CN102067810A - 庭院可视化远程浇灌系统 - Google Patents

Abstract

一种庭院可视化远程浇灌系统，由底层控制和PC上位机软件监控两部分构成，其中底层控制由单片机控制模块、隔离模块、液晶显示模块、温湿度检测模块、电磁阀驱动模块、电源模块和图像采集设备(摄像头)组成；PC上位机软件监控由网页数据处理模块、温湿度显示模块、串口通信模块和数据库模块构成；整个系统以数据库为中心，通过RS232串口通信协议实现数据的交换。该系统不仅能实现远距离的浇水控制，而且系统简单、运行可靠、成本低廉，易于维护，能够满足广大的中小型用户诸如家庭用户使用。

Description

庭院可视化远程浇灌系统

技术领域

本发明涉及自动化灌溉技术领域，特别是涉及一种庭院可视化远程浇灌系统。

背景技术

农业是国民经济的基础。合理的农业用水关系到农业的发展和经济效益，中国是一个农业大国，人口多、耕地少、水资源紧缺，特殊的气候、地理等自然条件以及社会条件决定了中国农业必须走灌溉农业的发展道路。目前地面灌溉占我国灌溉总面积的95％以上，而在今后相当长的时期内也仍将是我国农业的主要灌溉方式，建立并大力推进各种改进地面灌溉工程技术是提高我国节水灌溉水平的根本措施。传统的农田灌溉有三大弊病：首先，不宜精确控制灌溉区和水位；其次，不能进行精确灌溉和定时灌溉，再次，需要许多劳动力来协调完成整项工作，所以这种灌溉方式费时费力又浪费水资源，不适宜大范围推广和使用。目前发展的趋向是：大量采用喷灌，试验推广滴灌，研究灌水自动化。

目前有关远程灌溉系统的研究较多，比如：《多路自动灌溉装置》(CN200520103375)，《灌溉控制系统》(CN200510050766)，《灌溉系统》(CN200610063360)，《基于公共通讯网络的远程自动化灌溉系统及控制方法》(CN200510109325)，《智能灌溉控制系统》(CN200710068212)，《网络式自动灌溉方法及其装置》(CN02139540)，《自动灌溉系统》(CN200710172724)，《一种基于地温自动控制温室灌溉的装置》(CN200820081197)，《用于带有基于标准网络协议的局域网的建筑的灌溉集中自动控制系统》(CN200610168549)，《远程定时灌溉控制系统》(CN200620003658)，《远程智能灌溉及施肥系统》(CN200610025010)等专利。

通过以上专利可以看出，目前实现远程控制有两种方法：有线方式和无线方式。其中有线大多采用集中分散的控制思想，依靠现有的工控机实现远程控制和信息交互，技术相对成熟，通过微控制器控制分别检测到多路采集电路采集到的土壤湿度信号，经过判断并向多路执行电路中的对应执行电路发出控制信号，控制执行电路对对应位置的土壤进行灌溉，从而实现在无需人为控制和干预的情况下，自动灌溉多处植物，保证植物的正常生长需求。这些系统普遍能够形成全自动的灌溉控制体系，不需要人直接参与，人的作用只是调整控制程序和检修控制设备，但是整个系统较为复杂，价格较高，不易维护和维修，这对于广大的中小型用户诸如家庭用户来说是很难推广的。

远程化智能灌溉将是未来发展的方向，在多种公开发表的刊物中都有描述，如《电脑中央控制灌溉系统》(计算机应用，2008，29(3))，《现代农田灌溉智能控制器应用》(石河子科技，2005，6)，《灌溉管理数据库的初步应用》(宁夏农学院学报，1996，1)，《智能监控与节水灌溉管理系统介绍》(河北水刊，2002，2)，《基于89C51的灌溉控制系统的研究》(南方农机，2007，1)，《基于GIS灌溉系统的应用研究》(节水灌溉，2007，6)，《基于GSM的农田水分灌溉管理与自动控制系统的研究》(节水灌溉，2005，5)，《基于PC-Base的温室灌溉实验控制系统开发》(自动化仪表，200，10)，《基于ZigBee技术的农田节水灌溉系统》(农机化研究，2009，6)，《农田灌溉自动化控制系统的开发研究》(灌溉排水学报，2009，8)，《农田节水灌溉远程控制的实现》(西北民族大学学报，2008，9)等。

通过以上刊物可以看出，无线大多基于GSM、ZIGBEE、GPRS模块，这种系统利用计算机现场实时监测和控制，单人就可以完成对大面积农田灌溉的管理，还可以实现现场无人化的远程处理。虽然说无线模块可靠性已经得到很大提高，但是在某些时间总会出现问题，再加上其他人因素，可能致使原来已建立的TCP连接断开，这就要求选用的无线模块支持断线续连的功能，无形当中增加了系统的复杂程度和价格比例，同时实践证明，该型系统很容易受到雷电、空中电磁波和电源污染的影响，对防雷保护和抗干扰能力要求较高：系统的发射天线处均接有避雷器，能够有效防雷，也增加了系统的成本和复杂程度。而且这种系统灌溉控制点较多、管网系统较为复杂、数据监测点较为分散，种种原因导致了无线方式目前还没有得到充分的发展和应用。

综上所述，在农业灌溉领域，灌溉系统方案的选择直接决定了系统的性能价格比和市场应用范围，系统的可靠性、系统维护的难易程度决定了市场的范围的大小和推广的难易程度。如何在满足应用的前提下尽量简化系统和维护，提高系统的可靠性和应用性，服务于广大的中小型农户和家庭，是一个值得思考的问题，而且必将带来巨大的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种庭院可视化远程浇灌系统，该系统不仅能实现远距离的浇水控制，而且系统简单、运行可靠、成本低廉，易于维护。同时该系统还可以实时传送灌溉现场的图像信息和温湿度信息，使得用户能够更方便、直观地了解现场情况，以便做出及时正确的控制。

本发明的庭院可视化远程浇灌系统由底层控制和PC上位机软件监控两部分构成，其中底层控制由单片机控制模块、隔离模块、液晶显示模块、温湿度检测模块、电磁阀驱动模块、电源模块和图像采集设备(摄像头)组成；PC上位机软件监控由网页数据处理模块、温湿度显示模块、串口通信模块和数据库模块构成；整个系统以数据库为中心，通过RS232串口通信协议实现数据的交换。

系统的电磁阀驱动模块可采用三极管和继电器相配合的方案。

更进一步优选配置如下：

以MySQL数据库为中间媒介，通过VB.Net上位机程序实现数据实时采集；以Internet进行信息远程传输；单片机控制模块采用STC89C52，温湿度检测模块采用SHT10型数字温湿度传感器；电源模块采用成都明伟公司NE Series的NES-15-5和NES-150-24开关电源；电磁阀选用欣盛2W-200-20，继电器选用欧姆龙MY2NJ24VDC系列电磁阀；图像采集设备采用可兼做小型监控机的风后镜王二代camera。

SHT10型数字温湿度传感器，湿度测量范围：0～100％RH；温度测量范围：-40～+120℃；

风后镜王二代camera，其控制芯片为zc301，感光芯片为hv7131。为了满足夜视监控，对摄像头可加装适合红外夜视的装置。

附图说明

图1是系统硬件示意图。

图2是单片机控制模块电路图。

图3是人机界面窗口图。

图4是软件流程图。

图5是数据流图。

本发明的庭院可视化远程浇灌系统各部分说明如下：

1、单片机控制模块

图1是系统硬件示意图，图1显示了单片机控制模块的外围电路，其中包括温湿度检测模块、隔离模块、液晶显示模块以及与服务器的串口通信连接。

图2中是单片机控制模块的内部具体电路，包括串口通信电路、复位电路、起振电路以及电源电路，为了方便电路的调试和外延，晶振采用12MHZ，复位电路采用10uf电容和10k电阻分压的方式，起振电容采用22pf，串口电平转换芯片采用MAX232，13、14引脚接串口，11、12引脚接单片机，实现数据的双向传输。图像采集设备采用可兼做小型监控机的风后镜王二代camera，其控制芯片为zc301，感光芯片为hv7131。

2、电磁阀驱动模块

电磁阀驱动模块是最底层电路，其工作的可靠性直接决定了系统的性能和质量，图1显示，电磁阀驱动模块上接隔离模块，下接电磁阀开关，来自单片机的控制信息通过隔离模块驱动驱动模块中相同号码的三极管，使相应电磁阀供电触点闭合，构成24V回路，继电器得电，常开触点闭合，常闭触点断开，驱动电磁阀进行动作。本系统电磁阀驱动模块采用三极管和继电器相配合的方案。

3、电源模块和隔离模块

电源模块主要功能是给单片机、电磁阀、以及各个主芯片进行供电，按照等级分为5V和24V。摄像头采用usb供电。隔离模块采用多路光耦将单片机控制模块和电磁阀驱动模块隔离。

4、温湿度检测模块

通常农作物的生长环境温度不会超过50℃，SHT10型数字温湿度传感器，湿度测量范围：0～100％RH；温度测量范围：-40～+120℃；完全可以满足植被的温湿度要求。

5、网页数据处理模块

网页数据处理模块如图3所示，网页数据处理模块作为人机接口，包括温湿度显示窗口、视频窗口、控制区、控制状态窗口。温湿度显示窗口包含温度显示窗口和湿度显示窗口，主要功能是实时地显示温湿度信息，为用户判断是否浇水提供准确的依据。视频窗口将实时采集并显示被监测点的图像信息，用户通过视频窗口了解目标地点的大体状况，结合温湿度显示窗口，判断是否需要浇水。当用户判断需要浇水时，通过控制窗口选择浇水区域、选择浇水日期、设置浇水时间、以及修改浇水时间等操作，点击“立即浇水”按钮，信息就会显示在下面的控制状态窗口中，控制状态窗口信息有电磁阀ID号、电磁阀号、浇水日期、浇水时间、灌溉持续时间、计划类型、执行状态、编辑、删除等。比如，用户在电磁阀1前“√”或者同时选中多个电磁阀，输入持续时间，点击“立即浇水”按钮就可以了，控制区窗口可以显示当前的串口状态和单片机状态，当“串口程序已打开，单片机已打开”时，此时可以进入浇水状态，否则用户设置无效。计划类型分为日计划、周计划、月计划。当用户需要长时间离开时，用户可以根据时间长短设置浇水计划，防止植被因缺水而死。控制状态区包含“编辑”和“删除”按钮，一旦灌溉计划完成，用户可以删除信息，保证界面的可读性。

6、数据库模块

如图4、图5所示，当用户输入控制信息完成后，将被送入MYSQL数据库，串口调试程序读取到数据库的信息，通过RS232送入到单片机，驱动电磁阀动作，时间到后电磁阀回归原状态，串口控制程序将此信息存入数据库。数据库相当于中间媒介，把网页和串口控制模块连接起来，因此发挥了纽带作用。

7、串口通信模块

由图5可知，串口通信模块的功能有两个：1.便于程序的执行；2.信息收集站。根据串口通信模块的信息来源和性质，开发者可创建可视媒介来显示有用信息。串口作为信息收集站，网页数据处理后，将指定格式排列的电磁阀号、滴灌时间发送给串口通信模块，串口通信模块再将此信息转发给MCU串口接收端。如果电磁阀动作，串口通信模块将接收到“电磁阀号+ok”，网页显示开始浇水。

本发明的优点是：该系统不仅能实现远距离的浇水控制，还可以实时传送灌溉现场的图像信息和温湿度信息，使用户能够更方便、直观地了解现场情况，以便及时、正确的控制。特别是系统简单、运行可靠、成本低廉，易于维护，能够满足广大的中小型用户诸如家庭用户使用。

具体实施方式

实施例：以MySQL数据库为中间媒介，通过VB.Net上位机程序实现数据实时采集；以Internet进行信息远程传输；单片机控制模块采用STC89C52，温湿度检测模块采用SHT10型数字温湿度传感器，湿度测量范围：0～100％RH；温度测量范围：-40～+120℃；电源模块采用成都明伟公司NE Series的NES-15-5和NES-150-24开关电源；电磁阀选用2W-200-20；继电器选用欧姆龙MY2NJ24VDC系列电磁阀；图像采集设备采用可兼做小型监控机的风后镜王二代camera，其控制芯片为zc301，感光芯片为hv7131。为了满足夜视监控，在摄像头上加装了适合红外夜视的装置。

正常使用中，串口通信模块是集中在上位机软件中的，并不会出现可视化界面，可视化界面的作用是便于调试。系统正常显示的是被检测点的实时数据，包括温度、湿度以及周边环境的图像信息，一般情况下，串口和单片机处于工作状态，若用户发现某区域需要浇水，则在相应控制区域电磁阀号前面打“√”，输入“持续时间”，点击“立即浇水”，点击“添加”，控制状态窗口将显示控制数据和执行状态，当用户需要编辑时可以点击“编辑”按钮进行编辑，浇水完毕，按下“删除”键，系统将执行完毕的灌溉信息条目删除，网页处理程序每10秒采样1次，每一屏显示10条数据，如果用户需要在浇水过程中按下“停止浇水”键，则不论浇水是否完毕，系统将关闭电磁阀，停止浇水，但温湿度显示窗口依然在线显示相关数据。当用户长时间离家时，可以远程登录服务器来查看相关的信息，这样无论用户在哪里，都可以随时随地查询被检测点的相关数据，同时也可以远程操控电磁阀，实现远程灌溉。

Claims (3)

1.一种庭院可视化远程浇灌系统，其特征在于，该系统由底层控制和PC上位机软件监控两部分构成，其中底层控制由单片机控制模块、隔离模块、液晶显示模块、温湿度检测模块、电磁阀驱动模块、电源模块和图像采集设备组成；PC上位机软件监控由网页数据处理模块、温湿度显示模块、串口通信模块和数据库模块构成；整个系统以数据库为中心，通过RS232串口通信协议实现数据的交换。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，以MySQL数据库为中间媒介，通过VB.Net上位机程序实现数据实时采集；以Internet进行信息远程传输；单片机控制模块采用STC89C52，温湿度检测模块采用SHT10型数字温湿度传感器；电源模块采用成都明伟公司NE Series的NES-15-5和NES-150-24开关电源；电磁阀选用欣盛2W-200-20，继电器选用欧姆龙MY2NJ24VDC系列电磁阀；图像采集设备采用可兼做小型监控机的风后镜王二代camera。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，电磁阀驱动模块采用三极管和继电器相配合的方案；单片机控制模块的内部具体电路中，晶振采用12MHZ，复位电路采用10uf电容和10k电阻分压的方式，起振电容采用22pf，串口电平转换芯片采用MAX232，13、14引脚接串口，11、12引脚接单片机，摄像头加装有适合红外夜视的装置。

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