基于物联网技术的水稻自动灌溉控制系统设计

摘要

新世纪以来，大规模农业生产的发展对水资源的需求越来越大[1]。然而作为水稻种植大国，水稻灌溉技术还主要停留在相对传统的人工浇灌模式，这就造成大量水资源浪费，导致灌溉用水利用率相当低下。传统灌溉的方法，其数据采集系统采取布线方式，不但其成本昂贵，而且其不易变更，占地空间大等特点也为管理工作造成困扰[2]。在水稻种植过程中，依据水稻不同生长时期的需水量，实时控制灌溉的时间与用水量，可大大提高水资源的利用率，也符合现代化农业减少人工投入的要求[3]。因此采用先进的自动灌溉技术迫在眉睫，相较于传统灌溉方法，现代自动灌溉系统数据采集采用无线通信方式，不仅传输效率高、精度高，而且节约成本便于管理。因此，本文所设计基于物联网技术的水稻自动灌溉控制系统具备较高的实用价值。随着第三次科技革命的浪潮，物联网技术应运而生，在不同的领域都有其广泛的应用。物联网技术的核心内容之一就是无线通信技术，而ZigBee技术凭借其稳定的传输能力也得以在物联网发展中占据一席之地[4]。随着移动网络的发展，GPRS无线传输技术也得到大范围的推广，其信号覆盖面积大，传输距离远，传输效率高的特点，可以满足数据远距离发送与获取。
　　本文所设计的水稻自动灌溉控制系统采用了嵌入式系统技术、ZigBee无线组网、GPRS传输以及自动控制等技术，该系统由终端数据采集节点、基站、上位机以及水泵等构成。底层终端数据采集节点由各类数据采集传感器以及ZigBee模块构成，终端数据采集节点利用各类传感器采集不同的环境数据，主要包括水温、水位高低，水稻生长状况等信息。各个不同节点之间通过ZigBee无线通讯方式与基站进行数据交换，基站接收到底层节点发送的数据之后，位于基站的GPRS模块将底层节点发送过来的数据以无线传输的方式发送给上位机，从而用户可以通过上位机平台，实时获取水池内环境信息。按照生物学知识，可知水稻在不同的生长发育期的需水量，自动控制水泵开关，让不同的生长时期的水稻需水量得到满足，解决传统的大水漫灌方式导致的灌溉用水利用率不高的问题，进而大大节省了农业用水量。
　　该系统的测试实验在方正水稻研究院进行，通过反复的测试，该系统数据经无线传输较稳定且自动控制水稻灌溉效果良好，可以满足用户需求。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究的目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 本章小结

2 系统整体方案设计

2．1 系统的设计要求

2．1．1 系统的总体结构

2．1．2 系统硬件平台解决方案

2．1．3 系统软件平台解决方案

2．2 低功耗设计

2．3 可行性分析

2．4 本章小结

3 系统硬件选型

3．1 ZigBee无线模块

3．1．1 片上系统CC2530芯片

3．1．2 射频范围扩展器CC2591

3．2 单片机控制芯片

3．3 GPRS数据传输单元

3．4 自动灌溉系统传感器选型

3．4．1 土壤水分传感器

3．4．2 温度传感器

3．4．3 液位传感器

3．5 电平转换电路

3．6 继电器

3．7 电动蝶阀

3．8 供电电源

3．9 太阳能发电系统

3．10 试验箱

3．11 本章小结

4 系统软件设计

4．1 软件整体设计方案

4．2 ZigBee软件开发环境

4．2．1 ZigBee协议栈

4．2．2 单片机开发环境

4．3 网络节点

4．3．1 协调器节点

4．3．2 路由器节点

4．3．3 终端节点

4．4 软件程序设计

4．4．1 主程序

4．4．2 电动蝶阀控制

4．4．3 温度传感器控制

4．4．4 土壤水分传感器

4．5 通讯协议

4．5．1 ZigBee与单片机间通迅协议

4．5．2 Modbus通讯协议

4．6 组态软件

4．6．1 MCGS7．7 主要特点

4．6．2 组态软件设计

4．7 本章小结

5 系统测试

5．1 系统的硬件测试

5．2 无线传感器网络性能测试

5．2．1 通讯距离测试

5．2．2 组网测试

5．3 太阳能供电系统测试

5．4 系统运行测试

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文