CN108415314A - 一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统及其工作方法，系统包括喷灌系统、n个土壤水分数据采集系统、无线传输系统、第二控制器、串口服务器及监测与分析系统，喷灌系统包括喷头、电控比例阀、继电器、第一控制器、过滤器及水泵，土壤水分数据采集系统包括土壤水分传感器和控制器，控制器通过AD采样获取土壤水分值，无线传输系统包括长短距离无线传输系统，短距离无线传输系统包括第一、二无线电台及n个无线电台，长距离无线传输系统包括CPE无线网桥、通信基站、交换机、WEB服务器、网络交换机及INTERNET；本发明克服了传统的有线传输，可按照预设的试验方案进行传感器部署，实现了远程上位机实时监控土壤水分并存储数据。

Description

一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统 及其工作方法

技术领域

本发明属于土壤水分远程监测技术和无线传感网络技术领域，特别涉及一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统及其工作方法。

技术背景

中国不仅是果品生产大国，同时也是果树资源大国。中国果品的生产总量、栽培面积、资源种类均居世界首位。目前我国果树种植面积达到1275万公顷左右，果品年产值3500亿元，在国内种植业中居第3位，占经济总值的0.4％，其中有67％分布在丘陵地区。由于丘陵地形起伏不平、土壤渗透性强、持水能力差，地表径流极易汇聚流失，经常出现不均匀干旱。传统灌溉方式是由人工定时观测土壤墒情，凭经验进行大水漫灌，灌溉水利用率不足30％，水资源浪费现象严重。丘陵山区水资源严重缺乏与灌溉水大量浪费现象并存，严重影响了丘陵农业生产的发展和农户的增产增收。于丘陵地区交通不便，由人工进行信息监测和灌溉控制需翻山越岭、长途跋涉，用工多，且劳动强度大，且架设线路困难。因此必须实现需水信息的远程自动监测和灌溉过程的远程智能控制实现需水信息的远程自动监测和灌溉过程的远程智能控制。

目前的无线传输网络大都选用2.4GHZ频段网络，但存在通信距离短或者存在通信费用等问题，且通常无线传感器监测点部署采用平均部署方式。但由于丘陵地区地势高低不平，土壤水分分布不均匀，必须在充分了解水分运移规律的基础上，合理设置多个监测点，才能反映总体的土壤水分状况，为合理灌溉提供依据。

发明内容

本发明提供了一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，用以远程监测土壤分布及运移规律，解决有线通信时架设线路困难的问题，并可根据分析的土壤水分分布及运移规律进行土壤水分传感器的优化布置，弥补现有传感网络节点部署的不足，从而降低成本，提高灌溉利用率，减少水资源浪费。

为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，包括喷灌装置、n个土壤水分数据采集系统、无线传输系统、第二控制器、串口服务器及监测与分析系统，所述无线传输系统包括短距离无线传输系统和长距离无线传输系统，所述短距离无线传输系统与长距离无线传输系统之间通过第二控制器、串口服务器进行数据交换；

所述喷灌系统包括喷头、电控比例阀、继电器、第一控制器、过滤器及水泵，其中喷头、过滤器、水泵通过管路依次连接，第一控制器与继电器、电控比例阀一端通过导线依次连接，电控比例阀另一端连接在管路上；

所述土壤水分数据采集系统包括土壤水分传感器及控制器，其中控制器通过P1口与土壤水分传感器的0-5V信号线连接进行AD转换；

所述短距离无线传输系统包括第一无线电台、n个无线电台及第二无线电台，第一无线电台、无线电台均与第二无线电台进行无线传输；

所述长距离无线传输系统包括CPE无线网桥、通信基站、交换机、WEB服务器、网络交换机及INTERNET，CPE无线网桥与通信基站通过无线通信，通信基站与交换机、WEB服务器、网络交换机及INTERNET依次连接；

所述监测与分析系统包括客户端或用户端，客户端与交换机进行有线连接，用户端通过INTERNET进行数据的获取和控制。

上述方案中，所述客户端为电脑应用程序，采用Visual Studio2012用C#语言进行编程，客户端包含数据显示功能，同时将每次采集的数据保存到本地数据库和中心数据库中，使用者可以通过智能手机到中心数据库共享数据，同时客户端带有图表绘制功能，可以将获取的数据按时间绘制成曲线并分析出水分值随时间的变化；所述用户端为智能手机。

上述方案中，所述控制器均采用STC12C5A60S2单片机，所述无线电台的频段范围为425-450M。

上述方案中，所述第二控制器的串口一与第二无线电台进行通讯，第二控制器的串口二与串口服务器进行通讯，串口服务器与CPE无线网桥通过网线连接。

一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，监测与分析系统定时发送控制指令传输给第二控制器，实时通过第二无线电台转发控制指令给第一控制器开启电控比例阀进行喷灌，控制指令包括喷灌开启指令以及喷灌的强度。

步骤2，控制器(1…n)每间隔一分钟对土壤水分传感器(1…n)进行AD转换读取土壤水分值，其中第二无线电台与无线电台(1…n)采用主从轮询通讯，同时将土壤入渗水分值发送给第二控制器，第二控制器收到后实时转发给监测与分析系统显示并将数据保存到数据库中存储。

步骤3，喷灌一段时间后监测与分析系统发送关闭指令远程关闭电控比例阀关闭喷灌。

本发明的有益效果：

本发明针对丘陵地区土壤水分空间分布差异，人工开展土壤水分分布运移实验，实现远程自动开展实验；同时通过土壤水分传感器和无线传输网络，实时采集土壤水分，依据不同的实验需求进行喷灌装置的启停，实现远程控制；提高数据传输的实时性，降低劳动成本。

附图说明

图1为本发明所述一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统的系统框图；

图2为STC12C5A60S2芯片的引脚图；

图3为STC12C5A60S2单片机与485芯片连接图；

图4为本发明所述一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统的工作流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，下面将结合相关实施例附图对本发明进行进一步地解释。附图中给出了本发明的实施例，但本发明并不仅限于上述的优选实施例。相反，提供这些实施例的目的是为了使本发明的公开面更加充分。

本发明一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统如图1所示，包括喷灌系统、n个土壤水分数据采集系统、无线传输系统、第二控制器、串口服务器及监测与分析系统，无线传输系统包括短距离无线传输系统和长距离无线传输系统。

喷灌系统包括喷头、电控比例阀、继电器、第一控制器、过滤器及水泵，其中喷头、过滤器、水泵通过管路依次连接，第一控制器与继电器、电控比例阀一端通过导线依次连接，电控比例阀另一端连接在过滤器与喷头之间的管路上；

土壤水分数据采集系统包括土壤水分传感器及控制器，其中控制器通过P1口与土壤水分传感器的0-5V信号线连接进行AD转换；

短距离无线传输系统包括第一无线电台、无线电台(n个)及第二无线电台，第一无线电台接收第一控制器的控制指令、无线电台采集控制器的土壤水分数据，然后均与第二无线电台进行无线传输；

长距离无线传输系统包括CPE无线网桥、通信基站、交换机、WEB服务器、网络交换机及INTERNET，CPE无线网桥与通信基站通过无线通信，通信基站与交换机、WEB服务器、网络交换机及INTERNET依次连接；

短距离无线传输系统与长距离无线传输系统之间通过第二控制器、串口服务器进行数据交换；

监测与分析系统包括客户端或用户，客户端为电脑应用程序，客户端采用VisualStudio2012用C#语言进行编程，用户为智能手机，客户端包含数据显示功能，同时将每次采集的数据保存到本地数据库和中心数据库中，用户可以通过智能手机到中心数据库共享数据，同时客户端带有图表绘制功能，可以将获取的数据按时间绘制成曲线并分析出水分值随时间的变化；客户端与交换机进行有线连接，用户通过INTERNET进行数据的获取和控制。

本实施例中控制器均采用STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2单片机具有双串口及8路AD采样通道，且带有2个定时器，可依据定时时间间隔来采集数据。无线电台的频段范围：425-450M，本实施例优选433M。

第二控制器通过串口一RS485协议与第二无线电台进行通讯、通过串口二RS485协议与串口服务器进行通讯，第二无线电台与CPE无线网桥之间通过串口服务器进行协议转换，将RS485协议转换成TCP/IP协议，CPE无线网桥通过TCP/IP协议与串口服务器进行连接；控制器中SP485E接口芯片的DE和/RE引脚连接控制器的P1_7引脚，SP485E接口芯片的RO引脚连接控制器的P3_1引脚，SP485E接口芯片的DI引脚连接控制器的P3_0引脚，SP485E接口芯片的三个引脚与控制器的引脚连接之后进行焊接。

使用上述土壤水分分布及运移规律实验系统，包括以下步骤：

步骤1：监测与分析系统及所有的控制器进行系统初始化，用户通过智能手机或客户端通过电脑手动设定实验所需的喷灌强度以及喷灌时间。

步骤2：第二控制器通过长距离无线传输系统接收到控制指令，并实时将控制指令通过短距离无线传输系统转发给第一控制器，第一控制器接收到控制指令后通过继电器开启电控比例阀进行喷灌。

步骤3：第一控制器检测电磁阀状态，若电磁阀状态为开则发送指令给第二控制器，第二控制器定时每分钟轮询控制器(1…n)，若电磁阀状态为关，则重新开启继电器。

步骤4：控制器(1…n)接收到第二控制器的询问地址并进行判断是否询问相应的控制器，若是则进行AD采样传感器获取数据并发送数据给第二控制器，若不是则等待询问。

步骤5：第二控制器接收完控制器(1…n)的所有传感器数据后，通过长距离无线传输系统转发数据给用户和监测与分析系统。

步骤6：监测与分析系统判断是否到达设定的时间，若是则发送关闭指令给第二控制器同时转发给第一控制器关闭电磁阀，若未到达设定时间则继续喷灌和采集土壤水分数据。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，其特征在于，包括喷灌装置、n个土壤水分数据采集系统、无线传输系统、第二控制器、串口服务器及监测与分析系统，所述无线传输系统包括短距离无线传输系统和长距离无线传输系统，所述短距离无线传输系统与长距离无线传输系统之间通过第二控制器、串口服务器进行数据交换；

所述喷灌系统包括喷头、电控比例阀、继电器、第一控制器及水泵，其中喷头、水泵通过管路依次连接，第一控制器与继电器、电控比例阀一端通过导线依次连接，电控比例阀另一端连接在管路上；

所述土壤水分数据采集系统包括土壤水分传感器及控制器，其中控制器通过P1口与土壤水分传感器的0-5V信号线连接进行AD转换；

所述短距离无线传输系统包括第一无线电台、n个无线电台及第二无线电台，第一无线电台、无线电台均与第二无线电台进行无线传输；

所述长距离无线传输系统包括CPE无线网桥、通信基站、交换机、WEB服务器、网络交换机及INTERNET，CPE无线网桥与通信基站通过无线通信，通信基站与交换机、WEB服务器、网络交换机及INTERNET依次连接。

2.如权利要求1所述的一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，其特征在于，所述喷灌系统还包括过滤器，所述过滤器位于水泵和喷头之间的管路上。

3.如权利要求1所述的一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，其特征在于，所述监测与分析系统包括客户端或用户端，客户端与交换机进行有线连接，用户端通过INTERNET进行数据的获取和控制。

4.如权利要求3所述的一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，其特征在于，所述客户端为电脑应用程序，采用Visual Studio2012用C#语言进行编程，客户端包含数据显示功能，同时将每次采集的数据保存到本地数据库和中心数据库中，使用者可以通过智能手机到中心数据库共享数据，同时客户端带有图表绘制功能，可以将获取的数据按时间绘制成曲线并分析出水分值随时间的变化。

5.如权利要求3所述的一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，其特征在于，所述用户端为智能手机。

6.如权利要求1所述的一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，其特征在于，所述控制器均采用STC12C5A60S2单片机。

7.如权利要求1所述的一种丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，其特征在于，所述无线电台的频段范围为425-450M。

8.如权利要求1所述的丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统，其特征在于，所述第二控制器的串口一与第二无线电台进行通讯，第二控制器的串口二与串口服务器进行通讯，串口服务器与CPE无线网桥通过网线连接。

9.如权利要求1-8任意一项权利要求所述的丘陵地区土壤水分分布及运移规律远程监测与分析系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，监测与分析系统定时发送控制指令传输给第二控制器，实时通过第二无线电台转发控制指令给第一控制器开启电控比例阀进行喷灌，控制指令包括喷灌开启指令以及喷灌的强度。

步骤2，控制器1-n每间隔一分钟对土壤水分传感器1-n进行AD转换读取土壤水分值，其中第二无线电台与无线电台1-n采用主从轮询通讯，同时将土壤入渗水分值发送给第二控制器，第二控制器收到后实时转发给监测与分析系统显示并将数据保存到数据库中存储。

步骤3，喷灌一段时间后监测与分析系统发送关闭指令远程关闭电控比例阀关闭喷灌。