1、 国家大学生创新性实验计划项目申请书项目名称: 基于 ARM 的无线节水浇灌自动控制系统 申请者: 学 院: 工学院 专 业: 自动化 指 导教师: 李 林 职称: 副教授 2009 年 10 月 08 日南京农业大学教务处制1一、 简表申请人姓名年级项目名称 基于 ARM 的无线节水浇灌自动控制系统项目来源 A、自立项目 B、教师科研课题的子项目 C、其它项目类型 A、实验研究 B、调查研究 C、软件制作经费来源 A、国家资助 B、学校资助 C、导师课题资助经费额度 26870 元指导教师姓名 李 林 指导教师职称 副教授参加人姓名 学 院 班 级 学 号 合作者签名李小林 工学院 自动化
2、72 3227214徐 科 工学院 自动化 72 3227224申请时间 2009 年 10 月08 日 完成时间 20010 年 10 月 08 日项目研究内容摘要发展高效节水灌溉农业是我国农业持续性发展的首要条件。本项目研究基于嵌入式 ARM 的无线遥控节水灌溉自动控制系统。该系统主要由三部分构成，即数据采集处理和信号无线发射部分；信号无线接收和计算机监控部分；计算机控制节水灌溉部分。作物生长的环境参数通过传感器采得信号，经处理后，通过无线信道进行数据传输，总控室工控机根据接收的数据进行决策，发出控制指令，控制电磁阀实现节水灌溉。本项目在研究和分析无线节水灌溉控制系统的控制原理基础上，重点
3、研究无线节水灌溉控制系统的软件设计与硬件实现。采用无线信道进行数据传输和控制，不仅减少线路敷设，降低成本；而且与有线控制相比，无线遥控可以不考虑控制区域的地形，具有很大的灵活性。无线遥控节水灌溉自动控制系统有着非常广阔的应用前景。2二、立论依据（包括项目的研究意义、现状分析，并附主要参考文献及出处）项目研究意义我国是一个水资源短缺，水旱灾害频繁的国家，已被联合国列为 13 个贫水国家之一。我国农业用水量约占总用水量的 80%左右，由于农田灌溉用水的利用率普遍低下，水的利用率仅为 45%，而水资源利用率高的国家为 70%一 80%，因而，在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高水资源的利用率
4、，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。研制与开发无线遥控节水灌溉自动控制系统，是寻找客观的节水的一种方法，不但改善水资源紧缺的条件，对提高水资源的利用率起一定的作用，而且还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。随着我国国民经济的迅速发展，综合实力的相对提高，城市绿化需求急剧增加。目前，我国每年缺水量近 400 亿立方米，其中农业缺水约 300 亿立方米。我国用水大户仍然是农业用水，约占 70%，而农业用水的 90%是灌溉用水，因此节水首先要在农业节水上做文章。通过发展节水灌溉，既满足了农业用水的需要，同时把节约出来的水用于城市生活、工业用水和生态用水，以水资源
5、的可持续利用促进经济社会的可持续发展。节水灌溉自动控制系统采用遥控方式，目前我国在这方面报道较少。无线遥控技术在农业生产技术上应用，当今已成为美国、日本等发达国家的研究热点。节水灌溉自动控制通过线路将控制信息传输出去，能够保证信息准确可靠地传送。其自动化的程度也是比较高的。由于农业灌溉的特殊性，有线控制在农业灌溉中的应用有一定的局限性。尤其是长距离的架设线路，需要的投资是很大的，而长距离的有线控制在农业灌溉中很难去实施。有线控制一般适宜在小范围的区域中应用。采取无线遥控可以省去线路的架设，因而在农业灌溉中有广泛的应用前景。无线遥控就是通过无线电波将采集的土壤信息、控制信息传输出去，来控制灌溉系
6、统中的设备。在农业灌溉中推广自动化控制，就必须考虑农业灌溉的特殊性。一方面，在耕种农田时，如果有线路铺设在其中，会带来很大的不便，同时也不利于农业机械化的推广；另一方面，就农业生产的整体而言，对灌溉的成本要求是很低的，如果灌溉的成本比较高，要想大规模的推广几乎是不可能的。在灌溉系统中采用无线遥控的方式，单节省架设线路这一项，就可以降低许多成本；另外，与有线控制相比，无线遥控可以不考虑控制区域的地形，具有很大的灵活性。总之，在灌溉系统中采用无线遥控有着非常广阔的前景。灌溉自动控制模式与人工控制方式相比，具有节省水、肥、能量、杀虫剂、人工等优点，并可基本消除在灌溉过程中人为因素造成的不利影响，提高
7、操作的准确性，有利于灌溉过程的科学管理和先进灌溉技术的推广。同时通过灌溉控制器适时、适量地灌水，提高3农作物产量，同时，对环境保护也起到一定的作用。本研究是基于无线电（微波）数据传输技术、自动控制技术，实现按需、按时、按量自动灌溉。采用遥控技术监测土壤墒情和作物生长情况，实现灌溉用水管理的自动化。因此，用高新科技改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国乃至国民经济可持续发展的根本大事，研究基于 ARM 的无线节水浇灌自动控制系统具有极大的应用前景和经济效益。本课题旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行智能控制的系统，它能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。现状分析30 多年前，
8、沟灌和漫灌几乎全靠人力，自动化技术未能应用到灌溉工程中。真正的计算机控制灌溉源于以色列。该国最初把自动化控制技术应用到灌溉中的原因是：以色列是一个极其缺水的国家，从自然条件上讲必须发展节水农业；另一方面是出于中东安全的考虑，以色列人想通过自动化控制技术在家里控制农田灌水，减少由于武装冲突带来的危险。最初的灌溉控制器是一个简单的定时器，这可以看作是灌溉控制自动化的第一阶段。后来随着电子技术和计算机技术的发展，出现了简单的灌溉控制器，它把灌水和施肥同步进行，这种控制器能监测土壤水分信息，同时当某些参数越限或某台排灌机械出现故障时系统能进行报警。随着控制技术、传感器技术的发展，以色列开发出了现代诊断
9、式控制器，这种控制器把以前不可能采集到的信息通过不同的传感器来获得，通过 intemet 网、远程控制、 GSM 等来实现数据传输，然后通过计算机中的一些模型来处理信息，作出灌溉计划。在美国，早在 1984 年，Benami 和 offerl 开发了一套节水灌溉控制器，通过监测土壤水分来确定是否打开灌水阀门。Pehne 等人于 1992 年利用计算作物蒸腾量来控制滴灌系统。Iomail 和 Alshooshan(1996 年)在灌溉控制反馈系统中应用电子张力计来测土壤湿度。同时美国的用水管理水平也很高，一些灌区做到了土壤墒情监测和灌水预报相结合，从渠道取水、渠道(或管道)输水、田间灌水全部实行
10、自动化管理，统一调度、优化配水，减少了输配水损失和渠道弃水，大大提高了水的利用率。例如在美国的考契拉灌区(CVWD)、伊姆皮里灌区(IID)、位尔顿一莫哈克灌排区(WMIDD) 以及盐河工程(SRP)等灌区，都应用电子技术不同程度地发展了自动控制与监测系统。加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中，比较有代表性的如澳大利亚的 HARDIE IR-RGATION 公司的灌溉控制器，已形成了 MJCRO-MASTER、RAINJET 等多个系列，几十种型号的产品。其中 HR6100 系列成本较低，是一种小型化自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿
11、化场地的灌溉。该系统采用分布式布置，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况。 国内在开发灌溉自动控制系统方面处于研制、试用阶段，能实际投人应用，且应用4较广的灌溉控制器还不多见。在开发的产品中有代表性的如中国农业机械化研究院联合多家单位研制的 200O 型温室自动灌溉施肥系统。该系统结合我国温室的环境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、动态监测、控制显示中文、施肥泵混合比可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统主要用于现代温室，日光温室作物的灌溉营养液
12、施肥，环境监测的智能控制。北京澳作生态仪器有限公司的澳作智能节水灌溉控制系统可与各种滴、喷灌系统连接，实时监测土壤墒情，根据要求自动灌溉。北京奥特斯达科技有限公司研制的 WT-02 型微喷灌定时自动控制器，是一种供农业、草坪、果园、温室等一般场合给水的电子灌溉自动化控制系统，但他们都只能对作物实现定时定量周期性的灌溉，不能按照作物所需水分进行适时适量的灌溉。随着中国农业现代化进程的加快、农业结构的调整、以及我国加人 WT0 等因素，可以预计对农业灌溉自动化技术的要求会越来越高，灌溉控制器在我国将有巨大的市场。节水灌溉控制器近期在中国应朝着价格低、性能可靠、操作简便的方向发展。但从长远利益考虑，
13、新的智能化技术、传感技术和农业科技的引人、应用和普及，将会有智能化程度更高、功能更强、性能更稳定可靠的灌溉控制器出现。当前计算机控制技术在我国众多领域获得了前所未有的广泛应用，使许多部门从传统的以人为主的管理方式进入了以计算机控制技术为手段的自动化监控与调度的先进管理模式。但在灌溉领域内，我国现行管理水平与发达国家相比差距较大，发达国家已开发并制造了一系列用途广泛、功能极强的数字式灌溉控制器，并取得了广泛应用。而我国在节水灌溉方面还基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程自动控制系统，但只是小面积的局部控制，真正具有扩展功能的大规模灌溉工程的计算机监控系统应用还不多见。国外灌溉控制器
14、已经逐步趋于成熟、系列化，并朝着大型分布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展，产品一般都能与微机进行通信，并由微机对其实行控制。而在国内，虽然有多家研制灌溉控制器，但多数是小规模、实验和理论的探讨，并且开发出来的产品价格昂贵，无法普及应用。参考文献1ASAE Standards,S52 6 .1. Soil and water terminologyS. 43rd Ed. St Jose1 ph,Mich:ASAE,19962 Martin E C,Slack D C,Pegelow E J. Cropcoefficients for vegetables in Central Arizon
15、aC. IntConf on Evapotranspiration and Irrigation Scheduling.1996 ,3813863Adamsen F J. Irrigation method and water qualityeffect on corn yield in the Mid- Atlantic Coastal PlainJ. Agron J,1992 ,41 (5):8378434Henggeler J C. A history of drip irrigated cotton in TexasC. Proc. 5th Intl Micro- irrigation
16、 5Congress.1995,6696745De Tar W R,Brown G T,Phene C J,et al. Real-time irrigation scheduling of potatoes with sprinkler and subfurface drip systemsC. Proc Int Conf on Evapotran- spiration and Irrigation Scheduling. 1996 ,8128246Rubeiz I G,Stroehlein J L,Oebker N F. Effect of irrigation methods on ur
17、ea phosphate reactions in calcareous soilsJ. Commun Soil Sci Plant Anal,1991,22 (5,6 ):4314357Caldwell D S,Spurgeon W E,Manges H L.Frequency of irrigation for subsurface drip irrigated cornJ. Trans of the ASAE,1 994,37(6 ):109911038Powell N L,Wright F S. Grain yield of subsurface microirrigated corn
18、 as affected by irrigation line spacingJ. Agron J,1993,86 (6 ):116411699Howell T A,Schneider A D,Evett S R. Subsurface and surface microirrigation of corn- Southern High PlainJ. Trans of ASAE,1997,40 (3):63564110 Wu Wen-tai.Design and Analysis of the Routing Algorithm for the Intelligent Wireless Wa
19、ter-saving Irrigation System. spiration and Irrigation Scheduling.2009, 8:122-12611张兵，袁寿其，成立.节水灌溉自动化技术的发展及趋势.灌溉机械 2002，21（2）12吴普特，牛文全.节水灌溉与自动控制技术京北: 化学工业出版社.200113朱张青，曹成茂.多用途节水灌溉控制系统研制.电气自动化.2001(3)14 马晓河，方松海.中国的水资源状况与农业生产J.中国 农村经济，2006（10）：4-1915 崔毅.农业节水灌溉技术及应用实例.北京：化学工业出版社，2005.16 毛慎建，张文革.智能化灌溉控制器
20、.喷灌技术,1995（2）：30-3417 王友贞，汤广民.节水灌溉与农业可持续发展.节水灌溉，2005（2）：33-3418 张水利,集散型智能节水灌溉控制系统的设计与实现 .节水灌溉,2008(6):42-466三、研究方案1. 项目研究目标、内容和拟解决的关键问题研究目标、内容：本项目研究目标是设计一个基于 ARM 的无线节水浇灌自动控制系统，该系统能自动采集土壤的实际湿度等信号，通过 ARM 核心控制器，实现与上位机的通信、报警及发出浇灌命令等功能。采用自动控制技术实现节水灌溉是当今的发展方向之一。 “无线遥控节水灌溉自动控制系统设计”主要由三部分构成。即数据采集处理和信号无线发射部分
21、；信号无线接收和计算机监控部分；计算机控制节水灌溉部分。采集端通过传感器将作物生长的环境参数（土壤水分、空气湿度和温度、水势）的输出信号经信号调理电路处理后输入 C8051F206 高速嵌入式单片机，经 A/D 转换和编码，并对编码信号处理，加起始位和校验码，构成传输的数据桢，本设计采用同步方式传输，桢信号由 nRF903 射频收/发芯片调制，再通过 MAX2235 射频功放实现功率放大，由天线发射传输。利用无线数字传输技术将数据发送到接收端，在接收端由计算机对数据进行处理和控制。计算机控制节水灌溉部分根据需水情况控制电磁阀进行灌溉。该系统采用分布式布置，利用无线信道使下位机与上位机双向通信，
22、用微机对其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况。拟解决的关键问题：传感器的研制；作物生长的环境参数（土壤水分、空气湿度和温度、水势）采集和处理；信号无失真的无线传输、无线信道的抗干扰；计算机监控的程序设计；微机适时地对灌溉系统的控制决策和工作状况监控的可靠性。2拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析数据发射和接收的硬件框图如图 1 所示。采集端的单片机选用 C8051F206 ，C8051Fxxx系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC） ，具有与 8051 指令集完全兼容的 CIP-51 内核。C8051F206 片内集成了一个多通道 A
23、DC、两个电压比较器、3 个通用的 16 位定时器、UART、SPI 总线接口、32 个通用数字 I/O 引脚、8KB 的 FLASH 程序存储器，任何一个端口引脚都可以被配置为 ADC 的模拟输入，所以最多可以有 32 个模拟输入，控制使用方便。数据发送模块由 nRF903 射频收发芯片和 MAX2235 射频功放芯片构成。作物生长的环境参数（土壤图1 发射和接收系统结构框图的 FLASH 程 序 存 储 器 ，任 何 一 个 端 口 引 脚 都 可 以 被 配 置 为 ADC的 模 拟 输 入 ，所 以 最 多 可 以 有 32 个 模 拟 输 入 ，控 制 使 用 方 便 。数据发送模块
24、由 nRF903 射频收发芯片和 MAX2235 射频功放芯片构成。作物生长的环境参数（土壤水分、空气湿度和温度）通过传感器采得信号，由信号调理电路处理后输入 C8051F206 高速单片机，经 A/D 转换和编码，并对编码信号处理，加起始位和校验码，构成传输的数据桢，本设计采用同步方式传输，桢信号由 nRF903 射频收发芯片调制，再通过 MAX2235 射频功放实现功率放大，由天线发射传输。接收端中的数据接收模块主要由滤波电路、nRF903芯片和C8051F206芯片组成。TTL-RS232电平转换由MAX232芯片完成。灌溉自动控制系统组成如图 2所示。灌溉自动控制系统由主站( 中央控制
25、室)和 许多主站子站组成(电磁阀) 。本设计的中央控制室为无人值守的控制柜，由分布在田间灌溉管网上电磁阀的开闭实现节水灌溉。根据作物生长的环境参数（土壤水分、空气湿度和温度、水势），计算机处理决策出作物需水量，需水量的数字控制信号通过接口电路耦合到nRF903模块，控制信号 经编码、调制、放大后，由发射天线发射传输。接收天 线接收载波信号经滤波电路消噪后，通过射频收发模块nRF903解调，再由高速 单片机C8051F206 解 码，解码后的控制信号通过驱动电路控制电磁阀的开闭和电磁阀打开的时间。电磁阀打开的时间段控制在上午6：00至9：00，下午5：00至8：00。图 2 灌溉自动控制系统框图
26、自 动 控 制 决 策 :节 水 自 动 控 制 判 据 函 数 ：Fi(t)=aif1i(t)+bif2i(t)+ cif3i(t) （i=1,2.16）式 中 ：f1i(t) 为 土 壤 水 分 传 感 器 输 出 的 随 时 间 变 化 的信 号 ；f2i(t)湿 度 传 感 器 输 出 的 随 时 间 变 化 的 信 号 ；f3i 为 温 度 传 感 器输 出 的 随 时 间 变 化 的 信 号 。ai 、bi 、ci 为 加 权 系 数 。当 Fi(t)介 于Fimin Fi(t) Fimax 时 ，中 央 控 制 室 工 控 机 输 出 控 制 信 号 ，通 过 无 线信 道 控
27、制 相 应 的 电 磁 阀 打 开 。系 统 控 制 采 集 软 件 的 功 能 包 括 系 统 运 行 状 态 的 控 制 及 采 样 数据 的 动 态 显 示 和 存 储 。数 据 进 入 计 算 机 可 以 通 过 并 行 口 、串 行 口及 USB 等 设 备 接 口 ，基 于 RS-232 协 议 的 串 行 口 是 PC 的 标 准 接口 ，由 于 其 硬 件 简 单 ，易 于 操 作 ，而 成 为 单 片 机 应 用 系 统 与 PC 机短 距 离 通 讯 的 理 想 选 择 。由 于 RS232 协 议 采 用 的 电 平 是 12V，因此 在 TTL 电 平 的 数 字 信
28、号 进 入 COM 口 前 应 进 行 电 平 的 转 换 。采集 软 件 的 设 计 应 在 满 足 控 制 采 集 过 程 的 要 求 的 前 提 下 ，尽 量 使 操作 方 便 ，界 面 简 洁 。软 件 的 除 了 具 有 对 采 集 过 程 的 控 制 功 能 外 ，还应 该 能 实 时 显 示 接 收 的 数 据 曲 线 ，从 而 使 数 据 采 集 过 程 可 视 化 。由 于 采 集 端 的 数 据 是 以 二 进 制 方 式 发 送 的 ，所 以 程 序 在 读 COM口 时 必 须 以 “Binary”方 式 操 作 ，否 则 将 得 到 一 堆 乱 码 。在 数 据 的
29、存储 方 面 ，软 件 至 少 应 提 供 二 进 制 、纯 文 本 两 种 文 件 格 式 ，以 方 便 数据 导 入 到 其 它 数 据 处 理 软 件 中 进 行 各 种 分 析 。图 3 为 软 件 结 构 框图 。软 件 由 主 要 有 操 作 界 面 、数 据 库 、通 信 三 个 模 块 构 成 。通 过 该软 件 ，可 以 设 定 采 集 端 ADC 的 采 样 频 率 和 串 行 通 讯 的 波 特 率 ，控 制 采 集 的 开 始 和 停 止 ，决 定 何 时 开 始 存 储 数 据 以 及 数 据 文 件 的格 式 等 。中 心 计 算 机 通 过 灌 溉 管 理 软 件
30、 ,实 时 或 定 时 通 过 无 线 数据 传 输 网 络 和 数 据 采 集 控 制 设 备 ,采 集 田 间 的 土 壤 分 、土 壤 湿 度 、空 气 温 湿 度 等 数 据 ,实 时 显 示 ,形 成 数 据 库 、报 表 ,供 灌 溉 预 报 、决策 使 用 ,根据监测到的数据计算灌水时间与灌水量，将监测与计算结果用图表、曲线显示或打印输出，并通过无线传输对水泵和管道阀门实施定时定量自动控制，对系统中出现的故障实施报警与控制。研究的方法：首先，实时检测作物生长环境状况，通过精准传感器采集土壤湿度信息数据。其次，信号的处理，因采集到的信号为模拟信号，需将其转化为相应的数字信号。再在通
31、过无线发射装置将信号传输到 ARM 嵌入式控制器控制处理，对输入信号通过程序进行检测，显示湿度数值并出相应的反馈实施自动浇灌，并将数据传输到上位机；同时也可以接受上位机的数值设定命令，可以对不同品种草坪进行智能的节水灌溉控制。最后，信号的输出，包括输出到 PC 机，LED 显示和报警电路中。技术路线：1. 本项目采用 TR-5A 土壤湿度传感器，它是基于介电理论并运用频域测量技术自主研制开发的，能够精确测量土壤和其它多孔介质的体积含水量。可与温室环境监测、土壤墒情采集、自动灌溉控制等系统集成，实现水分的长期动态连续监测。也可与 SMC 系列数据记录仪组成便携式土壤水分测量系统。2. 本项目采用
32、嵌入式的 ARM 作为微控制器。其内部采用了FLASH 存储器，所以能够在错误编程后可重新编程直到正确为止。另外还可反复进行系统试验，使系统设计达到最优。3. 模糊技术是建立在模糊集合和模糊逻辑基础之上的一类应用模糊几何理论的控制方法，它是根据对控制对象的粗略知识与人们的生产技能等知识，导出自然语言的控制规则，利用模糊几何理论进行控制的一种方法。本项目将模糊控制理论引入到灌溉系统中不仅起到节水的作用，还有利于作物生长。4. 采用 C 语言编程可以直接操作到单片机的内部工作寄存器和片内 RAM 单元，处理数据的过程非常具体。 5. 上位机 PC 机串口通信及可视化界面编程采用 VISUALSIC
33、 高级语言。它支持面向对象的程序设计，可以十分简便的做出良好的人机界面。操作界面菜单状态显示数据显示通信报表显示打印灌溉决策历史数据分析数据库数据采集控制操作报警数据处理停止灌溉参数设置实施灌溉图 3 软件结构框图工控机 接口电路UPS 电源打印机电磁阀MAX2235电磁阀nRF903C8051F206a 主站 b 子站驱动电路滤波电路nRF903nRF903 驱动电路C8051F206滤波电路7图1 发射和接收系统结构框图水分、空气湿度和温度）通过传感器采得信号，由信号调理电路处理后输入 C8051F206 高速单片机，经 A/D 转换和编码，并对编码信号处理，加起始位和校验码，构成传输的数
34、据桢，本设计采用同步方式传输，桢信号由 nRF903 射频收发芯片调制，再通过 MAX2235 射频功放实现功率放大，由天线发射传输。接收端中的数据接收模块主要由滤波电路、nRF903芯片和C8051F206芯片组成。TTL-RS232电平转换由MAX232芯片完成。灌溉自动控制系统组成如图 2所示。灌溉自动控制系统由主站(中央控制室)和许多主站子站组成(电磁阀)。本设计的中央控制室为无人值守的控制柜，由分布在田间灌溉管网上电磁阀的开闭实现节水灌溉。根据作物生长的环境参数（土壤水分、空气湿度和温度、水势） ，计算机处理决策出作物需水量，需水量的数字控制信号通过接口电路耦合到 nRF903 模块
35、，控制信号经编码、调制、放大后，由发射天线发射传输。接收天线接收载波信号经滤波电路消噪后，通过射频收发模块 nRF903 解调，再由高速单片机 C8051F206 解码，解码后的控制信号通过驱动电路控制电磁阀的开闭和电磁阀打开的时间。电磁阀打开的时间段控制在上午 6：00 至9：00，下午 5：00 至 8：00。图 2 灌溉自动控制系统框图自动控制决策:节水自动控制判据函数：Fi(t)=aif1i(t)+bif2i(t)+ cif3i(t) （i=1,2.16）式中：f1i(t) 为土壤水分传感器输出的随时间变化的信号； f2i(t)湿度传感器输出的随时工控机MAX2235nRF903C80
36、51F206C8051F206信号调理电路传感器滤波电路接口电路 nRF903工控机 接口电路UPS 电源打印机电磁阀MAX2235电磁阀nRF903C8051F206a 主站 b 子站驱动电路滤波电路nRF903nRF903 驱动电路C8051F206滤波电路8间变化的信号；f3i 为温度传感器输出的随时间变化的信号。ai 、bi 、ci 为加权系数。当 Fi(t)介于 Fimin Fi(t) Fimax 时，中央控制室工控机输出控制信号，通过无线信道控制相应的电磁阀打开。系统控制采集软件的功能包括系统运行状态的控制及采样数据的动态显示和存储。数据进入计算机可以通过并行口、串行口及 USB
37、等设备接口，基于 RS-232 协议的串行口是PC 的标准接口，由于其硬件简单，易于操作，而成为单片机应用系统与 PC 机短距离通讯的理想选择。由于 RS232 协议采用的电平是12V，因此在 TTL 电平的数字信号进入 COM口前应进行电平的转换。采集软件的设计应在满足控制采集过程的要求的前提下，尽量使操作方便，界面简洁。软件的除了具有对采集过程的控制功能外，还应该能实时显示接收的数据曲线，从而使数据采集过程可视化。由于采集端的数据是以二进制方式发送的，所以程序在读 COM 口时必须以“Binary”方式操作，否则将得到一堆乱码。在数据的存储方面，软件至少应提供二进制、纯文本两种文件格式，以
38、方便数据导入到其它数据处理软件中进行各种分析。图 3 为软件结构框图。软件由主要有操作界面、数据库、通信三个模块构成。通过该软件，可以设定采集端ADC 的采样频率和串行通讯的波特率，控制采集的开始和停止，决定何时开始存储数据以及数据文件的格式等。中心计算机通过灌溉管理软件,实时或定时通过无线数据传输网络和数据采集控制设备,采集田间的土壤分、土壤湿度、空气温湿度等数据,实时显示,形成数据库、报表,供灌溉预报、决策使用,根据监测到的数据计算灌水时间与灌水量，将监测与计算结果用图表、曲线显示或打印输出，并通过无线传输对水泵和管道阀门实施定时定量自动控制，对系统中出现的故障实施报警与控制。可行性分析：
39、1 本项目的控制器采用 ARM9 系统，不仅能够满足系统的需求，而且降低了成本，结构设计也精巧了许多。另外该系统性能价格比高，控制方式可靠，有许多成功的案例可以借鉴。2 我们作为自动化专业的学生，有相当程度的专业基础和较强的 实践动手能力，研究该项目就有了一定优势。而且对此系统已有了初步的了解，对有关的硬件已有操作界面菜单状态显示数据显示通信报表显示打印灌溉决策历史数据分析数据库数据采集控制操作报警数据处理停止灌溉参数设置实施灌溉图 3 软件结构框图9所接触，如单片机、LED、传感器等。并且有一定的软件编程能力，尤其是功能强大的 C 语言。3 我国的智能化节水浇灌系统虽起步较欧美等国家晚，但在
40、最近几年已有了飞速发展，而且国内外的许多经验和成果可以借鉴和学习，为该项目的顺利实现提供了条件。4另外有经验丰富的指导老师在传感器应用、数据采集与处理、节水灌溉、自动控制技术、智能检测等方面给予指导，同时能提供实验室部分优越的资源，以及本课题组全体同学的团结协作，为本项目的顺利实施提供了可靠的保证。综合分析，申报“基于 ARM 的无线遥控节水灌溉自动控制系统设计”项目，无论从理论、实践还是各种实验技术条件等方面都是可行的。10实验方案：设计的全自动控制系统硬件由中央控制器、显示器、报警器以及传感器等组成：1. 中央控制器：根据灌溉管理人员输入的灌溉程序（灌溉开始时间，延续时间，灌溉周期等）向电
41、磁阀发出电信号，控制器可发出灌溉与否的命令。2. 传感器：土壤水分传感器。3. 显示器：采用 LED 显示器，显示土壤湿度。图 4 控制系统框图本系统采用嵌入式单片机作为核心控制器，其控制系统框图如图 4 所示。TR-5A 土壤湿度传感器采集的信号通过 A/D 转换输入到中央处理器进行分析，经中央处理器分析后做出相应动作，而且可以通过 RS232 串口将分析的数据传到 PC 机。实验员也可以根据实际情况对初始值进行调整并将命令同样通过 RS232 传给处理器，使处理器可以根据 PC 机的要求从新对数据进行分析并作相应动作。另外此系统可以扩展控制电磁阀开或关的功能，可以使系统更加智能化。113.
42、 本项目创新之处1）选用系统级单片机芯片和抗干扰能力强无线收/发芯片。2） 采 用 无 线 传 输 和 数 字 传 输 方 式 。3） 把自动控制技术和节水灌溉技术结合起来。4） 软件纠错。4.项目研究计划及预期进展第一阶段：2009.102009.12 基础知识的深入学习，包括单片机，C 语言、VB 语言和模糊控制算法的学习。作物生长的环境参数测定传感器的研制或选型；第二阶段：2009.122010.5 项目总体设计，包括到实验室进行初次硬件和软件部分的设计和调试。数据采集与处理、数据传输电路的设计和调试、计算机控制设计、管网设计。第三阶段：2010.52010.7 综合性能试验、系统改进与
43、完善，再次调试并进行相关数据的测试，考察实际工作的效果。第四阶段：2010.72010.10 项目总结，完成项目结题报告，准备验收。5. 预期研究成果1).作物生长的环境参数（土壤水分、空气湿度）测定传感器研发或选型；2).设计无线遥控节水灌溉自动控制系统原理样机一台；3).开发一套灌溉管理软件；4).在国内相关期刊发表论文 1 篇。12四、研究基础1. 与本项目有关的研究工作积累和已有的研究工作成绩本项目组成员都有参加全国大学生电子设计大赛的经验，并参加了电子设计大赛的培训；均对电子设计有着浓厚的兴趣，并对嵌入式系统、EDA 知识有一定的学习、了解。同时，也做过一些有关单片机系统设计的项目，
44、51 单片机及外围的应用器件 A/D、D/A、键盘控制、128*64 的液晶都在项目中成功调试应用过；各成员都已完成 C 语言程序设计的学习，并自学了电子电路设计的知识，单片机程序设计，Protel 等，现在已能独立设计单片机系统并对 C51 系统有较深的了解。同时各成员都有较强的动手能力、创新精神和团队素质。在此基础上我们学习了 ARM 嵌入式等技术。申请人： 曾代表南京农业大学参加全国大学生电子设计大赛，动手、创新能力强，有较强的自主学习意识，具有基本的电子电路知识，并熟悉 51 单片机系统设计。曾获 2007-2008 年度校级优秀学生干部，工学院优秀团干部等荣誉称号。参加人： 曾代表南
45、京农业大学参加全国大学生电子设计大赛，并获省级 2 等奖，学习成绩优异，获全国三好学生二等奖，有出色的动手能力，善于创新，对电子设计及计算机有浓厚的兴趣并自学了有关单片机及编程等方面的知识。参加人： 曾代表南京农业大学参加全国大学生电子设计大赛，逻辑思维能力强，具有较强团队合作意识，对科学研究有浓厚兴趣，曾 2 次被评为工学院优秀团干部。 2. 已具备的条件、尚缺少的条件和拟解决的途径（包括利用教学实验室、科研实验室和实习基地等的计划与落实情况）1). 电脑 3 台，同时具有该项目的部分硬件设备，电路设计与分析软件和相应的系教学实验室调试用仪器设备（示波器，电路实验台，C8051F 单片机开发
46、系统、万用表等）和软件（Protel、Matlab、Keil，multisim 等） 。132). 已具有一定的电路、模拟电子和数字电子技术及单片机、嵌入式系统、入门及应用等方面的基础知识，有较强的计算机语言的学习经验和 C 语言编程能力，具有独立开发单片机应用系统的经验。尚缺少的条件：需要一些专业书籍和一套 ARM 高级开发平台、部分传感器。一间实验室,户外试验场地。拟解决的途径：利用图书馆资源；向学校申请实验室及场地。14五、经费预算支 出 科 目 金 额（元） 计 算 根 据 及 理 由ARMSYS2440 开发套件 4770ARMSYS2440-B+8 英寸 TFT 真彩液晶屏模块(L
47、80T64)+触摸屏土壤湿度传感器 5000 市场价格无线收发模块 1000 市场价格论文费用 500 用于在期刊发表论文的版面费浇灌系统 3000 市场价格资料费 500 购买相关书籍和文献差旅费 1000 外调做实验实验工具 1500 示波器、仿真器、万用表、电烙铁等协议转换器 2800 目前市场供应中档价格电线、接口设备 1500 市场价格其他控制电路板 2000 市场价格其他 2200 另外其它辅助元器件A/D 转换设备 700 市场价格适配器 400 市场价格总计 2687015六、审查意见指导教师意见浇灌自动化是现代农业发展的重要内容。其实现对提高水资源利用率及对作物生长的不间断监
48、测起着重要的作用。该组同学设计的无线节水浇灌自动控制系统对解决这一问题提出了一个新的思考与探索。对开拓学生视野、拓展开发创新能力具有积极意义，并对今天我国农业现代化与产业化提供有益的帮助。指导教师签名： 年 月 日学院意见负责人签名、公章： 年 月 日学校意见负责人签名、公章： 年 月 日备注16七、申请者承诺我保证上述填报内容的真实性。如果获得资助，我与本项目组成员将严格遵守学校的有关规定，在不影响课程学习的同时，保证项目研究工作的时间，并按计划认真开展研究工作，在项目研究过程中或结束时，接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交工作总结和结题报告。申请者（签名）：年 月 日八、指导教师承诺本人郑重承诺，愿意作为该“国家大学生 创新性实验计划” 项目的指导教师，保证认真负责审阅项目内容，全程指导学生进行实践创新性实验，组织学生讨论交流及审查学生的研究结果，保证本项目的顺利实施及达到预期成果。指导教师（签名）：17年 月 日
