农田节水灌溉节点控制器
农田节水灌溉节点控制器[20200406145619]
摘 要
随着水资源日益短缺，农业干旱经常发生，传统粗放型农业灌溉方式因为水资源利用率低已经不适合我国现阶段的国情，发展节水型农业迫在眉睫。国外节水型智能灌溉设备的研究已经取得重大突破，而我国在这一领域才刚刚起步。针对我国现阶段情况，本课题研究一种用于农田节水灌溉的节点控制器，内容仅限于节点控制器的研究。该控制器以STC89S52单片机为核心，外围配以功能模块电路用于采集农田的水位、温湿度信息和储存数据，执行排水灌溉操作，利用RS485总线实现和后台数据通信。该控制器既可以单独工作，又可以通过总线和后台计算机一起配合作业，实现农田节水灌溉作业。本课题设计的农田节水灌溉节点控制器具有成本低廉、技术简单、经济实用易于普及等优点。适用于大型家庭农场的自动化管理，该控制器用于农田节水作业具有相对广阔的市场前景。
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关键字:农田灌溉温度湿度水位
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国外研究状况 1
1.3国内目前研究情况 2
1.4本课题主要研究内容 2
2 系统设计 3
3 硬件设计 5
3.1单片机最小系统设计 5
3.2液晶显示模块 5
3.3数据存储模块 6
3.4键盘 7
3.5总线通信模块 8
3.6 水位监测模块 9
3.7温湿度采集模块 10
3.8电源模块 11
3.9继电器的驱动电路 12
4 软件设计 13
4.1 系统初始化 14
4.2 液晶显示程序 15
4.2 数据存储程序 16
4.3 温湿度采集程序 18
4.4水位采集程序 20
4.5 RS485总线程序 21
结语 24
参考文献 25
附录 26
附录一 系统原理图 26
附录二 实物图 27
附录三 程序关键代码 28
1 绪论
1.1课题研究背景
我国是一个拥有千年农耕文明的国家，农耕文化有了很大的发展，千百年来依靠充足的地下水资源辛勤耕作使粮食自给自足。凭非常少的农田养活地球大部分人口，不得不让人说这是一个奇迹。但改革开放后由于工业发展方式不科学导致出现地下水下降，江河湖泊污染严重，水土流失，季节性干旱等一系列的环境问题。中国人口众多，生存发展等用水量大，农业用水不足成了一个急需解决的问题，如果还依靠开发地下水资源来解决问题，那样的发展是不长久的，必须发展节水型、生态文明的农业。千百年来由于没有配套的农业灌溉设施，一直是采用放水漫灌的粗放灌溉方式。不仅大大的浪费了可贵的水资源，还容易造成严重的水土流失和化肥农药污染地下水资源，而且往往还因为灌溉不及时、过度灌溉和灌溉不足使农作物长期处于不利于生长的境地。这种方式的灌溉水利用率极低，远远落后于世界水平，本来就已经稀缺的水资源在我国就显得更加弥足珍贵了，全国能够利用的水量处于地球前列，但每个人能够使用的水资源在世界中排名比较靠后，排到135位。我国水资源的时空分布也是极不均匀，水资源逐渐从东南沿海的丰富递减到西北内陆紧缺；春夏季节降水较多，秋冬季节降水少；年内年际变化非常大，用水短缺问题日益突出。在日常用水中，农业用水占了绝大部分，近几年来一些地区的农业用水紧缺，发生大面积的季节性干旱的事情经常发生，造成社会的巨大不稳定，成为制约社会发展的主要因素；所以节约用水尤其是节约农业用水，充分利用水资源已经到了迫不及待的地步。为此上头制订颁发了《加快水利改革发展的决定》的红头文件；并出台了《国家农业节水纲要》用于指导农业节约用水、促进生产的工作。国家把农业节水提升为国家战略的高度，由此可见提高水资源利用率的严重性和急迫性。
1.2国外研究状况
节约农业用水，合理利用水资源的有效方式就是改变传统的粗放式灌溉方式，采用高效的农田灌溉方式，建立科学的农田节水灌溉系统。凭借近几十年的科技发展，越来越高的技术已经融入农业用水方面。以色列掌握着世界领先的农业灌溉技术。他们的农业用水灌溉已经从传统的粗放灌溉向以提高农业用水利用率、信息化、网络化为特征的灌溉制度转变。他们发明的滴灌技术把装有滴头的管道铺设到田间，这些滴头出水量一致，把肥料加到水中通过滴头直接滴到农作物上，混合液是直接来到植物根系，抑制了杂草的生长，滴头可以随意组装，适应不同的作物，实现灌溉用水管网管理的自动化，对农作物的长势可以进行实时监测，动态管理。这些自动节水灌溉系统采用计算机为核心，配以信息采集传感器，能自动检测农作物生长，根据需要自动灌溉，精确可靠。在一些国外的大型现代化农业灌溉区域都配备智能化自动灌溉系统；利用压力灌溉、滴灌、喷洒式灌溉等技术使从事农业生产的人员大大减少，真正做到了省时省力。随着先进节水灌溉系统的大规模扶持推广和应用，农业用水利用率提高到0.8左右，处于世界先进水平。
1.3国内目前研究情况
我国科学信息技术发展起步较西方国家要晚，计算机微控制技术等先进技术在农业方面的使用还没有展开普及。改革开放后从国外引进了一批节水灌溉设备，由于设备价格昂贵只在一些重点农业示范区才有能力引进，但设备维护成本高，设备放在那边只起到展示作用。国内有的农业区域采用自主研发的灌溉排水设备，这些设备质量差，管理技术落后，农田里只铺设了排水管道，日常的排水灌溉还需要人工手动操作，依据经验人工决定每天的灌溉水量和灌溉时间，有时灌溉量超过农作物的需求量导致水土流失，资源的浪费，灌溉量过少不能保证作物正常生长。
近些年来，科研人员也针对节水灌溉作了研究，其中较为典型的是苏林研究的基于ARM7和模糊算法开发的温室智能灌溉系统，它的处理器是采用ARM7架构的S3C44B0X，数据采集模块是PH,EC等传感器，软件设计中移植了UC/OS操作系统，采用多任务程序设计方法，解决了数据处理的实时性【1】。另一个典型的研究是吴正阳等人利用GPRS技术设计了农田节水灌溉的远程控制系统。系统由客户/服务器模式构建框架，由Socket提供网络通信服务，采用ADO数据库访问技术实现数据处理。该研究实现了对现场的实时监测和控制，减少了大型灌溉区域所需的人力物力【2】。
1.4本课题主要研究内容
本课题研究的是针对农田节水灌溉网络系统中单个节点的设计问题。利用微控制技术结合各种传感器和通讯技术开发一套模块化节水灌溉控制器。控制器能够利用传感器采集并存储农田的水位、温度、湿度等数据信息。控制器既可以自行分析这些采集的信息，做出相应的处理，也可以利用总线技术联网远程监控，接受后台的指导，实现集中化管理控制。实现对农田信息的综合管理监测，为农作物提供一个适合生长的环境，提高农业用水的利用率，达到节水促生产的目的。
2 系统设计
中国农业的发展将以家庭农场经营方式取代改革开放时的家庭承包经营制，实现规模化、专业化发展。本课题研究的是针对农田规模化经营过程中的节水灌溉问题，实现农田雨量、温湿度信息的采集存储，利用后台计算机进行远程监控，最终由电磁阀进行灌溉操作。农田规模化经营需要灌溉的面积广阔，单一控制器能携带的传感器数量有限，无法覆盖整个灌溉面积。针对这一点可采取化整为零的方法即把整个大型灌溉区分割成若干个小灌溉区，每个控制器负责一块小型灌溉区域。后台计算机以RS485现场总线的方式和每个节点控制器保持数据通信, 本课题研究仅涉及单个节点设计。整个系统构架如图2.1所示。
图2.1 系统架构示意图
根据课题要求，控制器的设计可以以微控制器为核心，配备相应外围功能电路，如农田数据采集电路、数据通信电路、数据存储电路、显示电路等部分。节点控制器具体的设计以STC89S52单片机为核心，负责处理传感器采集数据处理和指令控制。采用一体式传感器SHT10获取农田的温度、湿度数据，采集的温度可以用来判断当前的季节，温度太低则农田所需要的水位可以适当降低，湿度数据也是用来调节水位的依据。采集到的温湿度以类似IIC协议的方式传递给单片机进行数据处理决策。MPX4100测量出水压，根据公式得出相应的水位。单片机把采集到的数据处理后以IIC协议的方式将数据送到AT24C128进行存储备份。采集的数据也将在液晶模块LCD1602上显示，方便用户在现场查看。控制器依据采集的田间数据决定是否开启电磁阀实施灌溉作业。控制器也可以通过总线的方式和后台计算机进行数据通信，接收后台的指令进行作业实现远程监控。控制器在软件烧录时会预置一些数值作为数据处理的依据，如果想修改这些数值需要从后台计算机发送指令给单片机才能实现预置值得修改。从而实现了农田经营管理智能化，大大提升了农业用水的有效率，本课题研究范围仅限于单个节点控制器。节点结构如图2.2所示。
摘 要
随着水资源日益短缺，农业干旱经常发生，传统粗放型农业灌溉方式因为水资源利用率低已经不适合我国现阶段的国情，发展节水型农业迫在眉睫。国外节水型智能灌溉设备的研究已经取得重大突破，而我国在这一领域才刚刚起步。针对我国现阶段情况，本课题研究一种用于农田节水灌溉的节点控制器，内容仅限于节点控制器的研究。该控制器以STC89S52单片机为核心，外围配以功能模块电路用于采集农田的水位、温湿度信息和储存数据，执行排水灌溉操作，利用RS485总线实现和后台数据通信。该控制器既可以单独工作，又可以通过总线和后台计算机一起配合作业，实现农田节水灌溉作业。本课题设计的农田节水灌溉节点控制器具有成本低廉、技术简单、经济实用易于普及等优点。适用于大型家庭农场的自动化管理，该控制器用于农田节水作业具有相对广阔的市场前景。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:农田灌溉温度湿度水位
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国外研究状况 1
1.3国内目前研究情况 2
1.4本课题主要研究内容 2
2 系统设计 3
3 硬件设计 5
3.1单片机最小系统设计 5
3.2液晶显示模块 5
3.3数据存储模块 6
3.4键盘 7
3.5总线通信模块 8
3.6 水位监测模块 9
3.7温湿度采集模块 10
3.8电源模块 11
3.9继电器的驱动电路 12
4 软件设计 13
4.1 系统初始化 14
4.2 液晶显示程序 15
4.2 数据存储程序 16
4.3 温湿度采集程序 18
4.4水位采集程序 20
4.5 RS485总线程序 21
结语 24
参考文献 25
附录 26
附录一 系统原理图 26
附录二 实物图 27
附录三 程序关键代码 28
1 绪论
1.1课题研究背景
我国是一个拥有千年农耕文明的国家，农耕文化有了很大的发展，千百年来依靠充足的地下水资源辛勤耕作使粮食自给自足。凭非常少的农田养活地球大部分人口，不得不让人说这是一个奇迹。但改革开放后由于工业发展方式不科学导致出现地下水下降，江河湖泊污染严重，水土流失，季节性干旱等一系列的环境问题。中国人口众多，生存发展等用水量大，农业用水不足成了一个急需解决的问题，如果还依靠开发地下水资源来解决问题，那样的发展是不长久的，必须发展节水型、生态文明的农业。千百年来由于没有配套的农业灌溉设施，一直是采用放水漫灌的粗放灌溉方式。不仅大大的浪费了可贵的水资源，还容易造成严重的水土流失和化肥农药污染地下水资源，而且往往还因为灌溉不及时、过度灌溉和灌溉不足使农作物长期处于不利于生长的境地。这种方式的灌溉水利用率极低，远远落后于世界水平，本来就已经稀缺的水资源在我国就显得更加弥足珍贵了，全国能够利用的水量处于地球前列，但每个人能够使用的水资源在世界中排名比较靠后，排到135位。我国水资源的时空分布也是极不均匀，水资源逐渐从东南沿海的丰富递减到西北内陆紧缺；春夏季节降水较多，秋冬季节降水少；年内年际变化非常大，用水短缺问题日益突出。在日常用水中，农业用水占了绝大部分，近几年来一些地区的农业用水紧缺，发生大面积的季节性干旱的事情经常发生，造成社会的巨大不稳定，成为制约社会发展的主要因素；所以节约用水尤其是节约农业用水，充分利用水资源已经到了迫不及待的地步。为此上头制订颁发了《加快水利改革发展的决定》的红头文件；并出台了《国家农业节水纲要》用于指导农业节约用水、促进生产的工作。国家把农业节水提升为国家战略的高度，由此可见提高水资源利用率的严重性和急迫性。
1.2国外研究状况
节约农业用水，合理利用水资源的有效方式就是改变传统的粗放式灌溉方式，采用高效的农田灌溉方式，建立科学的农田节水灌溉系统。凭借近几十年的科技发展，越来越高的技术已经融入农业用水方面。以色列掌握着世界领先的农业灌溉技术。他们的农业用水灌溉已经从传统的粗放灌溉向以提高农业用水利用率、信息化、网络化为特征的灌溉制度转变。他们发明的滴灌技术把装有滴头的管道铺设到田间，这些滴头出水量一致，把肥料加到水中通过滴头直接滴到农作物上，混合液是直接来到植物根系，抑制了杂草的生长，滴头可以随意组装，适应不同的作物，实现灌溉用水管网管理的自动化，对农作物的长势可以进行实时监测，动态管理。这些自动节水灌溉系统采用计算机为核心，配以信息采集传感器，能自动检测农作物生长，根据需要自动灌溉，精确可靠。在一些国外的大型现代化农业灌溉区域都配备智能化自动灌溉系统；利用压力灌溉、滴灌、喷洒式灌溉等技术使从事农业生产的人员大大减少，真正做到了省时省力。随着先进节水灌溉系统的大规模扶持推广和应用，农业用水利用率提高到0.8左右，处于世界先进水平。
1.3国内目前研究情况
我国科学信息技术发展起步较西方国家要晚，计算机微控制技术等先进技术在农业方面的使用还没有展开普及。改革开放后从国外引进了一批节水灌溉设备，由于设备价格昂贵只在一些重点农业示范区才有能力引进，但设备维护成本高，设备放在那边只起到展示作用。国内有的农业区域采用自主研发的灌溉排水设备，这些设备质量差，管理技术落后，农田里只铺设了排水管道，日常的排水灌溉还需要人工手动操作，依据经验人工决定每天的灌溉水量和灌溉时间，有时灌溉量超过农作物的需求量导致水土流失，资源的浪费，灌溉量过少不能保证作物正常生长。
近些年来，科研人员也针对节水灌溉作了研究，其中较为典型的是苏林研究的基于ARM7和模糊算法开发的温室智能灌溉系统，它的处理器是采用ARM7架构的S3C44B0X，数据采集模块是PH,EC等传感器，软件设计中移植了UC/OS操作系统，采用多任务程序设计方法，解决了数据处理的实时性【1】。另一个典型的研究是吴正阳等人利用GPRS技术设计了农田节水灌溉的远程控制系统。系统由客户/服务器模式构建框架，由Socket提供网络通信服务，采用ADO数据库访问技术实现数据处理。该研究实现了对现场的实时监测和控制，减少了大型灌溉区域所需的人力物力【2】。
1.4本课题主要研究内容
本课题研究的是针对农田节水灌溉网络系统中单个节点的设计问题。利用微控制技术结合各种传感器和通讯技术开发一套模块化节水灌溉控制器。控制器能够利用传感器采集并存储农田的水位、温度、湿度等数据信息。控制器既可以自行分析这些采集的信息，做出相应的处理，也可以利用总线技术联网远程监控，接受后台的指导，实现集中化管理控制。实现对农田信息的综合管理监测，为农作物提供一个适合生长的环境，提高农业用水的利用率，达到节水促生产的目的。
2 系统设计
中国农业的发展将以家庭农场经营方式取代改革开放时的家庭承包经营制，实现规模化、专业化发展。本课题研究的是针对农田规模化经营过程中的节水灌溉问题，实现农田雨量、温湿度信息的采集存储，利用后台计算机进行远程监控，最终由电磁阀进行灌溉操作。农田规模化经营需要灌溉的面积广阔，单一控制器能携带的传感器数量有限，无法覆盖整个灌溉面积。针对这一点可采取化整为零的方法即把整个大型灌溉区分割成若干个小灌溉区，每个控制器负责一块小型灌溉区域。后台计算机以RS485现场总线的方式和每个节点控制器保持数据通信, 本课题研究仅涉及单个节点设计。整个系统构架如图2.1所示。
图2.1 系统架构示意图
根据课题要求，控制器的设计可以以微控制器为核心，配备相应外围功能电路，如农田数据采集电路、数据通信电路、数据存储电路、显示电路等部分。节点控制器具体的设计以STC89S52单片机为核心，负责处理传感器采集数据处理和指令控制。采用一体式传感器SHT10获取农田的温度、湿度数据，采集的温度可以用来判断当前的季节，温度太低则农田所需要的水位可以适当降低，湿度数据也是用来调节水位的依据。采集到的温湿度以类似IIC协议的方式传递给单片机进行数据处理决策。MPX4100测量出水压，根据公式得出相应的水位。单片机把采集到的数据处理后以IIC协议的方式将数据送到AT24C128进行存储备份。采集的数据也将在液晶模块LCD1602上显示，方便用户在现场查看。控制器依据采集的田间数据决定是否开启电磁阀实施灌溉作业。控制器也可以通过总线的方式和后台计算机进行数据通信，接收后台的指令进行作业实现远程监控。控制器在软件烧录时会预置一些数值作为数据处理的依据，如果想修改这些数值需要从后台计算机发送指令给单片机才能实现预置值得修改。从而实现了农田经营管理智能化，大大提升了农业用水的有效率，本课题研究范围仅限于单个节点控制器。节点结构如图2.2所示。
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