州巴斯托果园、旧金山帕斯托里诺农场。并与这些单位的专家学者管理人员进行了互动交流，了解了相关的背景资料，对于我们双方增进了解，互利共赢打下了良好的基础。参观俄亥俄州立大学农业研究发展中心时，先听取了相关介绍，然后就他们近期重点研发的三个主要研究方向既三个研发中心进行了深度走访参观，分别参观了相关实验室和中试车间。农业是俄亥俄州的支柱产业，涉及百万人的就业，农业研究发展中心是州立大学的一部分，有一些研究站，做相关专业的研究，研究有三个主要领域，食品安全，涉及俄亥俄州的主要产业番茄、禽类养殖、环境保护和可持续发展；新能源的研究，为解决1100万人的能源问题，政府投入越来越多资金研究替代能源，是从农业上研究出替代能源，如黄豆生产替代能源；循环经济的发展，如生物消化研究。听完介绍后参观了农业发展中心的生物消化加工厂（沼气生产发电），该加工厂将食品厂生产过程中的废弃物经分类后收购，废弃物分液体和固体两类，通常多用液体废物，固体废料进入固体处理通道中，先进行粉碎处理，然后进入小发酵池中，发酵3天，再进入大罐中恒温发酵，液体废料直接抽入大罐中，消化系统需恒温，通过热交换器保证温度在100华氏度，发酵27天生产出的气体目前主要用于发电，即将投入建设生产液化气及其他燃料生产线。又参观了生物产品 生物能源研究实验室（生物研究中心），利用绿藻生产柴油，产量是秸秆生产酒精的100倍，利用沼液中的N、P进行绿藻生产达到生产生物柴油，做到循环经济发展。

四、启示与借鉴

通过此次培训、考察，一是更加深入的了解了美国现代农业发展的基本情况以及果园水肥自动化技术对美国农业发展所起到的重大作用。仅占全美人口0.67％的美国农民，不仅养活了3亿多美国人，而且还使美国成为全球最大的农产品输出国。如果离开了高科技、离开了农业信息现代化，这样的奇迹根本不可能发生。大家纷纷表示开阔了视野，增长了见识，吸收和学习到了农业及其信息化的新方法。考察的目的并不是简单的照搬外国模式，尤其是像我们兵团这样的特殊体制。因此从兵团实际情况出发，吸收和借鉴外国的先进经验，调整产业结构，合理规划与发展现代农业，逐步形成适合兵团实际的农业现代化发展模式就显得尤为重要；二是拓宽了思路，借鉴美国先进技术经验，对今后发展果园灌溉施肥技术研究与技术推广都有很大的帮助。我们与美国有关农业专家进行了进一步合作洽谈，为后续深度合作交流奠定了基础。作为科技管理部门针对兵团林果业生产中存在的实际问题，加大“林果需肥特性、施肥有效性、土壤及植株养分快捷分析等技术研究，为加快产业结构调整提供技术支撑；加强生态农业技术、生态食品生产技术的国际交流合作，以提高兵团生态农业技术研究的整体水平。

自动灌溉控制系统 篇3

摘 要：现代化灌溉农业对对灌水时间、灌水量、灌水部位等都有精确要求，田间灌溉自动控制技术是支撑现代化灌溉农业的一项基础性技术措施。其中通讯技术对田间自动灌溉起到至关重要的作用，是灌溉自动化的核心技术。本文对我国现有的常用田间灌溉通讯技术进行了分类，并对目前主流控制技术进行了介绍及优缺点分析，最后指出不同通讯技术的适应范围及其未来发展方向，以期对现代农业田间灌溉控制系统中通讯技术的规划、设计和施工提供参考依据。

关键词：灌溉；自动控制；通讯技术；解码器；共用网络

中图分类号：S274.3 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.06.015

Abstract：Modern irrigation agriculture has more precise requirements on irrigation time， irrigation amount， and position et al. Field irrigation automatic control technology is one of the basic technical measures to support the modernization of irrigation agriculture. The communication technology to the vital role in the field of automatic irrigation is the core technology of irrigation automation. This article has carried on the classification to our country existing irrigation of commonly used communication technology， and the main control technology at present are introduced and their advantages and disadvantages were analyzed， finally pointed out the applicable scope and the future development direction of different communication technology. This paper could provide reference for the planning， design and construction of modern agricultural irrigation control technology in communication system.

Key words：irrigation；auto-control；communication technology；decoder；shared network

在与灌溉控制相关的众多技术中，通讯技术显得至关重要，这是因为灌溉自动化设备分布在广阔的农田中，测量和控制点极其分散，而且没有电源供应，这些技术条件及其苛刻的成本要求使得通讯技术成为田间灌溉自动化系统的核心技术。可以说通讯是灌溉控制的基础，没有通讯就没有灌溉控制。另外，通讯部件也是灌溉控制设备最主要的耗电部件，因此通讯方案的选择直接决定了供电方案的选择、产品形态的选择和安装方法的选择等。

本研究中的灌溉自动化控制是指通过某种控制设备对田间分布的末级灌溉阀门进行远程自动化控制的系统，对灌溉首部和首部干管上的阀门进行的远程控制不在本研究讨论范围之内。与之相应的通讯技术也是指为了控制田间末级灌溉控制阀门而采用的通讯方案。灌溉控制系统的上端一般是在灌溉首部，其下端是灌溉控制阀门，上端和下端之间的距离在100～3 000 m之间。在限定了以上技术条件和使用环境后，再来讨论这个问题目标才更加明确，才能够对工程实践有直接帮助。

1 田间灌溉常用通讯技术分类

1.1 主要控制技术

本领域目前应用的主要控制技术方案包括以下4种。（1）水命令管控制。操作者不经过阀门控制器，直接通过水命令管（加压或泄压）控制阀门开关的控制方式，以色列主要阀门制造商都提供这种产品。（2）电缆控制。操作者不经过阀门控制器，直接通过电缆（供电或断电）控制阀门开关的控制方式，所有的灌溉阀门厂家都有相关产品。（3）解码器（单向通讯）控制。灌溉控制器经过有线通讯电缆向解码器发送开阀或关阀代码，由解码器操作阀门开关的控制方式，这种方式的最主要特点是通讯方式是单向的，即只有灌溉控制器由上至下的命令，没有由下至上的反馈。（4）阀控器/RTU（双向通讯）控制。灌溉控制器经过有线通讯电缆连接阀门控制器，由阀门控制控制器操作阀门开关的控制方式。

1.2 主要通讯链路

本领域目前应用的主要通讯链路包括以下2种。（1）专网无线控制。灌溉控制器经过自建无线通讯网络与阀门控制器建立连接， 由阀控器操作阀门开关的控制方式。（2）公网无线控制。灌溉控制器经过公用无线通讯网络与阀门控制器建立连接， 由阀控器操作阀门开关的控制方式。

1.3 其他相关技术的分类

从是否有就地控制设备（阀控器、RTU、解码器等）可以分为直接控制和间接控制，其中直接控制又可以分为电信号控制和水信号控制，间接控制则必须依赖于通讯。通讯按照有无介质又可分为有线通讯和无线通讯，按照数据流向又可以分为单向通讯和双向通讯。

在无线通讯中有自建网络或利用公用网络两种方式。其中自建无线网络又可按照不同频段分类，还可以按照是否间歇通讯或各类通讯协议等进行分类。而公用无线网络通讯可以按网络类型、网络代级、工作方式等进行分类。

2 几种主流技术简介

（1）有线方式的单向通讯控制（解码器）。这种控制方式采用电缆作为电力和通讯信息的传输介质，通讯距离较远，单个解码器可以带1～8 个脉冲电磁阀，但由于采用单向通讯技术，系统无法知道阀门的真实状态。这种通讯方式的产品由于采用电缆连接可以埋在地下使用，因此产品的防护等级一般都能达到IP68，美国的雨鸟和托罗公司都生产这类产品，解码器的上端是灌溉控制器。

（2）有线方式的双向通讯控制。这种控制方式采用电缆作为电力和通讯信息的传输介质，通讯距离较远，单个控制器可以带1～8 个脉冲电磁阀。以色列的太极公司生产这类产品，但防护等级不高，不能埋地使用，国内上海远恒信息技术有限公司的产品防护等级达到IP68 可以埋在地下使用。

（3）无线方式的自建网络通讯。这种控制方式采用无线通讯信号在控制区域内建立一个专用的无线通讯网络，能够提供这种产品的公司很多，主要采用的无线通讯技术有Zigbee，WIFI，433 MHz 自由通讯，2.4 GHz 自由通讯，等等，这些通讯技术都是通用的无线通讯技术，所有的灌溉设备制造商都没有这方面的专用产品和技术，都是将其他厂家生产的通讯模块集成到自己的产品中，因此从灌溉应用的角度来说这些技术大同小异。

所有此类无线灌溉控制产品都存在两个难以取舍的突出矛盾，第一是通讯距离（发射功率）与耗电之间的矛盾；第二是通讯距离（发射功率）与无线电管理之间的矛盾。当然还有通讯速率与可靠性和传输效率、载波频率与传输效率和抗阻挡能力等多个方面的问题需要产品制造商和工程建设单位认真研究对待。

由于这类产品具有研发简单、产品成本较低、使用中不需布线、安装方便等优势，已经成为灌溉控制产品的主流。主要的设备供应商有美国的托罗、哈希，以色列的太极、艾尔达，国内的上海远恒、石达赛特、联创斯缘等公司都有类似产品。

（4）无线方式的公用网络通讯。公用无线网络控制是利用现有的电信运营商（中国电信、中国移动、中国联通）的无线通讯网络传输灌溉控制命令，这种技术不需要开发人员考虑通讯可靠性问题，也不需要用户对自己所使用的通讯网络进行维护。但是用户或者产品供应商却需要给电信运行商支付相应的通讯费用。

3 各种通讯技术的特点

（1）有线方式的单向通讯控制（解码器）。这种控制方式的产品的特点是产品简单，可靠性高，同时由于它不能反馈现场的阀门状态的信息，比较适合于园林景观等操作人员能直接观察到开关阀门效果的场合。

（2）有线方式的双向通讯控制。这种有线通讯方式的特点是可靠性非常高，而且没有安装高度的限制，在农业应用中有时需要很长距离的通讯传输，有线方式可能无法达到，另外线缆敷设于耕作的田间有可能受到破坏。

（3）无线方式的自建专用网络通讯。这种控制方式的特点是组网灵活，不依赖电信运营商，在一定的条件下不需要缴纳运行费用。同时，由于基于这类通讯技术开发的产品非常多，出现了严重的鱼龙混杂的现象，很多类似产品没有经过常见时间的考验就推向市场，出现很多不可预知的问题。另外关于无线电管理的问题也应引起使用者足够重视，现在市面上的一些产品，包括国外的产品片面追求较大的通讯距离使用较大功率的无线通讯设备，这些设备大多违反了我国的无线电管理条例，大面积使用后一旦受到无委会的处罚将面临全面停用的后果。作为负责任的制造商和关注自己未来的用户一定要选用符合无委会规定的通讯产品，避免今后可能存在的不良影响。

（4）无线方式的公用网络通讯。公用无线网络控制的特点是将通讯这样一个复杂的问题交给专业的通讯公司去做，灌溉产品供应商和使用者只关心灌溉应用的问题，这样将消除通讯不稳定带来的困惑，同时也省去许多的网络维护的工作量。但在取得这些便利的同时却需要向电信运营商支付相应的费用。

4 不同通讯技术的适应范围及未来发展方向

每种通讯技术都有自己的优势和劣势，作为使用者其责任是了解这些优势和劣势，结合自己的工程实践，选择最适合实际工程特点的通讯技术和产品。单向通讯控制方式适合于喷灌及开关阀的结果可以人为判别的场合，如园林灌溉、高尔夫球场、小型农田喷灌等。双向有线通讯的控制方式适用于阀门集中于干管或分干管上，高杆作物，不需要每年耕作的场合。无线专用网络控制方式适合于阀门孤立分散，矮杆作物，控制区域内较少防风林带的场合。无线公网控制方式适合于手机信号覆盖的任何区域，不用考虑作物类型、防风林等情况。

通讯技术在灌溉控制应用中具有鲜明的特点，这些特点造成灌溉通讯将向着两个不同的方向发展，第一个方向是个性化，第二个方向是公用化。个性化是指开发一种专门用于灌溉控制的个性化通讯方式，专门用于灌溉行业的通讯控制，其特征在于长距离、抗阻挡、低速率、低成本、低功耗。公用化是指采用公用无线网络如手机网络，进行灌溉控制，其特征在于现实可用、安全可靠。从时间上来说，灌溉通讯的个性化产品需要市场的规模扩大到相当的程度，还需要相关技术研发成功达到成熟的程度，因此需要很长一段时间。而灌溉产品采用公用网络却不需要等待。因此，从未来十年看，公网无线是发展方向；从未来的十年以后看，个性化通讯网络将成为灌溉控制的方向。还需再明确的是，这里讨论的是田间灌溉阀门到灌溉首部之间的通讯方案，在首部之上现在和将来都是采用公用网络为主要手段。

参考文献：

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[2] 高胜国，黄修桥，齐学斌，等.基于经济组网方式的灌溉远程自动控制系统[J]. 农业机械学报，2005（2）：79-81.

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[10] 刘善梅，彭辉. 基于MSP430的智能灌溉系统设计[J]. 农机化研究， 2010（7）：117-120.

远程控制农田自动灌溉系统研制 篇4

我国是一个水资源严重稀缺的国家,水资源分布不平衡,对水资源贫乏的西部地区,农田的灌溉科学与节水节能十分重要,提高灌溉系统的自动化与智能化有广阔的应用前景。采用GSM网络实现灌溉系统的自动化不需要铺设线路,成本低,远程控制距离远(GSM网络能够覆盖的区域),随着GSM技术的发展和GSM基础设备的进一步升级与扩充GSM系统的性能和可靠性得到大幅度提升使得基于GSM通信技术的无线测控系统具有通用性好,地理覆盖面广,免调试维护,低廉的运营费和灵活的控制方式等等特点。[1]

本系统总体结构设计为测控中心站(上位机)与远程测控分站(下位机),上位机采用北京捷麦通信器材有限公司的组态软件,(根据需要也可将上位机由GSM手机构成移动终端,通过短信形式经GSM网发送命令给远程下位机实现控制)通过接收下位机发出的短信实现监测。下位机对测控目标监测与控制,并通过收发模块G100经GSM网与上位机双向通信。

1 前端测控系统的设计

1.1 硬件系统设计

远程测控分站电路的设计原理框图如图1所示:GSM无线通信模块G100通过标准异步串行通信接口RS-232与单片机AT89S52实现双向通信。用于接收来自测控中心站的短信息,并由单片机对信息内容进行解读,同时通过单片机控制G100将来自测控中心站的命令执行结果以及所测得的湿度数据发送给测控中心站。显示采用液晶LCDl602用于实时显示所测得的湿度数据。身份认证采用AT24C02存储身份验证信息,而验证信息通过键盘录入。[2]通过输出控制模块实现对现场的灌溉系统的5个供水阀进行控制,从而实现对农田的湿度进行自动控制。

本系统采用矩阵键盘、显示采用LCDl602。存储单元采用EEPROM存储器AT24C02,以串行总线的形式与外界进行数据的传输。以湿度传感器SHT10(Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上,输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOSens®技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。)进行湿度测量,还完成通过单片机控制北京捷麦通信器材有限公司的R401系列的I/O模块来控制供水管道上电磁阀开关等控制功能。

下位机上的通信模块选用北京捷麦通信器材有限公司G100型短信模块,发送接收数据的格式为透明传输方式,设置时模块将接收方号码(监控中心)保存在EEROM中,当模块在上电后没有收到短信时就要发送短信,发送短信的目的号码就是接收方电话号码。在透明传输中目的站点的编号是隐含的,隐含的方式是隐含在接收到的数据中,收到数据后就将收到数据的源站点号设为下次发送数据的目的站点。G100的这一功能为分站在透明传输模式下被多个主站访问提供了方便。AT89S52单片机的串行口经MAX323电平转换与G100的通信。(转换电路较常见,在此笔者不详细交待)

为了防止短信广告、系统通知、恶意破坏等无效的短信数据对系统的干扰,G100型短信模块通信时设置了四字节的密码。模块出厂时密码值为:63H77H9EHA6H。用户可根据自己的设定来更改密码,并且设置工作方式为省电模模式。[3]

湿度传感器SHT10芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定,校准系数以程序形式储存在OTP内存中,用于内部的信号校准(单片机程序中不必进行传感器线性化处理)。两线的串行接口与内部的电压调整,使外围系统集成变得快速而简单。

1.2 软件系统的设计:

G100通信模块通过AT命令来实现两者的数据通信,数据传输采用PDU模式短消息方式。AT命令集中AT+CMGC发出一条短消息命令AT+CMGD删除SIM卡内存的短消息AT+CMGF选择短消息信息格式:0-PDU;1-文本

AT89S52通过串口实现对G100的控制并首先初始化,短消息的接收、处理与发送程序完成数据通信,采用中断方式接收短信息,使用AT命令读取短消息并处理。为有效使用手机内存储器应对新短消息处理后将其删除。下位机的程序采用C51语言编写。

2 上位机系统设计:

上位机的硬件较简单,我们直接采用北京捷麦通信器材有限公司TTL-232连接线与232电平转换板(当然可以用MAX323芯片自己制作)加G100通信模块一只,具体连线见图4:

在计算机上G100模块测试软件即可对G100模块直接进行设置,设置情况见图5

将主站点的G100型短信模块工作在有格式传输以及主动工作方式,前台应用软件我们使用该公司提供的软件编号为:CA01T,这个软件以OPC的方式交换数据,组态软件中设置几个专用的变量,组态软件通过设置和读取这几个专用变量的值控制驱动程序收发短信。设置的变量有:变量名:T_phone code。属性:字符串功能:使用OPC向手机发短信时设置的欲发送的手机号码。变量名SMS_Tcontent。属性:字符串功能:使用OPC向手机发送短信时设置的发送短信的内容。变量名:TXD_FLAG。属性:离散型功能:OPC欲发送短信时当填写完T_phone code与SMS_Tcontent后置中心站点计算机组态软件短信模块驱动软件(OPC)计算机硬件及系统软件短信模块串口。(根据需要可以用VB6.0编写前台应用软件以及用通信控件MSComm来完成串行通信)。

3 结束语

通过调试,系统各部分功能都得到实现。远程监测分站能够完成现场电磁阀的控制并液晶显示湿度,与监测中心站进行双向通信。监测中心站用短消息实现对农田的湿度起监视功能。该系统可以根据系统要求不同,对前端测控站做出修改,在实际生活与生产中有较好的应用前景。该系统不足处是对短信由于网络拥堵或信号不好使得短信不能及时到达没有做特别的设计,这样对实时控制要求极高的系统将产生严重的后果,下一步我们准备在测控站部分加以改进,进一步完善系统。

摘要：本系统采用GSM网络实现对农田的湿度远程监控,对农田灌溉实现自动控制。该系统实现容易,运行可靠,应用范围广。本文同时详细简绍了G100通信模块与相关模块在构建无线测控系统设置方法。

关键词：GSM无线模块,单片机AT89S52,湿度传感器SHT10Sensirion,AT命令,上位机

参考文献

[1]韩斌杰.GSM原理及其网络优化[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]北京捷麦通信器材有限公司[S]G100模块说明书

农田水利灌溉渠道系统日常维护论文 篇5

1.1.1 渠道淤积严重、灌溉效益低。我国近些年来在水利灌溉设施方面有了很大的进展，建造了很多造福百姓的水利灌溉设施。然而由于一些水利灌溉渠道是沿着山坡开挖的，时常受到坍塌或者沉陷等问题的影响，导致水利灌溉渠道严重的淤积。

很多水利灌溉渠道都是修了很长时间的，长时间的运行，很多地方都已经老化了，再加上没有及时地对老化的地方进行维修，导致渠道的渗透量逐渐增大，灌溉效率逐渐降低，特别是后来人们的人为活动给水利灌溉渠道造成了破坏，侵占渠道建房、甚至是乱种植、乱排放等情况时常发生，这些不良的行为给水利灌溉渠道造成了不良的影响，直接压低了灌溉效益。

1.1.2 缺乏维护意识、专业水平低。虽然水利灌溉渠道系统对于农业生产有很重要的作用，农民对此也有深刻的认识，但是这种深刻的认识却没能提高农民的日常维护意识。

政府帮助农民建立了水利灌溉渠道系统之后没有意识到后期使用维护管理的重要性，同样农民只知道利用水利灌溉渠道系统进行灌溉，但是却没有加强对其维护。由于认识不足、重视不够，因此在对水利灌溉渠道系统进行维护的时候缺乏相应的设备、技术、以及专业人才的支持。

如今，基层的水利灌溉渠道系统管理人员的专业素质以及专业技术能力不高，没有专业的教育与培训，不仅如此，他们的工作积极性也有待于提高，没有先进的管理经验和思想的支持，使得维护管理模式相当落后。

1.1.3 维护管理资金支持力度不够。水利灌溉渠道系统常年使用，维护是少不了的，但是维修水利灌溉渠道系统是一项巨大的工程，它牵涉到很多问题与内容，以及众多的施工环节、步骤，成本比较高，因此需要大量资金的支持，政府在这方面担负着重要的责任，但是从资金投入来看，很多地方政府的资金投入都是很有限的，在所需维护资金中仅占一小部分，这部分资金对于维护水利灌溉渠道系统这一项浩大的工程中，犹如杯水车薪，难以实现维护的目的，无法落实维护水利灌溉渠道系统的工作，从而给农业发展埋下了隐患。

1.1.4 缺乏管护机制、管护主体缺位。在实行家庭联产责任制之前，水利灌溉渠道系统等设施都是由乡镇、村委等来管理维护的，但是在家庭联产责任制实行之后，对水利灌溉渠道系统的管理与维护逐渐缺失了管理主体，维护管理渐渐沦为一种形式，由于责任不明、产权不清导致了水利灌溉渠道系统有人建设、却没有人管理的情况，总体来说就是国家管不着、集体管不好、农民管不了的现状。

在这种情况之上，再加上没有健全的管护机制，以及缺乏管护经费、没有专业的管理人员、管理水平不高等问题，导致水利灌溉渠道系统缺乏相应的日常维护，使其逐渐老化、灌溉功能逐渐减退。

1.2 发展农业的需要

我国处于产业升级转型时期，第二产业与第三产业有了很大的发展，第一产业却有些止步不前。我国地区经济发展不平衡，东部地区经济很发达，于是出现了打工热潮，很多农民背井离乡出外打工，使农业发展缺少了必要劳动力，面对这种情况，如果水利灌溉渠道系统由于老化或者维护不妥，会给原本就比较严峻的第一产业的发展雪上加霜。

水稻节水控制灌溉试验总结 篇6

【关键词】 水稻 节水控制 灌溉

试验验证水稻节水控制灌溉技术在提高水稻抗倒伏、抗病虫害，增加水稻产量、增加经济效益等方面的效果，探索适合本地区的相关技术指标。本文用控灌、节灌与本地区常规灌溉进行对比，从而得出结论。

1. 试验材料与方法

1.1供试品种

空育131，主茎11片叶。

1.2试验地概况

试验地设在前锋农场科技园区，前茬水稻，土壤类型为白浆土，肥力中等，土壤养分含量：有机质3.55%，碱解氮182 mg/kg，速效磷32.2 mg/kg，速效钾67 mg/kg，pH 5.4。

1.3试验设计

采用小区对比方法，各处理氮、磷、钾肥用量相同（氮肥：8公斤/亩； 磷肥：6公斤/亩；钾肥：50%硫酸钾10公斤/亩）。控灌、节灌2个处理，以当地常规灌溉处理为对照，进行对比示范。每个处理3次重复，共9个小区，各小区试验面积110.88m2

1.4田间管理

播种4月9日，插秧5月12日，插秧规格30厘米×10厘米，5～7株/穴。

1.4.1控灌处理：

（1）泡田期。泡田前整平耙细能减少泡田用水，一般可每亩减少30-50立方米。用水量一般在80-100立方米。结合水耙地封闭灭草。土壤含水量下限为饱和含水量的85%.

（2）返青期。花达水返青，插秧后7-10天灌第一次水20毫米。结合灌水施肥。土壤含水量下线为饱和含水量的90%。

（3）分蘖期。分蘖初期灌水上限为20-50毫米水层，下限为饱和含水量的90%，遇降雨时最大蓄雨深度不应超过50毫米；分蘖中期灌水上限为20毫米水层，下限为饱和含水量的90%，遇降雨时最大蓄雨深度不应超过50毫米；分蘖末期要及时晒田，土壤含水量控制上限为饱和含水量，下限为土壤饱和含水量的80%。

（4）拔节孕穗到抽穗开花期。采用灌一茬水露几天田的办法，当土壤含水量降到饱和含水量的90%时再灌水，灌水上限水层不超过20毫米，逢雨不灌，蓄雨上限为50毫米，过多排出。

（5）乳熟期。土壤水分要求是田面干、土壤湿，蓄雨上限为20毫米，下限为饱和含水量的80%。

（6）黄熟期。田间土壤含水量上限为饱和含水量，下限为饱和含水量的70%。

1.4.2节灌处理：

插秧：花达水；返青期水层3-5厘米，自然落干；4-7叶（11叶品种，分蘖期）水层3-5厘米，自然落干；其间返青后3-5厘米水层立即施用分蘖肥；5叶期3-5厘米水层施灭草剂并保水4-5天；7叶定型诊断茎数，达计划茎数即开始晒田，晒至田面裂缝1-2厘米，复水3-5厘米水层，施用调节肥，自然落干维持保和水；若茎数不足到8叶定型后再晒田。剑叶叶耳间距负10厘米开始建立水层到7厘米，到剑叶叶耳间距负5厘米时，若有低温加深水层达17厘米，剑叶叶耳间距到正10厘米时，3-5厘米浅水自然落干维持保和水；抽穗到齐穗3-5厘米浅水自然落干维持保和水直到腊熟末期停灌。

1.4.3常规灌溉处理：

插秧：花达水；返青期水层灌到苗高的三分之二处；4-7叶（11叶品种，分蘖期）水层3-5厘米；其间返青后3-5厘米水层立即施用分蘖肥；5叶期3-5公分厘米水层施灭草剂并保水4-5天自然落干，间歇灌溉；7叶定型诊断茎数，达计划茎数即开始晒田3-5天，晒至田面裂缝1-2厘米，复水3-5厘米水层，施用调节肥，自然落干，再复浅水再落干，间歇灌溉；若茎数不足到8叶定型后再晒田。剑叶叶耳间距负10厘米开始逐渐建立水层到7厘米，到剑叶叶耳间距负5厘米时，密切关注天气预报，若有低温加深水层达17厘米，剑叶叶耳间距到正10厘米时，3-5厘米浅水自然落干，间歇灌溉；抽穗前夕晾田2-3天；抽穗到齐穗3-5厘米浅水自然落干，间歇灌溉；直到腊熟末期停灌。

2.结果与分析

2.1水稻灌水量调查

上表为水稻各时期不同灌溉方式的灌水量，结果表明，常规灌溉共用水60.97 m3 ，控水灌溉共用水49.52m3 ，比常规灌溉节水11.45 m3 ，节水灌溉共用水57.07 m3 ，比常规灌溉节水3.9 m3 。

2.2处理水稻抗病性调查

从水稻抗病性调查表中可以看出，今年水稻纹枯病和稻瘟病零发生；控水灌溉鞘腐病发病率是11.2%，比常规灌溉鞘腐病发病率高2.2%，节水灌溉鞘腐病发病率是8.7%，比常规灌溉低0.3%；控水灌溉褐变穗发病率是14.2%，比常规灌溉高4.7%，节水灌溉褐变穗的发病率是10.5%，比常规灌溉高1%；控水灌溉细菌性褐斑病发病率是1.4%，比常规灌溉高0.3%，节水灌溉细菌性褐斑病零发生。

3. 主要结论

3.1 三种灌溉方式中，最省水的灌溉方式是控水灌溉，比常规灌溉节省11.45m3的水，其次是节水灌溉方式，比常规灌溉节水3.9 m3 。

3.2 水稻综合抗病性指标最好的是节水灌溉方式，今年水稻纹枯病和稻瘟病零发生；节水灌溉鞘腐病发病率是8.7%，比常规灌溉低0.3%；节水灌溉细菌性褐斑病零发生；其次是常规灌溉，最差的是控水灌溉。

3.3节水灌溉方式有增产效果，比常规增产2.4%，控水灌溉方式無增产效果。

3.4 常规灌溉、控灌、节灌三种灌溉方式之间穗长、株高无显著差异。

3.5 三种灌溉方式均无倒伏现象。

农业节水自动灌溉系统的应用 篇7

随着科技的不断发展, 各种自动化不断进入人们的生活, 所以农业灌溉的自动化也越来越普遍。目前我国在农业的自动化灌溉方面存在的比较严重的问题便是水资源的利用率低。所以对于农业节水自动灌溉系统的应用研究便具有现实意义。

1 关于农业节水自动灌溉系统的的简介

1.1 关于农业节水自动灌溉系统的原理

自动灌溉系统由中央控制计算机、传感器、数据采集系统、电磁阀及软件系统组成, 自动灌溉系统的整体操作的过程为, 首先需要人工的制定一套最适合的灌溉的数据。例如植物需要的最佳的含水量, 需要的雨水量, 以及最适合植物生长的温度等。这些数据会作为一个标准值。然后通过传感器, 会感知在土地里的实际的各种数值。然后传感器将这些数据传给自动灌溉系统的中央处理系统。中央处理系统将实际测得的各种数据与本来设定的数据相比对, 然后就可以得出是否需要灌溉。当实际的数值低于标准的数值时, 便会灌溉。当时实际的数值高于标准的数值时, 相应的灌溉系统的开关变会关闭。这便是农业节水自动灌溉系统的原理。

1.2 关于农业节水自动灌溉系统的特点

农业节水自动化灌溉系统的应用范围主要是农业。他的使用者的知识水平可能并不是很高。所以这就要求农业节水自动化灌溉的整个系统组成不能过于复杂。一般而言, 农业工作者为了保持灌溉系统的清洁需要不断的清理, 但是清洗次数少反而是农业节水自动化灌溉系统的一个比较显著的优点, 并且在次数较少的清洗过程中便可以达到要求的洁净度。在灌溉的过程中, 灌溉水中可能掺上各样的化学药品, 对于农业节水自动灌溉系统造成各种侵蚀, 这也要求我们的农业节水自动灌溉系统具有高度的抗腐蚀能力。自动灌溉系统在进行灌溉时可以将水肥按照最佳的比例混合, 然后在灌溉的过程中, 施肥均匀, 并且可以根据植物不同生长时期对于肥的不同要求而进行调节。当然农业节水自动灌溉系统不仅仅可以完全自动化, 也可以将其调节成半自动化, 也可以完全手工。目前我国的水的利用率低下的主要原因是因为我们在灌溉的时候灌溉的精度无法控制, 农业节水自动灌溉系统便解决了这个问题, 他在灌溉的时候可以将灌溉的精度控制在一定的范围之内, 杜绝水资源的浪费。

2 目前国内外农业节水自动灌溉系统发展的现状

农业节水自动灌溉系统的初步发展是1929第一次世界大战期间。最先发明的国家是法国, 法国在二十世纪三十年代便研发出一套比较完善的农业节水自动灌溉系统, 并且在二十世纪五六十年代随着电子技术与科学技术不断的发展而发展, 农业节水自动灌溉系统不断的得到完善, 并且在美国日本等国家也得到了比较长足的发展。, 控制模式也由早期的当地控制发展到可以实现遥测、遥控的集中控制模式。目前, 国外的农业节水自动灌溉系统发展的时间快要接近一个世纪。经过长时间的发展国外的农业节水自动灌溉系统已经发展的十分完善并且控制的精度也十分的准确。我国的农业节水自动灌溉系统的发展时间比较短, 所以还存在比较多的问题, 目前我国的农业节水自动灌溉系统整体系统的配合性还比较差, 并且自动化的程度也不尽人意, 虽然农业节水自动灌溉系统是自动化的系统, 但是目前我国也没有完全的实现自动化, 大部分还停留在半自动化与人工的程度上。我国大部分的农业节水自动灌溉系统都处于研究使用阶段, 缺乏比较完善的我国自制的农业节水自动灌溉系统。总而言之, 目前我国的农业节水自动灌溉系统大部分是采用外国的先进措施。但是因为国外的这些农业节水自动灌溉系统是根据欧美国家的气候温度定制的。所以我国在应用的时候难免存在不合适的地方, 并且引进国外的农业节水自动灌溉系统需要花费大量的金钱, 这也就需要我们努力自主研发属于自己的农业节水自动灌溉系统。

3 对于我国的农业节水自动灌溉系统提出的改进方案

目前我国因为农业节水自动灌溉系统发展的时间不长, 所以存在比较多的问题, 需要进一步完善。以下针对于我国农业节水自动灌溉系统提出几点粗浅的看法。

3.1 对于农业节水自动灌溉系统设置硬件标准

要提高我国的农业节水自动灌溉系统便需要提高相应硬件设施的标准, 实现标准化与数字化。对于农业节水自动灌溉系统设置硬件标准化与数字化体现在以下几个方面:控制器的标准化、数字化。控制器是节水灌溉控制系统中的核心部件, 完成控制器的标准化、数字化, 才能信息实时采集、分时存储、准确地对环境因子参数进调控;传感器的标准化、数字化。传感器在整个农业节水自动灌溉系统中发挥的作用便是测量土地的相应的数据, 并且将其传输给中央处理系统。传感器的标准化, 数字化表现在使测量的数据精度控制在一定的范围之内。因此, 必须从精度、可靠性方面综合考虑, 制定统一的标准, 选择合理的数字化的智能传感器;执行机构的标准化、数字化。执行机构主要是农田或设施内温度、湿度及土壤水分等因子进行调控的控制电路和设备, 如电磁阀的开关等。以前我国应用的一般是开关, 开关的应用会降低灌溉用水的精度, 因此, 开发标准化、数字化的执行装置也是提高控制质量的重要因素;控制装置的网络化。对各个控制装置开发标准的网络通信接口及相应的节点, 实现各节点相互通信, 实现信息的共享对于农业节水自动灌溉系统的发展将起到很大的促进作用。并且实现各个控制装置的标准化也可以实现远距离控制。

3.2 进一步提高对于植物生长需要信息的提取能力

要想做到科学的节水, 便需要我们进一步的探测植物生长所需要的信息, 通过科学精确探测的植物生长所需要的信息, 可以制定更为精确的节水方案。如基于视觉技术探测生物信息, 用红外技术探测作物叶面温度满足植物生长的需求;将植物电信号作为生理反馈信息, 建立植物电位与环境因子的定量关系;利用多光谱反射原理探测植物生长状况, 如植物的水需求状况;植物的营养需求状况;植物的病虫害状况;植物的生长状况等。

4 结束语

在本研究中, 笔者研究的重点是农业节水自动灌溉系统的应用。首先介绍了农业节水自动灌溉系统的原理以及农业节水自动灌溉系统的特点。使得读者对于农业节水自动灌溉系统有一个大概的了解。然后介绍了国内外农业节水自动灌溉系统的现状, 目前国外的农业节水自动灌溉系统的发展已经比较完善, 而相对的, 我们国家因为发展的时间不长, 农业节水自动灌溉系统还存在比较多的不足, 这就导致我国的农业节水自动灌溉系统一般是采用国外的技术, 但是因为国外的各项指标与我国存在一定的差异, 需要我国自主研发属于自己的农业节水自动灌溉系统。最后提出了几点改进的措施, 面对我国这样的现状, 需要相关的工作人员继续努力, 努力完善我国的农业节水自动灌溉系统。

参考文献

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低功耗自动灌溉控制器设计 篇8

随着21 世纪的到来, 能源危机将接踵而至。比能源危机更可怕的是, 作为人类生命之源的水的短缺到了前所未有的程度, 这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继续恶化。水资源危机已成为全球性的突出问题, 利用科技手段缓解这一危机, 将是人类主要出路[1~2]。

由于微控制器和智能传感器的成本价格日益降低, 功能和可靠性大幅提高, 物联网技术已经在农业生产领域有了长足的发展。用高新的物联网技术实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。

本文旨在设计一套利用低功耗单片机Lauchpad对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统, 它能根据湿度采样的实时数据对作物进行适时、适量的灌水, 起到高效灌溉, 节水、节能的作用。

1 本设计任务和总体方案

本设计是基于Lauchpad控制下的自动灌溉控制方案, 分别对土壤湿度测量、灌溉控制技术及控制设备的软硬件各个部分进行了设计研究。本文设计的设计方案主要是依靠Arduino土壤湿度传感器感知土壤湿度, Launchpad可对土壤湿度进行实时A/D转换, 通过LCD1602 进行显示湿度数据, 并根据实际情况来驱动继电器带动水泵进行灌溉。

设计方案有以下几个模块组成:低功耗控制器Launch Pad, Arduino土壤湿度传感器, LCD1602 液晶显示器模块, 继电器模块, 直流水泵模块, 直流稳压电源模块。设计框图如图1 所示。

2 主要模块设计

2.1 核心控制模块

本控制器的核心是德州仪器提供的低功耗开发板Launchpad。它的主控芯片型号是MSP430G2553, 本身就是为了便携式设备而量身打造的16 位单片机[3~4]。MSP430 系列单片机低功耗体现为即使微弱的能量, 也能够驱动单片机工作, 在1.8 V以上的电压下CPU都可以正常工作, 最新系列的MSP430 单片机甚至可以把这个数值再降低几乎一半至1.1 V。

本设计中使用MSP430G2553 片上AD进行采样, 其采样精度为10 位, 参考电压选为1.5 V和2.5 V, 采样方式选择为单通道重复采样, ADC4 的核将模拟量转换成10 位数字量并储存在ADC4MEM寄存器里。

这个核使用VR+和VR-来决定转换模拟值的高低门限。当输入电压超过VR+时它会停在0X03FFH上, 当输入门限低于VR-时它会停在0 上[5~7]。采样值的计算公式为:

2.2 采样模块

该传感器模块为Arduino湿度传感器, 可用于检测土壤的水分, 它的工作电压3.3~5 V, 该模块双输出模式, 数字量输出简单, 模拟量输出更精确, 设有固定螺栓孔, 方便安装, 工作稳定。

接口示意图如图2 所示。

本控制器设计需要用到该模块的下述3 个功能:

(1) 模块在土壤湿度达不到设定阈值时, DO口输出高电平, 当土壤湿度超过设定阈值时, 模块DO输出低电平。

(2) 小板数字量输出DO可以与单片机直接相连, 通过单片机来检测高低电平, 由此来检测土壤湿度。

(3) 小板模拟量输出AO可以和A/D模块相连, 通过A/D转换, 可以获得土壤湿度更精确的数值。

其中功能3 直接可提供MSP430G2553 进行A/D采样。

2.3 显示模块

在数据的显示部分, 本设计采用了工业级1602 液晶来对采集的数据进行显示。由于Launchpad本身IO口数量有限, 因采用四线制对1602 进行接线操作, 四线制和八线制的区别主要在四线制少连了数据线的低四位DB0⁃DB3, 这样一来LCD_E, LCD_WR, LCD_RS、4 条数据线DB4⁃DB7, 总共占用7 个引脚。这种连接方式使得IO口有充分利用, 代码执行效率高。

3 软件设计

本设计主要是利用TI公司提供的开发工具Code Composer Studio进行工程开发, 使用该软件能够进行程序的编译, 单步, 全速调试, 简单易用, 本设计中程序主要是由采样、显示和驱动3 部分组成, 主流程图如图3所示。

在程序调试的过程中, 可以通过CCS查看变量、寄存器、汇编程序或者是Memory等的信息显示出程序运行的结果, 以和预期的结果进行比较, 从而顺利地调试程序。

4 硬件调试

上电后即将程序下载到Launch Pad, 系统可以正常的工作, 能实时显示出当前的土壤湿度情况 (Earth Hum) 数值。当检测到的湿度值低于临当湿度值低于所设定的湿度值 (即植物需要浇水的临界湿度值) 时, 传感器指示灯显示绿灯, 显示器显示干燥状态 (Thirsty) , 系统开始控制水泵进行自动灌溉。

湿度传感器继续采集数据, 当灌溉过程中其采集到的数据高于所设定的另一湿度值 (即植物不需要在浇水的临界湿度值) 时, 指示灯提示红色, 显示器显示潮湿状态 (Wetness) , 控制器使水泵停止灌溉, 经过反复多次测试, 系统的响应及时, 稳健。

5 结语

随着现代电子技术深入农业生产当中[8], 农业生产将会变得更加经济高效, 低功耗灌溉控制器兼具感知土壤湿度及控制作用, 并且能够与无线传感网有效结合, 必将给我国农业经济带来物联网技术的各种好处, 促进农业生产良性发展。

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基于单片机自动灌溉系统的设计 篇9

自动灌溉主要是通过采用单片机设计的一种控制、信息处理以及监控系统, 其系统简图如下图1所示, 单片机自动灌溉系统主要是由单片机控制系统、管道系统、湿度传感器、电源电路、电磁阀以及键盘电路等系统组成。其工作原理为:单片机系统主要采用ATMEGA 16系统作为核心控制芯片, 其上位机主要采用组态作为监控, 并且自动灌溉系统的单片机和PC机之间主要是通过串行通信RS232进行连接的, 系统中的湿度传感器主要是通过单片机内置的A/D转换输入端与单片机进行相连接形成的, 进而实现信号的传送和信号A/D的转换, 基于单片机自动灌溉系统主要是根据接收到的信号进行分析处理, 并且根据控制规则进行发出控制信号, 并通过放大驱动电路进行控制电磁阀的动作, 从而完成对土壤的灌溉[1]。

2 自动灌溉系统的硬件设计

自动灌溉系统主要采用ATMEGA16单片机, 湿度传感器、电源电路、电磁阀以及键盘电路等系统组成, 其自动灌溉系统的硬件设计框架如下图1所示.ATMEGA16单片机是自动灌溉系统的控制核心, 单片机的作用主要是进行处理信号结反馈信号, 然后向系统发出指令对其他系统进行控制, 单片机控制系统主要是通过湿度控制电路实现的, 因此在系统中只要改变继电器的通断, 就能够控制加湿设备, 从而实现对土壤湿度的控制[2]。并且单片机主要采用智能传感器进行对土壤的湿度进行控制, 这种传感器的精确度高, 输出信号全数字化, 并且能够对于单片机的处理控制非常方便, 而且对芯片的性能也是非常稳定的。

自动灌溉系统中的显示电路主要是由LCD1602通过将测量的湿度值显示出来, 然后通过键盘模块对湿度上下限值进行设置, 如果土壤湿度超过上下限值就会发出报警声。

3 自动灌溉系统的软件设计

自动灌溉系统在通电后, 首先进入初始化系统, 然后进入键盘处理模块中, 经过键盘处理后, 使其数据进入测量湿度采集模块和测量显示模块中, 然后再分别完成各自的功能。其中测量显示模块主要分为湿度处理、湿度采集以及键盘处理和数据显示等几个部分, 并且湿度采集主要是为了能够达到对测量的土壤的数据进行采集, 而湿度处理系统主要是对采集到的数据进行处理并使其数据与用户设置的上下限值进行对比, 并进行分析判断是不是在设定的上下限值之内, 如果超出系统中的蜂鸣器会发出报警的声音。其自动灌溉系统设计的总体流程为:开始-系统初始-湿度设定键按下-湿度上下限值设定-湿度比较处理-显示湿度值-根据湿度判定模块进行控制设备启停。

在自动灌溉系统工作的过程中, 如果系统检测到土壤的湿度比所设定湿度的下限值小的时候, 则单片机就会发出启动信号, 并且会使继电器导通, 从而220V的AC使交流喷雾器启动进行喷水, 如果系统检测到土壤的湿度比所设定温度的上限值高时, 则单片机就会发出停止的信号, 从而系统自动断开继电器, 并使220V的AC交流喷雾器停止工作, 保证自动控制温度在一定的范围内[3]。

4 结论

自动灌溉系统的自动化、精细化是农业灌溉发展的重要的趋势, 本系统主要是在农作物以及土壤湿度较低的情况下以及需要灌溉时, 系统自身能够启动220V的AC交流喷雾器实现对农作物的灌溉, 这种系统不仅实现自动灌溉的功能, 而且设计的成本低, 作业性能稳定, 适应性广, 并且随着科学技术的发展, 将通信技术与灌溉技术有机的结合, 不断加强对自动灌溉系统的设定, 其将在农业灌溉中得到更加广泛的推广使用。

参考文献

[1]宁玉伟, 李明刚, 何玉静, 等.基于单片机控制的定量灌溉系统的设计[J].河南农业大学学报, 2010, 44 (3) :311—313.[1]宁玉伟, 李明刚, 何玉静, 等.基于单片机控制的定量灌溉系统的设计[J].河南农业大学学报, 2010, 44 (3) :311—313.

[2]杜文雄, 王钦若, 潘永平.基于Freescale以太网单片机的智能灌溉系统通讯设计[J].工业控制计算机, 2008 (4) :85—86.[2]杜文雄, 王钦若, 潘永平.基于Freescale以太网单片机的智能灌溉系统通讯设计[J].工业控制计算机, 2008 (4) :85—86.

自动灌溉控制系统 篇10

关键词：田间灌溉,ZigBee,土壤水分含量,测控系统

0 引言

我国是农业大国, 农业用水量约占社会总耗水量的80% 以上; 而近年我国水资源短缺现象日趋严峻, 因此节水农业将成为我国现代农业发展的一个重要方向[1]。目前, 我国自动灌溉的农业节水技术虽然已经有一定的发展, 大水粗放的现象已经基本得到控制; 但大多数都是定时式的灌溉技术, 无论土壤是否干燥都会按时予以灌溉, 水资源利用率还较低, 造成了水资源的浪费[2 - 3]。另外, 农作物的需水量在不同时间对水分的要求也不尽一样, 了解土壤水分并合理地灌溉会对提高农作物产量有一定的帮助。

因此, 人们对田间灌溉的自动控制技术开展了大量的研究, 主要集中在对Zig Bee无线通信技术的研究[4 - 7]和自动测控技术[8 - 10]的研究。基于前人所做的大量研究工作, 设计了基于Zig Bee无线通信技术的远距离田间灌溉自动测控系统。

1 系统总体设计

系统的总体框图, 如图1 所示。在田间土壤中安装有湿度传感器HM1500, 经过51 单片机的AD模块采集, 并通过显示电路驱动LED数码管显示土壤水分信息。单片机通过串口模块将实时的土壤水分信息经Zig Bee无线模块发至上位机进行显示, 以便上位机进行实时监控。上位机一方面实时显示下位机传送来的实时数据, 另一方面将实际测得的土壤水分含量与上位机设定的土壤下限值进行比较: 当土壤水分含量低于设定值时, 经Zig Bee无线传输模块发送启动灌溉命令给下位机, 下位机单片机系统通过驱动电路驱动水泵给田地灌溉, 同时启动蜂鸣器进行报警提示。

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要分为下位机现场控制模块以及无线数传模块两部分。

根据系统总体设计方案, 设计思路如下:

1) 集中设计直流稳压电路, 为整个电路中的其它部分工作提供稳定的直流电源。电路输入为市电 ( 220V, 50Hz) , 输出为稳定的直流5V电压。

2) 使用单片机最小系统设计主要控制模块, 配合其它外围电路以满足对象控制的需要。

3) 湿度传感器获取田间土壤水分含量的相关数据, 并经单片机实时采集显示。

4) 对串口通信部分进行设计, 从而保证下位机现场测控模块可以与上位机 ( 中心计算机) 进行可靠的无线通信。

5) 设计用于测控的上位机系统, 用以实时监测现场数据和控制下位机。

下位机现场测控模块总体原理图, 如图2 所示。

2. 1 单片机介绍

AT89C51 是一种带4K字节FLASH存储器 ( FPEROM - Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 的低电压、高性能CMOS 8 位微处理器, 俗称单片机。单片机可擦除只读存储器可反复擦除1 000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造, 与工业标准的MCS - 51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中, ATMEL的AT89C51 是一种高效微控制器, AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2. 2 直流稳压电源模块

直流稳压电源模块主要由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路及集成稳压电路等构成。桥式整流电路选用的是集成模块3N250, 并引入集成稳压电路模块LM7805。为了表明整体电路的工作状况, 在电路内接入了一个LED, 如果LED亮说明电路正常工作, 如果不亮则说明电路未工作。

2. 3 土壤水分测量模块

HM1500 是线性电压输出式集成湿度传感器主要特点是采用恒压供电, 内置放大电路, 能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号, 响应速度快、重复性好、抗污染能力强。特点: 尺寸小、浸水无影响、互换性好、可靠性高、漂移小; 在5VDC供电时, 0 ~100% RH型输出1 ~ 4VDC; 极低的温度依赖性、比例输出、电源电压、适合3 ~ 7V供电; 在长时间处于饱和状态后快速脱湿、专利固态聚合物结构、对化学品的高抵抗性、响应时间短。

本设计中HM1500 接法如图2 所示。其1 引脚接电源, 3 引脚接地, 2 引脚接单片机, 25 引脚用于把采集到的数据传递给单片机。

2. 4 灌溉驱动电路

固态继电器 ( Solid State Relay, 缩写SSR) , 是由微电子电路、分立电子器件及电力电子功率器件组成的无触点开关。隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号, 可以直接驱动大电流负载。固态继电器是具有隔离功能的无触电开关, 因此除具有与电磁继电器一样的功能外, 还具有逻辑电路兼容、耐振耐机械冲击、安装位置无限制等特点, 具有良好的防潮防霉防腐蚀性能, 在防爆和防止臭氧污染方面的性能极佳。其具有输入功率小、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、噪声低和工作频率高等特点。专用的固态继电器可以具有短路保护、过载保护和过热保护功能, 与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块, 直接用于控制系统中。本系统中单片机28 引脚输出高电平时, 三极管Q2 导通, 驱动继电器导通, 带动水泵灌溉。

2. 5 显示电路

LED数码管 ( LED Segment Displays) 由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件, 引线已在内部连接完成, 只需引出它们的各个笔划, 公共电极。LED数码管常用段数一般为7 段, 有的另加一个小数点。LED数码管根据接法不同分为共阴和共阳两类。了解LED的这些特性, 对编程是很重要的, 因为不同类型的数码管, 除了硬件电路有差异外, 编程方法也是不同的。本设计采用共阴极LED数码管, 采用动态显示原理。

数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的显示方式之一。每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路, 位元选通由各自独立的I /O线控制, 单片机对位元选通COM端电路控制, 所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开, 该位元就显示出字形, 没有选通的数码管就不会亮。在高速选通断开每个数码管的情况下, 由于人眼的视觉暂留感觉, 每个数码管都是静态显示。

2. 6 通讯接口模块

本设计采用串行通信, 为实现远距离传输使用Zig Bee无线模块。串口叫做串行接口, 现在的PC机一般有两个串行口COM1 和COM2。串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位地传送出去的。虽然这样速度会慢一些, 但传送距离较并行口更长, 因此若要进行较长距离的通信时, 应使用串行口。通常COM1 使用的是9 针D形连接器, 也称之为RS - 232 接口。

Zig Bee是一种经济、高效、低数据速率 ( <250kbps) 、工作在2. 4GHz和868 /928MHz的无线技术, 用于个人区域网和对等网络[9]。由于Zig Bee价廉以及低功耗的无线通信特点, 一直占据着无线通讯市场。特别在无限传感器网络方面, Zig Bee有着十分广泛的应用。

无线数传模块采用了德州仪器 ( TI) 公司推出的高度整合的SOC芯片CC2530 方案进行模块设计。CC2530 具有成本低、体积小, 外围设备丰富且电路简单、扩展性强、而且能够胜任WSN节点的功能和作用[10]。

CC2530 具有一个IEEE 802. 15. 4 兼容无线收发器, RF内核控制模拟无线模块。32 k Hz时钟驱动睡眠定时器和看门狗定时器, 并当计算睡眠时期时间时, 作为MAC定时器的闸门。应用RF收发器时, 必须选择32 MHz晶振, 确保其稳定。因此, 在外围电路中设计了32 MHz和32 k Hz两个晶振电路, 32 k Hz晶振设计运行在32. 768 k Hz, 需要时间精度时, 为系统提供一个稳定的时钟信号。CC2530 的基本射频电路如图3 所示。

3 系统软件设计

系统软件设计框图, 如图4 所示。下位机单片机采集系统首先采集湿度传感器的现场数据, 并经过无线数据传输模块Zig Bee传送至上位机测控系统; 上位机一方面实时显示下位机传送来的现场数据, 另一方面通过与设定的土壤水分下限值进行比较, 当判断得到土壤水分实时含量低于土壤水分下限时, 通过Zig-Bee无线收发模块发送启动灌溉命令给下位机, 下位机接收到命令后启动水泵进行灌溉, 同时启动蜂鸣器进行报警提示。

4 下位机与上位机通信

Zig Bee无线通信是在Zig Bee 2007 协议栈的基础上进行的。

Zig Bee无线网络具有自组网的功能, 本系统将上位机设置为协调器, 将所有的下位机设置为路由器或终端节点。在进行组网时步骤为: 1由协调器建立网络; 2所有终端节点或路由器发送申请加入网络的信标 ( Beacon) 请求; 3所有终端节点或路由器发送加入网络请求 ( Association Request) ; 4协调器对所有终端节点或路由器的加入网络的请求作出应答; 5所有终端节点或路由器收到协调器的应答后发送数据请求 ( Data Request) , 请求协调器分配网络地址; 6协调器对所有终端节点或路由器的数据请求作出应答; 7协调器将分配的网络地址发送给所有终端节点或路由器。至此, 所有终端节点或路由器就已经自动加入Zig Bee无线网络之中。

当进行无线数据传输时, 要对Zig Bee设备节点进行初始化, 在Zig Bee 2007 协议栈中用结构体Simple-Description Format _ t对设备节点进行初始化。在对设备节点进行初始化的时候, 要对Zig Bee无线通信网络的信道进行设置, 设置信道就是设置经CC2530 发射的无线电波的频率。由于在如今的空气中有许许多多的无线电波, 包括手机、电视、收音机等, 它们的频谱从几十兆赫兹到几千兆赫兹不等, 这些无线电波都是以空气作为传播介质, 而在我国Zig Bee无线网络又使用国际通用的ISM ( Industrial、Scientific and Medi-cal—工业、科学和医疗) 频带。因此, Zig Bee无线网络的信号有时候会被其它的无线电波干扰, 在实际应用中常常会将Zig Bee无线通信的信道设置为比较安静的25、26 信道。

当下位机采集到通过湿度传感器HM1500 测量的土壤水分的数据时, 调用数据发送函数AF_DataRequest ( ) 将数据发送给上位机。当数据发送给上位机后, 上位机首先使用osal_msg_receive ( ) 函数从消息队列接收一个消息, 然后使用switch - case语句对消息类型进行判断。之后, 如果消息是数据类型, 就让接收的数据与设置的土壤下限值进行比较: 当土壤水分含量低于设定值时, 经Zig-Bee无线传输模块发送启动灌溉命令给下位机, 下位机单片机系统通过驱动电路驱动水泵给田地灌溉, 同时启动蜂鸣器进行报警提示。

Zig Bee 2007 协议栈还支持定时睡眠功能, 下位机节点即终端节点可以设定为每隔1h或30min测量1次土壤的含水量。这样既可以发挥Zig Bee无线通信低功耗的突出优点, 同时也可以延长终端节点的使用寿命。

5 结论

基于Zig Bee无线通信技术设计了田间灌溉自动测控系统; 完成了系统的硬件设计, 包括下位机单片机系统、直流稳压电源模块、土壤水分测量模块、灌溉驱动电路、显示电路和通讯接口模块; 完成了系统的软件设计并成功实现下位单片机系统与上位机之间的Zig Bee无线通信。设计的测控系统成本低、性能优, 为节水灌溉系统的设计提供了借鉴。

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