中心支轴式变量灌溉系统中央控制系统的设计与实现

摘要

我国是缺水严重的国家之一，且农业用水量极大，发展节水灌溉技术对我国农业的发展有着非常重要的意义。本文研究“中心支轴式变量灌溉系统”中的“中央控制系统”部分。中央控制系统主要用于，远程控制喷灌机进行灌溉作业，其实现涉及软件开发、Socket通信、4G无线传输、喷灌机定位和嵌入式开发等，主要内容有： （1）客户端软件的设计与实现。根据中心支轴式变量灌溉系统的实际需求，客户端是用户实现远程操控整个系统的管理平台，需要实现远程发送控制指令、接收反馈信息等功能。客户端由登录注册、主控制台、变量灌溉和手动控制四个模块组成，其开发选择在微软公司的Visual Studio2015集成开发环境下，使用基于.net框架的C#语言。设计并实现了具有注册登录、连接测试、获取喷灌机中心地理位置、变量灌溉、手动控制灌溉和显示当前灌溉进度等功能的系统客户端。 （2）控制中心的设计与实现。控制中心是系统中的另一个重要组成部分，它是中央控制系统和电磁阀控制系统的衔接枢纽，向上负责与客户端进行数据交互，向下负责给电磁阀控制系统提供灌溉指令。该控制中心由STM32核心板、GNSS定位模块、4G数据传输模块等部件组成。核心板使用STM32F103C8T6、定位模块选用NEO-M8N、数据传输模块使用USR-G7804G DTU和RS232串口转TTL，确保控制中心，定位精度高，通信速率快和稳定性好。设计并实现了控制中心的硬件构建和相关软件开发。 （3）远程无线通信方案的设计与实现。它是解决中央控制系统中客户端与控制中心之间远程无线数据交互的关键。本系统采用基于固定IP服务器的Socket通信和4G移动网络通讯相结合的方案来实现远程无线通信。本文通过对服务器进行设计开发和对USR-G7804G DTU模块进行调试配制中心间之间的数据双向转发和用户信息存储功能。 （4）系统测试。在实验室搭建模拟中心支轴式变量灌溉系统，先从客户端和控制中心的连接建立，到客户端软件功能包括数据指令发送和信息获取等逐一进行测试，后对中央控制系统和电磁阀控制系统进行联调测试，比较分析指令数据、电磁阀控制器串口数据、波形和指示灯时长等，可以得出本套系统误差在1%以内，能够满足变量灌溉系统设计的要求。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景与目的

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 国内外研究现状总结

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 论文组织结构

第二章 需求分析与系统设计

2.1 中心支轴式变量灌溉系统简介

2.1.1 系统设计目标

2.1.2 系统总体介绍

2.2 需求分析

2.2.1 变量灌溉策略及其选择

2.2.2 系统需求分析

2.3 系统设计

2.3.1 客户端软件设计

2.3.2 控制中心设计

2.3.3 无线通信方案设计

2.4 本章小结

第三章 客户端软件的设计与实现

3.1 模块划分

3.2 注册登录模块设计与实现

3.3 主控制台模块设计与实现

3.4 变量灌溉模块设计与实现

3.5 手动控制模块设计与实现

3.6 本章小结

第四章 控制中心的设计与实现

4.1 控制中心的作用概述

4.2 硬件设计

4.2.1 单片机的选择

4.2.2 定位模块的选择

4.2.3 4G DTU模块的选择

4.2.4 控制中心的硬件连接

4.3 软件设计

4.3.1 开发语言和工具的选择

4.3.2 软件实现

4.4 本章小结

第五章 远程无线通信的设计与实现

5.1 无线通信方案选择

5.1.1 通信方案介绍

5.1.2 通讯方案选择

5.2 无线通信方案的实现

5.2.1 云服务器端的设计与实现

5.2.2 4G DTU模块通讯配置

5.3 本章小结

第六章 系统测试与分析

6.1 硬件组织与运行环境

6.1.1 硬件组织

6.1.2 软件运行环境

6.2 系统测试与联调

（1）连接到服务器用时统计

（2）注册登录功能测试

（3）数据链路连接测试

（4）变量灌溉测试

（5）手动控制测试

（6）获取定位数据测试

（7）显示喷灌状态功能测试

（8）系统联调

6.3 结果分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

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