物联网的无线水田监控系统的设计

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引言
水是不可再生资源，地球的上所有生物的生存都需要水资源。所以我们明白无论动物还是植物，水对生命的重要性不言而喻。水是生命之源，花草树木没有水的滋润，就会枯萎，动物离开了水就会灭亡，人可以一段时间不吃东西，但却不能不喝水。从各个方面来讲，每种生物对水都有不同的需求。因为水资源的珍贵，我们应该有效的使用它，使其发挥更多的价值。
智能无线水田是一种对水资源合理充分运用的技术。它不仅可以代替之前老式的人工农业灌溉。而且它是智能化的，方便了人们的生活。如今人们对合理利用水资源越来越重视，智能无线水田技术的重要性也更明显。可以说，智能水田引进这一类自动的浇灌技术是对古老的农作物浇灌工作做出的挑战，同时这种控制方式的改变也改善了人的起居方式与生活习性，分析现代社会对于水利建设的需求，有理由坚信智能无线水田系统计在不远的将来一定会成为一种崭新的发展趋向。
本文提出一种无线控制的智能水田管理系统，对于水田的管理需要实时监控田里的含水量，土壤的温度等信息，作为传统的监控方式都是靠辛劳的农民朋友走遍每一块地进行实地观察，确定是否需要进行灌溉，从而保证田里的水分的含量，这种管理方式不仅浪费人力，而且由于人的肉眼无法准确的分析水的含量，不能及时的进行灌溉，而影响粮食的产量。鉴于此本文提出一种基于无线的智能水田管理系统，该系统引入自动控制原理技术及无线传感器网络技术，实现水田的自动管理的功能，实现水田24小时的实时监控，不仅节约人力成本，控制精度高，可大大提高水田的整体环境，提高粮食产量。
二、总体方案设计
（一）总体硬件设计方案
本次设计基于物联网的无线智能水田监测系统的设计主要分为数据采集电路、控制电路以及远程通信电路等三部分组成。数据采集电路主要是通过单片机及土壤湿度传感器实现土壤湿度的检测，控制电路主要通过单片机控制水泵实现及时灌溉的功能，无线通信主要是把土壤的湿度及水泵的工作情况通过无线的形式发送到控制端，本次设计无线采用GSM模块，方便远程查看，具体思路如下：
1、 用单片机来进行总控制，实现水田土壤湿度的检测和显示功能；
2、用无线GSM技术，实现单片机和手机的远程通信功能，实现将土壤湿度信息通过短信发送到用户的手机上；
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3、用LCD1602来显示当前系统的工作状态及土壤浓度等信息；
4、用单片机对水泵进行控制，实现灌溉的功能；
5、利用光照传感器、温度传感器采集当前水田的温度、和光照强度值。
根据上述要求，本系统的总体设计方案如下图。


图 21 硬件总体框图
（二）、主要元器件选择
1、主控器选型
目前市面上单片机种类繁多，其中51系列单片机应用最广泛，除此之外，AVR单片机、STM32、ARM、MSP30系列等也被人们所青睐。本次设计将AVR系列单片机和51系列单片机作为预选方案，下面对这两个系列的单片机进行比较与分析。
方案一：AVR系列单片机
Atmel公司研发出的增强型内置Flash的RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR单片机。它具有高可靠性、低功耗、功能强的特点。
方案二：51系列单片机
51系列单片机被各行各业广泛应用。它包括4K的ROM，8位CPU，256字节的RAM；32个I/O接口，专用寄存器，两个可编程定时/计数器，五个中断源；一个全双工串行通信口等；并可以使用单一5V电源进行供电。但因为资源少，所以并不适合做低功耗控制器[2]。
综上所述，虽然AVR单片机外设接口丰富，性能高于51单片机，但是51系列单片机成本低，而且这次设计只用到一些普通的IO接口 。综合考虑，选择51单片机比较合适。
2、AD方案选型
因为STC89C52内部没有AD转换模块，即需要用外部的AD转换芯片进行控制，常用的转换芯片有ADC0832和ADC0809，两者是不同类型的AD转换器。ADC0832是串行ADC，有利于检测变化缓慢的信号，电路简单，速度缓慢。ADC0809是并行ADC，速度较快。声音进行采样，要考虑使用并行式ADC，才不会丢失大量信息。本次采集的数据数量很小，所以使用ADC0832串行ADC来控制。
3、显示模块选择
方案一：LED数码管显示
LED显示硬件电路比较简单，由发光二极管组成‘8’字型的器件，控制发光二极管亮灭的情况，显示不同的数字。数码管有共阳和共阴之分，通过数码管的公共脚来区分，共阳是公共脚是正极，所有的段码是负极；共阴是公共脚是负极，段码位是阳极。数码管可以简单控制，并且显示清晰。因此得到广泛应用，但显示的字符比较少，仅能显示0F这16个简单字符，因此很多地方不用它来做显示器件。
方案二：液晶显示
LCD可以显示各种图案和字符，有的LCD还带中文字库，可以显示中文，LCD显示器有并行和串行两种控制方式，并行控制方式写入速度快，但占用的CPU的IO引脚多，串行控制方式虽然写入速度慢，但占用的CPU的IO引脚少。
通过以上两种方案比较，LED显示信息少，即本次设计使用LCD液晶显示。
（三）软件设计
系统通过设置单片机端口，以及对串行口和定时器进行初始化，实现对单片机和各个模块芯片之间通讯，最主要的是连接子程序的各个模块[5]。

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