CN105432428A - 基于arm的节水灌溉智能系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ARM的节水灌溉智能系统及其实现方法，该系统包括复数个用以对种植作物的土壤进行温湿度检测并输出控制的下位机与一用以数据设定与数据传送的上位机；所述下位机包括单片机以及与其相连的控制模块、LCD显示模块、报警模块、A/D转换模块与无线通信模块；所述A/D转换模块还与一温度传感器以及一湿度传感器相连；所述控制模块与一提示放水的信号灯以及一用以调节灌溉水量的控制阀门相连；所述上位机包括单片机以及与其相连的无线通信模块、显示模块、报警模块与按键模块。本发明通过实时监测采集植物的栽培环境，使土壤内部的各参量指标符合植物的最佳生长环境要求，以保证植物的正常增长和降低人工监控、提高经济效益。

Description

基于ARM的节水灌溉智能系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及农业灌溉领域，特别是一种基于ARM的节水灌溉智能系统及其实现方法。

背景技术

农业是我们人类社会最古老的行当，是各门各业的基本，同时也是我们人类得以生活的条件。农业的发展取决于，两个条件，一是技术的条件，二是水条件。

创新的农业技术影响着农业的发展未来。要想让古老的人工种植模式向着高科技自动种植转化，粗放经营向集约经营转化，就要求农业技术要有一次大的跳跃，开始一次巨大的农业技术革新。但是农业还是落后了其他产业一大截，农业浇溉技术尤为落后。灌溉技术的低下严重拖累了我国农业的发展。以前的灌溉系统自动化程度太低，大部分还要依赖于人工操作，即使预先给定一个固定值，但是又不好对其有效操控，于是为了有效提高灌溉效率，简化劳动时间和节省水资源，节水灌溉技术的研发势在必行。

对于田间灌溉管理来说现代智能灌溉控制系统是一种高效的技术，它可以有效提高操作准确度，方便灌溉过程中的科学管理，并且对于操作者的素质要求低。在极大地降低了劳动量的同时还能定时定量精准有效的给农作物自动浇水，来提高农作物的质量、产量，并且还能节约水资源和电力能源。

现代灌溉控制器在我国还没得到大量的研发和试用，和外国比起来，我们更多是在手动种植，就算有些地方自己研究了一些类似自动化灌溉的系统，但是那都是凭借以往经验设定的，不能灵活应用，假如灌溉的水量和农作物实际上所需要的水量相比太少，就不能使农作物健康生长；而灌溉的水量太多了，肥力流失，又会使资源浪费，并且传统的灌溉法还要靠人们控制才能使用，那样的生产力太过低下，这不符合现代农业发展所需要的高效率、低劳力的要求

中国今年来购进了外国许多高级灌溉系统，可是相对资金消耗过多，修理维护较为艰难，大部分只能应用于农业实验区、研究单位和农林大学，并且不适合我国土质的特点。在中国的独立研究和发展的现代灌溉控制器仍然是在初始阶段。所以，中国作为一个农业大国，必需要研制一个归于自个的领先的低成本、便利保护、体系功用强而且拓展简单的数字式节水灌溉体系。我的毕业设计就是一个针对这一现状而设计出来的智能节水灌溉系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于ARM的节水灌溉智能系统及其实现方法，通过实时监测采集植物土壤的环境，使土壤的各参量指标符合植物的最佳生长环境要求，以保证植物的正常增长和降低人工监控、提高经济效益。

本发明采用以下方案实现：一种基于ARM的节水灌溉智能系统，包括复数个用以对种植作物的土壤进行温湿度检测并输出控制的下位机与一用以数据设定与数据传送的上位机；所述下位机包括单片机以及与其相连的控制模块、LCD显示模块、报警模块、A/D转换模块与无线通信模块；所述A/D转换模块还与一温度传感器以及一湿度传感器相连；所述控制模块与一提示放水的信号灯以及一用以调节灌溉水量的控制阀门相连；所述上位机包括单片机以及与其相连的无线通信模块、显示模块、报警模块与按键模块；所述上位机与所述下位机通过无线通信模块进行数据通信。

进一步地，所述下位机中的单片机为STC12C5A60S2单片机。由于下位机需要较大的存储量，因此选择一个数据和程序容量较大的单片机，就不用扩展数据和程序存储器，则采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器。该单片机STC12C5A60S2是作为使用51内核为核心的一系列宏晶生产的单时钟、机器周期单片机之中的佼佼者，具有迅速、低消耗、强烈抵抗干扰等等几项新机能，同时又继承了传统8051的操作指令，可是又快出传统8051的8~12倍速度，并且STC12C5A60S2单片机还在但片子里面集合了MAX810专用复位电闸。4路，高速10位A/D转成换五路，在电机控制中，强干扰。

进一步地，所述上位机中的单片机为STM32单片机。

进一步地，所述温度传感器与湿度传感器为温湿度复合传感器，所述温湿度复合传感器为SHT-11。

进一步地，所述控制模块包括有温度输出控制电路、湿度输出控制电路，数值设置控制电路；所述温度输出控制电路、湿度输出控制电路均包括一用以实现开关控制的继电器。下位机的单片机I/O口通过光耦输出控制继电器开关作用，实现对输出端器件的控制。

进一步地，所述A/D转换器采用ADC0809转换器。由于A/D转换是把模拟量信号转换成与其大小成正比的数字量信号，A/D转换电路是数据采集系统的核心电路。目前A/D转换电路的种类繁多，但大量投放市场的单片机或模块A/D按照其转换原理主要要为逐步逼近式，双积分式，量化反馈式和并行式A/D转换器。双积分式A/D转换器精度高，抗干扰能力强，价格低，但是转换速度慢；并行式转换器速度快，但价格高；逐步逼近式A/D转换器，转换精度高，速度快，大约在几微秒到几百微秒之间，但是抗干扰能力弱。总的来说逐步逼近式A/D转换器的性价比最高，应用最广泛。因此，本发明中的所述A/D转换器采用ADC0809,其是8位逐步逼近式A/D转换器，内部具有锁存控制的8路模拟开关，外接8路模拟输入端，可同时对8路0-5v的输入模拟电压信号分时进行采集转换，本系统只用到IN0和IN1两路输入通道。ADC0809转换率为8位，最大不可调误差小于±1LSB，采用单一+5v供电，功耗为15mw，不必进行零点和满度调整。由于ADC0809转换器的输出数据寄存器具有可控的三态输出功能，输出具有TTL三态锁存缓冲器，故其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。A/D转换器需要外部控制启动转换信号的要求也不同，分脉冲启动和电平启动两种，ADC0809采用脉冲启动转换，只需给A/D转换器的启动控制转换的输入引脚上，加入正脉冲信号，即启动A/D转换器进行转换，转换开始后，转换结束信号输出端EOC信号变纸，转换结束时，EOC返回高电平，以通知主机读取转换结果的数字量，这个信号可以作为A/D转换器的状态信号供查询，也可以用作中断请求信号。

进一步地，所述上位机的单片机还与一用以与PC机通信的PC控制器相连。

进一步地，所述上位机与下位机均包括一用以提供5V电源的电源模块。所述电源模块包括三段稳压器7805、二极管、电容以及电阻。由于变压器可产生12V左右的辅助交流电，辅助电源的输入端电源由12V变压器的辅助线圈提供，经过整流桥D整流后分别经电容C1、C2和电容C5、C6滤成平稳的12V作为三端稳压器LM7805的输入电源，三端稳压器LM7805的输出端经过电容C3、C4和电容C7、C8滤波后就可得到5V的稳定直流电压，该5V电压可作为单片机和LCD显示屏等供电。

本发明还采用以下方法实现：一种基于ARM的节水灌溉智能系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述下位机中的温湿度传感器采集当前土壤中的湿度与温度，采集到的湿度与温度数据通过A/D转换模块输入单片机处理后在LCD显示模块显示相应的数据，并通过无线通信模块发送给上位机；

步骤S2：所述上位机通过无线通信模块接收下位机发送的数据信号，在显示模块显示相应的数值，所述上位机中的单片机将接收到的数值与设定的数值进行比较，若接收到的数值与设定的数值不相等，则所述上位机中报警模块发出报警，并且通过无线通信模块发送控制信号给所述下位机，通过PC控制器将数据发送给PC机实现保存和记录数据；

步骤S3：所述下位机的无线通信模块接收控制信号，并将控制信号传输至所述下位机中的单片机，所述单片机实现对所述下位机中的控制模块的输出控制；所述控制模块在需要放水时，控制信号灯点亮并控制阀门打开进行灌溉，所述控制模块不需要放水时，控制信号灯熄灭。

因此，本发明中上位机可通过分时接收下位机的通信信号，并且进行相应的分析和处理，最终实现ARM主控器对多下位机系统的控制。

与现有技术相比，本发明提供的系统通过实时监测采集土壤环境，使土壤内部的各参量指标符合植物的最佳生长环境要求，以保证植物的正常增长和降低人工监控、提高经济效益。

附图说明

图1是本发明的下位机电路模块示意图。

图2是本发明的上位机电路模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施提供一种基于ARM的节水灌溉智能系统，如图1和图2所示，包括复数个用以对种植作物的土壤进行温湿度检测并输出控制的下位机与一用以数据设定与数据传送的上位机；所述下位机包括单片机以及与其相连的控制模块、LCD显示模块、报警模块、A/D转换模块与无线通信模块；所述A/D转换模块还与一温度传感器以及一湿度传感器相连；所述控制模块与一提示放水的信号灯以及一用以调节灌溉水量的控制阀门相连；所述上位机包括单片机以及与其相连的无线通信模块、显示模块、报警模块与按键模块；所述上位机与所述下位机通过无线通信模块进行数据通信。

在本实施例中，所述下位机中的单片机为STC12C5A60S2单片机。由于下位机需要较大的存储量，因此选择一个数据和程序容量较大的单片机，就不用扩展数据和程序存储器，则采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制器。该单片机STC12C5A60S2是作为使用51内核为核心的一系列宏晶生产的单时钟、机器周期单片机之中的佼佼者，具有迅速、低消耗、强烈抵抗干扰等等几项新机能，同时又继承了传统8051的操作指令，可是又快出传统8051的8~12倍速度，并且STC12C5A60S2单片机还在但片子里面集合了MAX810专用复位电闸。4路，高速10位A/D转成换五路，在电机控制中，强干扰。

在本实施例中，所述上位机中的单片机为STM32单片机。

在本实施例中，所述温度传感器与湿度传感器为温湿度复合传感器，所述温湿度复合传感器为SHT-11。该温湿度传感器的功能简介如下：选用SHT-11数字温湿度传感器为了更加精确地对土壤湿度进行检测选用优良的土壤传感器，为了防范湿润土壤易使传感器表面生锈从而降低使用时间，还为了加强导电能力，而在传感器表面镀上一层镍，并且增大了接触面积；此传感器能够大面积检测土壤的湿度，其运行原理是借由电位器调节相应的阀值，当检测出的湿度要高于设定程序时输入的值时，Do输出低电平，反之，则输出高电平；而比较器采用LM393芯片，其工作稳定工作电压3.3V-5V。传感器为SHT-11使用说明：（1）传感器适用于土壤的湿度检测；（2）传感器的部件中蓝色的电位器可以变换土壤湿度的阀值，逆时针转动，控制的湿度就会变小，反之，顺时针就会变大；（3）单片机连接着数字输出量Do，并且借由单片机判断是高电平还是低电平，使用这样的方法来检测土壤的湿度。

在本实施例中，所述LCD显示模块采用LCD液晶显示器，该显示器是一种低功耗液晶显示器件。工作电流小，适合于仪表和低功耗系统。LCD液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制。有电流通过就会呈现黑色点，如此这般构造出图形。液晶显示器普遍适用于计算机，电子器具，摄影摄像方面，皆因其能够被大型电路直接驱动，方便进行全彩色显示的特点。

在本实施例中，所述控制模块包括有温度输出控制电路、湿度输出控制电路，数值设置控制电路；所述温度输出控制电路、湿度输出控制电路均包括一用以实现开关控制的继电器。下位机的单片机I/O口通过光耦输出控制继电器开关作用，实现对输出端器件的控制。

在本实施例中，所述A/D转换器采用ADC0809转换器。由于A/D转换是把模拟量信号转换成与其大小成正比的数字量信号，A/D转换电路是数据采集系统的核心电路。目前A/D转换电路的种类繁多，但大量投放市场的单片机或模块A/D按照其转换原理主要要为逐步逼近式，双积分式，量化反馈式和并行式A/D转换器。双积分式A/D转换器精度高，抗干扰能力强，价格低，但是转换速度慢；并行式转换器速度快，但价格高；逐步逼近式A/D转换器，转换精度高，速度快，大约在几微秒到几百微秒之间，但是抗干扰能力弱。总的来说逐步逼近式A/D转换器的性价比最高，应用最广泛。因此，本发明中的所述A/D转换器采用ADC0809,其是8位逐步逼近式A/D转换器，内部具有锁存控制的8路模拟开关，外接8路模拟输入端，可同时对8路0-5v的输入模拟电压信号分时进行采集转换，本系统只用到IN0和IN1两路输入通道。ADC0809转换率为8位，最大不可调误差小于±1LSB，采用单一+5v供电，功耗为15mw，不必进行零点和满度调整。由于ADC0809转换器的输出数据寄存器具有可控的三态输出功能，输出具有TTL三态锁存缓冲器，故其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。A/D转换器需要外部控制启动转换信号的要求也不同，分脉冲启动和电平启动两种，ADC0809采用脉冲启动转换，只需给A/D转换器的启动控制转换的输入引脚上，加入正脉冲信号，即启动A/D转换器进行转换，转换开始后，转换结束信号输出端EOC信号变纸，转换结束时，EOC返回高电平，以通知主机读取转换结果的数字量，这个信号可以作为A/D转换器的状态信号供查询，也可以用作中断请求信号。

在本实施例中，所述上位机的单片机还与一用以与PC机通信的PC控制器相连。

在本实施例中，所述上位机与下位机均包括一用以提供5V电源的电源模块。所述电源模块包括三段稳压器7805、二极管、电容以及电阻。由于变压器可产生12V左右的辅助交流电，辅助电源的输入端电源由12V变压器的辅助线圈提供，经过整流桥D整流后分别经电容C1、C2和电容C5、C6滤成平稳的12V作为三端稳压器LM7805的输入电源，三端稳压器LM7805的输出端经过电容C3、C4和电容C7、C8滤波后就可得到5V的稳定直流电压，该5V电压可作为单片机和LCD显示屏等供电。

在本实施例中，一种基于ARM的节水灌溉智能系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述下位机中的温湿度传感器采集当前土壤中的湿度与温度，采集到的湿度与温度数据通过A/D转换模块输入单片机处理后在LCD显示模块显示相应的数据，并通过无线通信模块发送给上位机；

步骤S2：所述上位机通过无线通信模块接收下位机发送的数据信号，在显示模块显示相应的数值，所述上位机中的单片机将接收到的数值与设定的数值进行比较，若接收到的数值与设定的数值不相等，则所述上位机中报警模块发出报警，并且通过无线通信模块发送控制信号给所述下位机，通过PC控制器将数据发送给PC机实现保存和记录数据；

步骤S3：所述下位机的无线通信模块接收控制信号，并将控制信号传输至所述下位机中的单片机，所述单片机实现对所述下位机中的控制模块的输出控制；所述控制模块在需要放水时，控制信号灯点亮并控制阀门打开进行灌溉，所述控制模块不需要放水时，控制信号灯熄灭。

因此，本发明中上位机可通过分时接收下位机的通信信号，并且进行相应的分析和处理，最终实现ARM主控器对多下位机系统的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种基于ARM的节水灌溉智能系统，其特征在于：包括复数个用以对种植作物的土壤进行温湿度检测并输出控制的下位机与一用以数据设定与数据传送的上位机；所述下位机包括单片机以及与其相连的控制模块、LCD显示模块、报警模块、A/D转换模块与无线通信模块；所述A/D转换模块还与一温度传感器以及一湿度传感器相连；所述控制模块与一提示放水的信号灯以及一用以调节灌溉水量的控制阀门相连；所述上位机包括单片机以及与其相连的无线通信模块、显示模块、报警模块与按键模块；所述上位机与所述下位机通过无线通信模块进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于ARM的节水灌溉智能系统，其特征在于：所述下位机中的单片机为STC12C5A60S2单片机。

3.根据权利要求1所述的一种基于ARM的节水灌溉智能系统，其特征在于：所述上位机中的单片机为STM32单片机。

4.根据权利要求1所述的一种基于ARM的节水灌溉智能系统，其特征在于：所述温度传感器与湿度传感器为温湿度复合传感器，所述温湿度复合传感器为SHT-11。

5.根据权利要求1所述的一种基于ARM的节水灌溉智能系统，其特征在于：所述控制模块包括有温度输出控制电路、湿度输出控制电路，数值设置控制电路；所述温度输出控制电路、湿度输出控制电路均包括一用以实现开关控制的继电器。

6.根据权利要求1所述的一种基于ARM的节水灌溉智能系统，其特征在于：所述A/D转换器采用ADC0809转换器。

7.根据权利要求1所述的一种基于ARM的节水灌溉智能系统，其特征在于：所述上位机的单片机还与一用以与PC机通信的PC控制器相连。

8.根据权利要求1所述的一种基于ARM的节水灌溉智能系统，其特征在于：所述上位机与下位机均包括一用以提供5V电源的电源模块。

9.一种如权利要求1所述的基于ARM的节水灌溉智能系统的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：所述下位机中的温湿度传感器采集当前土壤中的湿度与温度，采集到的湿度与温度数据通过A/D转换模块输入单片机处理后在LCD显示模块显示相应的数据，并通过无线通信模块发送给上位机；

步骤S2：所述上位机通过无线通信模块接收下位机发送的数据信号，在显示模块显示相应的数值，所述上位机中的单片机将接收到的数值与设定的数值进行比较，若接收到的数值与设定的数值不相等，则所述上位机中报警模块发出报警，并且通过无线通信模块发送控制信号给所述下位机，通过PC控制器将数据发送给PC机实现保存和记录数据；

步骤S3：所述下位机的无线通信模块接收控制信号，并将控制信号传输至所述下位机中的单片机，所述单片机实现对所述下位机中的控制模块的输出控制；所述控制模块在需要放水时，控制信号灯点亮并控制阀门打开进行灌溉，所述控制模块不需要放水时，控制信号灯熄灭。