水稻自动灌溉控制系统设计论文.docx

水稻自动灌溉控制系统设计论文1系统的结构及工作原理系统由上位机和下位机组成。其中上位机安装了组态软件服务器负责接收发回来的数据和发送相应的命令;下位机由网关和节点组成。其中节点是由电源模块、ZigBee模块、传感器、太阳能板、电磁阀等部分组成。在稻田池块处放置节点根据水稻生长时期和土壤状况确定传感器埋设深度实时监测池块变化。设计时在池块中布置8个节点网关与节点中采用ZigBee树状网络通讯网关与上位机采用GPRS通讯系统网关和节点都通过太阳能板供电。节点实时采集传感器的数值经ZigBee传输到网关数据实时显示在组态屏上网关将数据融合后由GPRS传送到上位机。上位机软件接收并处理数据根据相应的预设参数和采集回来的参数会自动控制电磁阀启停功能。同时网关还可以监测电池电量的参数并传送至上位机。2系统设计2．1网关控制芯片的设计STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机指令代码完全兼容传统8051但速度快8～12倍;内部集成了MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换(250K/s)针对电机控制适用于强干扰场合。2．2节点驱动电路的设计采用驱动继电器控制电磁阀的方式。为了提高系统的可靠性采用5V继电器。继电器使用ULN2803驱动ULN2803使用5V供电STV12C5A60S2的输出信号经74HC14传输到ULN2803。2．3传感器的选择传感器测量部分包括土壤水分、池块温度和池块水位。各部分的选型如下:1)测量池块温度。选用DSl8B20温度传感器与传统的热敏电阻不同其可直接将被测温度转换为串行数字信号供单片机处理。测量温度范围为－55～+125度C在－10～+85度C范围内精度为±0．5度C适合于恶劣环境的现场温度测量。2)测量池块水位。选用GB2100A液位传感器供电范围5～12V具有信号隔离放大、截频干扰设计及抗干扰能力强等特点。根据寒地水稻控制灌溉技术规范水稻生育转换期要提前晒田并在生育期转换问题上提出"时到不等苗苗到不等时"的调控方法。"时到不等苗"即不管水稻处于哪个生育期(分蘖末期除外)土壤水分到了土壤控制下限则灌水至上限土壤水分未达到控制下限不需要灌水;"苗到不等时"即水稻生长发育到分蘖末期不管土壤水分是否控制到下限都要及时排水晒田。过了分蘖末期到了拔节孕穗期(需水敏感期)则必须灌水至土壤水分上限。因此采用HS－102STR土壤水分传感器它是一款基于频域反射原理利用高频电子技术制造的高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器通过测量土壤的介电常数能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。2．4ZigBee网络的设计ZigBee网络采用TI公司最新一代ZigBeeSOC芯片芯片供电电压为3．3V内部已集成了一个8051微处理器与高性能的RF收发器。该芯片在无外加功放情况下通信距离可以达到1600m。采用TI公司的ZigBee2007/PRO协议栈作为开发背景在IAREmbeddedWorkbench环境下开发。启动网关后允许采集节点与其连接接收节点的数据信息;然后数据通过ZigBee传送至网关网关将其打包成规定的数据帧格式经由GPRS传送至上位机。2．5通讯协议在网关与上位机之间通过GPRS通讯设计的数据格式参考了常见的Modbus－RTU协议的格式由设备地址、功能码、数据、结束符组成。采用求和校验方式即将功能码和数据位的5个字节数据(BIT2－BIT6)相加求和取低16位写入校验位。设备地址为设定的网关地址在本设计中定义为4A01功能码用于区分实现不同的功能包括继电器控制、读取采集节点数值、读取电池电量等。其中功能码4B1x用于实现继电器控制数据位000000表示继电器闭合FFFFFF表示继电器断开;读取电池电量检测功能码531x即数据位000000表示电量低FFFFFF表示电量高;采集传感器数据功能码73xx即功能码7311代表1号节点的1号温度传感器。例如上位机发送:4A014B110000005C0D0A即表示发送继电器1闭合命令。2．6节点供电电路的设计对于分散在池块的采集节点由于距离控制室较远因此供电采用太阳能电池板与铅蓄电池相结合的方式。在阳光良好、太阳能电池板输出充足的时候采用太阳能电池板供电同时对铅蓄电池进行浮充;当太阳能电池板输出不足或者出现故障时切换到铅蓄电池端利用电池进行供电。在系统的设计上采用一只1N5819二极管作为太阳能电池板与铅蓄电池的切换开关:当太阳能电池板输出充足时则太阳能电池板具有优先权