（农业机械化工程专业论文）基于gsm的果园土壤湿度智能监控系统设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑j 垦盔些盘堂或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：时匈p 签字日期：训年月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦壅些盘堂有关保留及使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权塑皇堡盔些盘堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名： 签字r 期：列年舌月罗同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 别雠：郴啼 签字同期：为，年月；t 7 电话： 邮编： 一1 摘要 在果园的生产管理中，环境对果树的生长发育、栽培技术的实施、病虫害的预 防等有着极其重要的影响。其中，土壤水分对果树生长的影响尤为重要。土壤水分 的变动直接影响着果树发育和果实品质，对果树的生长、存活等具有重要的意义。 根据对果园的调查和对果农的走访情况进行研究分析，结果发现果农对土壤水分信 息的获取一般都是凭借经验，科学度低、时效性差。难以保证监测的实时性和有效 性，在技术上和经济上落后。国外的土壤湿度监控产品在技术上比较成熟，但价格 昂贵，高校或科研院所还可以接受，但对于普通农户却难以接受。我国的一些相关 产品能进行信息的采集、处理和传递，但不具有远程无线数据传输、智能控制等功 能。在果园特定场合环境下，不能满足要求。为此，综合利用传感器技术、无线通 讯技术及模糊控制技术，研制一种适合中国国情具有土壤水分信息快速提取、数据 远程传输、智能监控灌溉等功能的果园土壤湿度监控系统，对于营造果树适宜的生 长环境，势在必行。 本文对监控系统的研究背景、意义及国内外发展现状进行了系统分析。在果园 的实际环境状况的基础上，针对有线系统监测布线不灵活或长时无人监测等特点， 提出一种利用g s m 模块以短信息的方式进行数据远程传输的方案，进行系统设计 和技术集成，并对数据传输的可靠性和f 确率进行了系统试验。 本文对监控系统的总体结构进行了整体舰划，制定了土壤湿度的采集、数据传 输及控制方案。监控系统主要选用低功耗芯片，以m s p 4 3 0 f 1 4 9 微处理器为核心， 采用中断方式，在i a r 丌发环境下，运用c 语言。完成主程序、键盘扫描、显示、 数据采集、g s m 短息收发等程序的设计，实现土壤水分、灌溉流量信息的定时采 集与处理，无线数据传输和报警，模糊控制自动灌溉等功能。同时，监控系统可通 过1 2 8 6 4 l c d 模块显示实时和历史土壤湿度数据：通过4 x 4 按键模块设置系统参数 变量；通过f m 31 2 5 6 芯片最大可存储3 0 0 0 0 条数据信息。 该监控系统具有低功耗、数据传输距离不受限制等特点，可以实现2 4 小时不 问断的监测及有效控制。同时，系统采用电池和太阳能两种供电模式，满足果园的 特殊场合需求，达到预期目的。 关键词：果园；土壤湿度；低功耗；g s m ；模糊控制：智能灌溉； s m a r to r c h a r ds o i lm o i s t u r em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y c a n d i d a t e ：y en a s p e c i a l t y ：a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：l i uj u n f e n g a b s t r a c t p r o d u c t i o nt h e m a n a g e m e n t i nt h eo r c h a r d ，e n v i r o n m e n to ng r o w t ha n d d e v e l o p m e n to ff r u i tt r e e s ，c u l t i v a t i o nt e c h n o l o g yi m p l e m e n t a t i o n ，p r e v e n t i o no fp e s t s a n dd i s e a s e sh a v ea ne x t r e m e l yi m p o r t a n ti n f l u e n c e a m o n gt h e m ，t h ei m p a c t so fs o i l m o i s t u r eo nt h ef r u i tt r e e sa r ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t s o i lm o i s t u r ei sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to ff r u i tt r e e sa n dt h ef o u n d a t i o no fa l lb i o l o g i c a ll i f ea c t i v i t i e s c h a n g e si n s o i lm o i s t u r ew h i c hd i r e c t l ya f f e c tf r u i td e v e l o p m e n ta n dq u a l i t y ，i se x t r e m e l yi m p o r t a n t t ot h ef r u i tg r o w t h ，s u r v i v a la n do t h e r s ，a c c o r d i n gt oas u r v e ya n da n a l y s i so fl o c a l o r c h a r d sa n dg r o w e r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o l l e c t i o no fs o i lm o i s t u r ei n f o r m a t i o n c o m m o n l yu s e db ya r t i f i c i a lm e a n s ，w h i c ha r eg e n e r a l l y u s e dc h e m i c a lm e t h o d st o d i r e c t l yo b s e r v eo re x p e r i e n c et h eo r c h a r ds i t u a t i o nb ys t a f f d u et ot h eh e a v yw o r k l o a d ， t i m e c o n s u m i n g 1 a b o r i n t e n s i v ea n dt i m e l i n e s s p o o r ，t h e e n dr e s u l ti sv u l n e r a b l et o i n t e r f e r e n c e d i f f i c u l tt og u a r a n t e er e a l t i m em o n i t o r i n ga n de f f e c t i v e n e s s t e c h n i c a l l y a n de c o n o m i c a l l ys p e a k i n g ，i t sv e r yb a c k w a r d d u et of o r e i g np r o d u c t sa r et e c h n i c a l l y m a t u r e ，b u tt h ep r i c ei sq u i t ee x p e n s i v e ，u n i v e r s i t i e so rr e s e a r c hi n s t i t u t e sc a na c c e p t ， w h i l eo r d i n a r yf a r m e r sa r ed i f f i c u l tt oa c c e p t ap a r to fo u rp r o d u c t sc a no n l yb eas i m p l e i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n ，w h i l ed o e sn o th a v el o n g r a n g e w i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o na n di n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 a sar e s u l tt h e yc a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t si n s o m ec a s e s 。t ot h i se n d ，c o m p r e h e n s i v e l yu s i n gs e n s o rt e c h n o l o g y ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n df u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y ，d e v e l o p i n ga m o n i t o r i n gs y s t e mo fs o i im o i s t u r em e e t i n gc h i n e s ec o n s i d e r a t i o n ，w h i c hh a sf u n c t i o n s w i t hr a p i de x t r a c t i o no fs o i lm o i s t u r ei n f o r m a t i o n r e m o t ed a t at r a n s m i s s i o na n d i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gi r r i g a t i o n ，t oc r e a t eas u i t a b l ee n v i r o n m e n tf o rt h eg r o w t ho ff r u i t t r e e sh a sb e e ni m p e r a t i v e t h i sp a p e rh a ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e db o t ho nt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f m o n i t o r i n gs y s t e ma n do nt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa th o m ea n da b r o a d b a s e do nt h e a c t u a ls t a t eo ft h eo r c h a r de n v i r o n m e n t ，f o rt h ef e a t u r e so fi n c o n v e n i e n c ew i r i n ga n d l o n g t e r m u n a t t e n d e dm o n i t o r i n g ，f o ri t sl o n g t e r mu n a t t e n d e dm o n i t o r i n gf e a t u r e s ， p r o p o s ead a t ar e m o t et r a n s f e rp r o g r a mu s i n gg s m m o d u l eb yt h ew a yo fs h o r tm e s s a g e a n dc a r r yo u tas y s t e mt r i a l sa b o u tr e l i a b i l i t ya n dc o r r e c tr a t eo fd a t at r a n s m i s s i o n t h i sp a p e ro v e r a l lp l a n e dt h ew h o l em o n i t o r i n gs y s t e ms t r u c t u r ea n dd e v e l o p e da s o i lm o i s t u r ec o l l e c t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lp r o g r a m m o n i t o r i n gs y s t e mi s m a i n l yu s e dl o w p o w e rc h i p s ，w h i c hi sc o r eo fm s p 4 3 0 f 14 9m i c r o p r o c e s s o ra n da d o p t i n t e r r u p tp r o g r a m i nt h ei a rd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，u s i n gcl a n g u a g et oc o m p l e t e t h em a i np r o g r a m ，k e y b o a r ds c a n n i n g ，d i s p l a y ，d a t aa c q u i s i t i o n ，g s mt r a n s c e i v e ra n d o t h e r s h o r tp r o g r a md e s i g na c h i e v ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no fs o i l m o i s t u r ea n di r r i g a t i o nf l o wo nt i m e ，w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o na n da l a r m ，a n df u z z y c o n t r o la u t o m a t i ci r r i g a t i o n m e a n w h i l e ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mc a nd i s p l a yr e a l - t i m es o i l m o i s t u r ei n f o r m a t i o nb yt h e12 8 6 4 l c dm o d u l e ，s e ts y s t e mv a r i a b l ep a r a m e t e r sb y4 x 4 k e y p a dm o d u l ea n ds t o r e3 0 0 0 0p i e c e so f d a t ai n f o r m a t i o nb yf m 312 5 6c h i p t h em o n i t o r i n gs y s t e mw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n du n l i m i t e dd a t at r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c sc a nr e a l i z e2 4 一h o u rm o n i t o r i n ga n de f f e c t i v ec o n t r 0 1 a tt h es a m et i m ei t p o w e r e db yb a t t e r i e sa n ds o l a rp o w e rt om e e tt h es p e c i a lo c c a s i o n sn e e d so ft h eo r c h a r d c a na c h i e v et h ed e s i r e dp u r p o s e k e yw o r d s ：o r c h a r d ；s o i lm o i s t u r e ；l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ；g s m ；f u z z yc o n t r o l ； i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fi r r i g a t i o n ； 目录 l 引言l 1 1 研究背景1 1 2 监控系统的国内外发展现状1 1 2 1 国外研究现状综述1 1 2 2 国内研究现状综述2 1 3 研究的目的与意义2 1 4 主要研究内容3 2 监控系统的总体方案设计4 2 1 监控系统的总体结构4 2 2 土壤湿度采集方案5 2 3 远程数据传输方案5 2 4 智能控制方案6 2 5 本章小结6 3 监控系统的硬件设计7 3 1 低功耗核心处理电路的设计7 。3 1 1 核心控制芯片的选型7 3 1 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 的复位电路8 3 1 3m s p 4 3 0 f 1 4 9 的时钟系统电路9 3 2 低功耗电源处理的设计l o 3 2 1 供电模块的设计1 0 3 2 2 电源稳压电路的设计1 0 3 3 数据采集模块的设计1 l 3 3 1 土壤湿度检测技术1 l 3 3 2f d r 频域反射原理1 l 3 3 3 土壤湿度传感器m l 2 x 1 2 3 3 4m l 2 x 硬件电路图1 3 3 3 5 灌溉流量采集电路1 4 3 4 无线数据传输模块的电路设计1 4 3 4 1g s m 模块简介1 4 3 4 2g s m 电源电路设计1 5 3 4 3g s m 接口电路设计17 3 5 人机交互及存储模块的设计2 0 3 5 1 液晶模块的电路设计2 0 3 5 2 按键模块的电路设计2 l 3 5 3 存储模块的电路设计2 1 3 6 本章小结2 2 4 监控系统的软件设计2 3 4 1 系统软件丌发工具及丌发语苦一2 3 4 1 1m s p 4 3 0 单片机丌发平台i a r 2 3 4 1 2m s p 4 3 0 单片机丌发语言的选择2 4 4 2 存储模块的软件设计2 4 4 3 系统实时时钟的软件设计2 6 4 4 数据采集模块的软件设计2 8 4 5 人机交互模块的软件设计2 9 4 5 1 按键模块的软件设计2 9 4 5 2 液晶模块的软件设计3 3 4 6g s m 模块的软件设汁3 5 4 6 1g s m 短消息业务3 5 4 6 2a t 命令简介3 6 4 6 3 短信息模式3 7 4 6 4 发送短信程序设计3 9 4 6 5 接收短信程序设计4 0 4 7 系统整体流程图4 2 4 8 本章小结4 3 5 智能控制方案的设计4 4 5 1 模糊控制器的设计- 4 4 5 1 1 模糊输入4 5 5 1 2 离散模糊化4 5 5 2 模糊控制规则及模糊推理4 6 5 2 1 模糊控制规则4 6 5 2 2 模糊控制规则表4 7 5 3 模糊控制器程序编写4 7 5 4 本章小结4 8 6 系统实验与结论4 9 6 1 系统实验方案4 9 6 2 系统低功耗的验证5 0 6 3 结论_ 5 2 6 4 展望5 3 参考文献5 4 在读期i 日j 发表的学术论文：5 6 作者简历5 8 致i 射5 9 基于g s m 的果冈十壤湿度智能监控系统设汁 1 1 研究背景 l 引言 我国自1 9 9 6 年以来，已经成为世界节果的主要生产国之一，将近有4 8 0 0 万农 民直接或问接的从事节果生产。我国的优质果率也己达到4 0 以上。果树种植面积 还在不断上升，总产量己超3 0 0 0 万吨，已跃居世界首位【i - 2 】。与世界节果先进生产 国家相比，我国的节果生产还存在很大的差距。主要表现为单位面积产量低、果品 质量差、经济效益不高、在国际鲜果市场上的占有份额少。随着节果总量的持续增 加，总体价格的不断下降，节果产业f 逐渐向集约化、机械化、标准化、优质化方 向发展【3 】o 要使节果产业经济健康持续稳定的发展，必须发展精细农业，即实时地获取果 园中每个小区土壤、果树的信息，诊断果树的长势和产量在空间上差异的原因，并 按每一个小区做出决策，准确地在每一个小区上进行灌溉、施肥，以达到最大限度 地提高水、肥的利用效率，增加产量，减少环境的污染，提高灌溉水利用率，改善 果树生产技术措施，提高节果产量和果品质量。在果园的生产管理中，坏境对果树 的生长发育、栽培技术的实施、病虫害的预防等产生极其重要的影n l ；j 4 。 数据采集是环境监测的重要组成部分，尤其是土壤水分作为果树生长的必不可 少的条件被果树根系吸收后，在果树体内流动并进行光合作用形成一个有机循坏。 当土壤水分状况改变时，将直接影n l h j n 整个水分循环的进行，进而直接影响到果树 生长代谢的各个方面。因此，土壤水分的变化对果树的生长有着重要的影响。但长 期以来，工作人员对七壤湿度的获取一般都是凭借经验，科学度低、时效性差。难 以保证监测的实时性和有效性，在技术上和经济上都是非常落后。已经跟彳i 上精细 管理的步伐，土壤水分信息需要进行实时监测，彳能到达及时、精准控制的效果。 现在国内外都致力于研究精度更高、体积更小、功耗更低、功能更齐全的智能型土 壤湿度监控仪，市场上相继出现了不同特色的监控仪。国 熟，但是价格却相当昂贵，高校和科研院所还町以接受， 受。我国的一些产品只能简单进行信息的采集、处理和传 传输、智能控制等功能。在许多场合环境下，这些产品不 为此，研制一种适合中国国情的土壤湿度监控系统， 取、土壤信息远程传输、自动监控灌溉等功能，对实现果 具有重要意义。 1 2 监控系统的国内外发展现状 1 2 1 国外研究现状综述 河北农业大学硕十学位( 毕业) 论义 在一些发达的国家，如美国、荷兰、同本、加拿大、英国、法国等环境监控系 统起步也较早、发展较快的国家，监控技术已经得到了广泛的普及和应用【4 7 】。美国、 荷兰等国家已经在大部分果园、农场中装备了监控计算机，采用专家系统对土壤湿 度进行调控，根据果树的生长特性制订特定的灌溉条件，创造出适宜果树生长的条 件。这已经在生产中发挥了积极的作用，取得了显著的经济效益。这些国家的监控 系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要信息的显示，可绘制出设定参数曲 线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以 便于必要的数据查询。上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同 时还能够很好地完成灌溉、气候的控制和管理 8 - 9 1 。荷兰的s w a n 5 是在作物生长模 拟模型和土壤水分、养分运移过程模型研究基础上，完成两类模型的初步整合。同 时还具有远程监控功能，如美国c a m p b e l l 公司生产的c r l 0 0 0 数据采集仪，它是利 用无线网络进行数据的远程传输。 1 2 2 国内研究现状综述 目自订，国内的土壤湿度监控系统有两类，一类是传统的环境监测系统，其功能 比较齐全，具有多环境参数的采集及监控，但造价昂贵，系统复杂，在电源供给困 难的区域不易部署，同时仃置一旦完毕，就很难根据监测现场灵活改变布局，重新 布置会带来巨大的成本消耗，系统重用性差【4 7 1 。另一类是定点、定时监测的便携式 监测系统，可以实现信息的采集、处理、传递等各个环节，但还不能解决功耗大， 通讯距离短，智能程度低的缺点。例如它的通讯方式一般采用的是r s 2 3 2 或无线电 一 台的频段作为通讯方式。这种监控方式存在传输距离短，传输信号不稳定、易受气 象干扰等缺点，只能局限用于小范围的温室内，而不能应用于大范围的果园地区， 限制了系统的使用范围及推广【1 0 l 。 因此，研制、丌发具有适合我国国情的功耗低、性能稳定、通讯距离不受限制 的监控系统具有很重要的意义。本文中采用g s m 模块实现远程通讯功能，它具有 信号稳定、覆盖范围广、价格便宜、永远在线等特点，特别适用于需频繁传送小流 量数据的监测领域。 1 3 研究的目的与意义 水分是果树的重要组成部分，是一切生物生命活动的基础。土壤中矿物元素的 吸收、运输、分配，叶片通过光合作用进行有机物的合成等一系列生理生化反应都 离不丌水分。果树生长发育的各个时期都离不丌水分，叶面进行蒸腾作用时，要消 耗大量的水分，调节树体温度，肥料要通过水分j 能为果树提供营养物质【5 】。 当土壤水分状况改变时，将直接影响到整个水分循坏的进行，进而影响到果树 生长代谢的各个方面。如果水分不足，根系吸收的水分的速度不能满足叶片蒸腾消 耗，叶片蒸腾作用就会减弱，甚至停止。同时叶片会出现凋萎状态，则根的吸收功 基于g s m 的果冈十壤湿度智能监控系统设汁 能与合成功能受阻，细胞分裂速度迟缓，肥料将无法吸收，将会导致果实的营养含 量减少、果实品质下降。若水分过多，土壤含水量达到饱和或过饱和状念，土壤中 的孔隙就会被水分全部占满，则会使壤中的氧气减少，果树根部呼吸的水分减少， 从而影响植果树的水分代谢，减缓果树的营养吸收，阻滞果树的生长，严重时会发 生渍害f 5 1 。因此，在果树的萌芽、丌花前、新梢速长期、果树膨大期以及果实近成 熟期都要及时适量的供给水分，保证节果萨常生长发育的需要【6 】。土壤水分是果树 维持生命活动的基本条件，它对果树的生长、存活、净生产力等具有极其重要的意 义。 综合利用传感器技术、无线通讯技术及模糊控制技术对土壤湿度进行智能监测 和调控节水灌溉，营造适宜的生长环境，已经势在必行。因此，为果园环境监控配 备一个良好的监控系统不仅可取得显著的经济效益，而且有着不可估量的社会效 益。 1 4 主要研究内容 本文结合我国的实际情况，采用g s m 无线通讯技术和模糊控制技术，针对果 树所需水分的要求设计具有远程交互功能的监控系统。硬件电路主要由m s p 4 3 0 控 制器、数据采集电路、g s m 远程通讯模块、电源处理模块及灌溉控制电路组成。 本课题主要研究内容如下： 1 将湿度传感器、流量传感器采集到的湿度、流量信号通过调理电路送入 m s p 4 3 0 f 1 4 9 核心控制器，进行模数转换，实现自动采集土壤湿度、给水流量等信 息的功能。 2 通过模数转换器将传感器采集到模拟电压信号转化成为数字信号，并将数 字信号经过运算处理后存储到非易失性存储器f m 3 1 2 5 6 中，保证系统掉电后数据 不会丢失。 3 利用1 2 8 6 4 l c d 液晶显示屏和按键模块，实现人机交互功能及实时显示数 据、时间、系统配置等功能。 4 设计g s m 模块电路及应用程序，实现以短信的方式向用户发送土壤湿度信 息，收取用户的手机短信进行解码，并执行相应命令等功能。 5 研究最优的模糊控制规则，c p u 通过智能控制算法达到精确灌溉功能。 6 设计并优化电源模块，加强其实际运行的需求实现太阳能供电与电池供 电的切换，并在硬件和软件两方面进行低功耗设计。 3 河北农业大学硕十学f 节( 毕业) 论文 2 r m 七控系统的1 凸1 2 , - 体方案设计 二 】工刁r 纠l 日j1 个j 勿亡d - ，l 2 1 监控系统的总体结构 土壤湿度监控系统主要是以m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机为核心部件，通过对数据采集、 数据处理、g s m 、人机交互、电源处理等模块的设计，实现土壤水分、灌溉流量信 息的自动采集、实时显示、无线传输、灌溉控制等功能。系统整体结构见图2 1 ： 图二i 系统结构框图 f ? i g 2 一il b h ) c kd i a g r a m i 憋i 1 1 本系统主要实现在大范围地区的土壤湿度的自动采集和智能控制，数据直接存 入固定存储器：可以实现2 4 小时连续不问断的实时监测及有效 下： 通过传感器实时采集土壤湿度和给水流量等数据。 通过液晶模块实时显示采集到的数据、系统时间、g s m 接收用户反馈信息等。 通过按键模块对湿度上下限、数据存储问隔、用户号码 参数进行设置。 通过存储芯片将湿度、流量、时间、系统配置等信息进 用户查看历史数据。 通过g s m 模块以短信的方式向用户发送土壤湿度信息 短信进行解码，并执行相应命令。 4 基于g s m 的果冈十壤湿度智能监控系统设汁 根据解析出的用户命令，应用模糊控制技术实现精准灌溉 电源模块设计为双重供电模式，即太阳能供电与电池供电的切换。 2 2 土壤湿度采集方案 土壤水分是果树生长必不可少的条件。土壤湿度过低时果树吸水困难，甚至凋 萎；而湿度过高，又会发生渍害。果树要获得满意的收成，对土壤湿度的监测及调 控十分重要。土壤湿度的监控靠人工去完成已远远不能满足需要，果园的自动化控 制水平已经成为制约我国水果产业发展的主要因素【6 】。土壤湿度同时也是果园灌溉 管理的重要参量。特别是随着水源危机同益突出，国内外对节水农业研究都给予高 度重视，土壤含水量也就成了节水农业研究中经常测定的项目。 土壤湿度检测研究朝着快速、准确、安全、非破坏、低成本和易操作的方向发 展，测定有很多方法。最具有代表性的有烘干法、射线法、频域反射法( f d r ) 和时 域反射法( t d r ) t l 1 。本系统综合考虑环境、价格、功耗等各个因素，选用英国d e l t a t 设备公司制造的m l 2 x 土壤湿度传感器。它采用的f d r 原理进行湿度采集，具有 快速、连续、准确测量，精度高等优点，适于长时定点观测。一般出厂时已完成标 定，使用时不需再次标定，测量范围广( 含水量o 1 0 0 ) ，操作简便，野外和室内 都可使用。 2 3 远程数据传输方案 一目i 订，国内研究的无线通信方式普遍采用的是利用信号在某频段范围内进行传 输，仅仅能够实现短距离的数据无线传输。这种通讯方式存在通讯距离短、频段信 号接收不稳定，易受气象干扰等缺点，越来越不能满足用户的需求。因此本系统以 传输足巨离长、不易受干扰、收发稳定为目的，采用g s m 模块通过串口与单片机进 行通讯，从而实现数据的无线传输功能。 国内已经丌始使用的g s m 模块有中兴的z x g m l8 系列、爱立信的d m l 0 d m 2 0 系列、w a v e c o m e 的w m 0 2 系列、f a l c o m 的a 2 d 系列和s i e m e n s 的t c 3 5 系列。 本系统采用的是s i e m e n s 公司生产的g s m 模块t c 3 5 i 。此模块据有体积小巧、功耗 低、便于集成等特点，成为目自矿比较流行的一个无线传输模块【1 2 】。与实际的手机应 用相比，串口通信和g s m 网络信号传输的延迟远远小于人为操作( 如键盘输入等) 所占用的时i 瑚，所以系统的性能可以满足基本应用的需要。 g s m 模块的短信息! 务是移动通信部门利用g s m 网络提供的基于数据分组交 换的一项增值业务，是利用手机将文字或数字信息传送到移动网络上储存和转寄的 过程，属于一种非实时的、非语音的数据通信业务。g s m 网络经过多年发展已经 非常成熟，信号稳定、盲区少、通讯距离不受限制和环境影响，尤其是g s m 短信 息，灵活方便，可以跨省市，甚至跨国传送数据信息，并且价格非常便宜，仅仅需 要0 1 元即可发送一条信息【0 3 1 。已经得到越来越多的系统运营商和系统丌发商的重 5 河北农业大学坝十学化( 牛业) 论文 视，成为诸多领域远程监控的一种通信手段，特别适用于需频繁传送小流量数据的 监测领域。因此，利用短信息来实现各种检测、监控数据和控制命令的数据通信系 统是非常可行的方案。 2 4 智能控制方案 果树的需水量受很多因素的影响，主要表现在不同季节、不同时段和不同天气情 况下果树的需水量是有差异的。例如，夏季温度较高，蒸腾作用要大于其它季节，并 且是果树成果期，需要大量的水分供给果实的成长，因此需水量要大于其它季节。同 一个季节同一天不同时i 日j 段的需水量同样也有差别，早晨和傍晚是果树吸收水分的最 佳时问，中午温度较高，会影响果树的蒸腾作用。因此，通过设计控制灌溉方案来协 调不同季节j 不同时段和不同天气情况下果树给水量与需水量之问的关系。 由于果树的需水量无法建立精确的数学模型，用准确的解析式表示非常困难，因 而试图用指定果树需水量的数学方法对本系统的实施有了局限性。而模糊控制技术恰 恰是以人的经验和知识为依据，模仿人的思维方式和控制经验来进行控制的一种技 术，不需要建立相应的数学模型【1 4 】。 因此，本系统采用定量和定性相结合的模糊控制方法实现对灌溉时间的控制。 模糊控制是利用人们的定性经验、逻辑推理功能和记忆学习相结合的控制方法，在 实际应用中取得了很多有价值的成果。它充分吸收数学和自动控制原理等知以，把 定性的知谚3 和定量的知识结合起来，做到取长补短，在实时控制方面取得较好的效 果。 2 5 本章小结 本章主要介绍监控系统的整体规划结构和各个相应模块的设计方案。各模 过m s p 4 3 0 单片机紧密的结合起来，实现在大范围的果园环境中的自动灌溉功 即通过土壤湿度、灌溉流量传感器实现果园环境数据的采取：通过g s m 模块 数据的无线传输；通过智能控制模块实现自动灌溉。其它功能模块在下面的章 具体讲解。 6 基于g s m 的果冈十壤湿度智能监控系统设计 3 监控系统的硬件设计 3 1 低功耗核心处理电路的设计 3 1 1 核心控制芯片的选型 本系统选用的是m s p 4 3 0 系列单片机，由于其具有超低功耗、精简指令系统、 高度集成内核等特点，已经在国内被广泛的应用于电子系统开发领域。本系统选用 型号为m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，由c p u 、存储器和外围模块组成，这些部件通过内部地址总 线、数据总线和控制总线相连构成单片微机系统【1 5 - 1 6 1 。 1 c p u ：m s p 4 3 0 的c p u 采用1 6 位精简指令系统，集成有1 6 个寄存器和常 数发生器，发挥了最高的代码效率。它的结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而 设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样 可以提高指令执行速度和效率，增强m s p 4 3 0 的实时处理能力。它的1 6 个寄存器 用于缩短指令执行周期，可以在一个周期内完成寄存器与寄存器间的操作，非常适 用于低功率、长时问工作要求的应用场合。 2 存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。m s p 4 3 0 采用“冯 纽曼结构”，即程序存储器和数据存储器由同一地址及数据总线放在一个地址空间 中。可以使得对外圈模块寄存器的操作像普通的r a m 单元一样方便、灵活。m s p 4 3 0 存储器的信息类型丰富，并具有很强的系统外围模块扩展能力。 3 外围模块：经过m a b 、m d b 、中断服务及请求线与c p u 相连。m s p 4 3 0 f 1 4 9 包含的外围模块分别是：时钟模块、看门狗、定时器a 、定时器b 、比较器a 、串 口0 1 、硬件乘法器、模数转换、数模转换、端口、基本定时器等。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机主要有以下特点【1 5 6 1 ： 1 超低功耗：m s p 4 3 0 单片机在硬件结构上具有实现超低功耗的先天优势： c p u 中包含1 6 位寄存器用于缩短指令执行时间，可以在一个时钟周期( 1 2 5 n s ) 内完 成寄存器与寄存器问的操作。c p u 的额定工作电流为0 1 4 0 0 1 t a ，额定电压仅为 1 8 3 6 v ，有效降低了系统功耗。在软件上通过休眠模式减少c p u 的运行时间，能 够将运行功耗控制在微安级，从待机到唤醒模式相应时间不超过6 u s ，延长了待机 时间并使启动更加迅速。 2 有丰富的片上外围模块：通过数据总线、地址总线和和控制总线和c p u 相 连的外围模块，可以通过所有内存操作指令进行控制。m s p 4 3 0 f 1 4 9 包含了：片内 1 2 位a d ，精密模拟比较器，硬件乘法器，看门狗( w d t ) ，模拟比较器a ，转换定 时器a ( t i m e ra ) ，定时器b ( t i m e rb ) ，片内u s a r t ，多个i o 具有丰富的中断能 力，直接数据存取( d m a ) ，片内可编程振荡器，3 2 k h z 晶振，4 5 0 k h z - 8 m h z 晶振 虚盘 。q 。o 3 强大的处理功能：源操作数有七种寻址模式、目的操作数有四种寻址模式、 河北农业大学颁- t 学位( 毕业) 论文 仅仅2 7 条核心指令、优先级嵌套中断结构、大寄存器组、程序可在r a m 中执行、 直接查表处理、快速的1 6 进制与1 0 进制的转换。 4 系统工作稳定：上电复位后，首先由d c oc l k 启动c p u ，以保证程序从 正确的位置丌始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间