摘 要

Abstract II

1 绪论 1

1.1设计背景 1

1.2设计目的与现状 2

1.2.1设计目的 2

1.2.2研究现状 2

1.3主要内容 3

2 远程滴灌控制器的理论基础 5

2.1影响作物生长的因素 5

2.2影响作物水分含量的因素 6

2.2.1土壤湿度 6

2.2.2土壤温度 7

2.2.3光照强度 7

2.3土壤湿度的测定 8

2.3.1烘土法 9

2.3.2频域反射法 9

2.4本章小结 11

3 系统的总体设计 12

3.1 系统的功能需求 12

3.1.1 硬件功能需求 12

3.1.2 软件功能需求 13

3.2 设计方案 14

3.2.1 整体设计方案 14

3.2.2系统研发流程 15

3.3 算法设计 16

3.4本章小结 17

4 远程滴灌控制器的硬件设计 18

4.1主控模块设计 18

4.1.1主要原理 18

4.1.2单片机的系统设计 18

4.1.3最小系统设计 19

4.2传感器模块设计 20

4.2.1土壤湿度传感器模块 20

4.2.2土壤温度传感器模块 21

4.2.3光照强度传感器模块 22

4.3数据传输模块 22

4.3.1无线通信模块 22

4.3.2有线通信模块 23

4.4本章小结 24

5远程滴灌控制器软件设计 25

5.1软件系统设计 25

5.2土壤检测模块软件设计 25

5.2.1土壤湿度检测模块软件设计 25

5.2.2土壤温度检测模块软件设计 27

5.2.3光照强度检测模块软件设计 28

5.3信息传输模块软件设计 29

5.3.ZigBee无线通信模块软件设计 29

5.3.2 RS485有线通信模块软件设计 30

5.4 远端控制模块软件设计 31

5.5本章小结 32

6 远程滴灌控制器的调试 33

6.1传感器的调试 33

6.2远程滴灌控制器的调试 33

致 谢 34

参考文献 35

摘 要

传统的灌溉方式对于水资源的利用率十分低下，而我国幅员辽阔，在干旱地区没有充足的水资源进行传统的农业灌溉。在我国建国之初便对节水灌溉系统十分重视，当时我国的农业科研技术还不十分发达，只能通过引进国外的节水灌溉系统进行灌溉，而各地的发展不平均导致了节水灌溉的推广十分困难，进而导致了水资源的大量浪费，而在现代化农业生产中，这些问题也亟待解决。

本篇论文主要是对于在农业灌溉中的水资源的浪费与人力资源的浪费等问题的存在，设计的远程滴灌控制系统。远程滴灌技术相对于传统的农业浇灌有着诸多优点，如节省资源、精确灌溉、降低人力成本等。本文设计的远程滴灌控制器主要是由传感器收集土壤环境数据，将信息传输到单片机中，再通过信息传输网络传送到远程控制终端，达到远程控制的目的。

远程滴灌控制系统主要是通过传感器对土壤湿度进行测量，再将数据传输给自动滴灌系统。自动滴灌系统结合远程控制，对自动滴灌系统进行控制，实现远程滴灌控制。

由此，本篇毕业论文设计的是一个较为完善的远程滴灌控制器，相对于传统农业浇灌方式来说，有着节约资源、提高人工效率、精准控制等优点。

关键词：滴灌；远程控制；传感器；农业灌溉

Abstract

The utilization rate of traditional irrigation methods for water resources is very low, but China has a vast territory, there is no adequate water resources for traditional agricultural irrigation in arid areas. In our country at the beginning of the founding of water-saving irrigation system, attaches great importance to agricultural scientific research and technology in China at that time were not very rich, only through introducing foreign system of water-saving irrigation for irrigation, and the uneven around the development lead to the promotion of water-saving irrigation is very difficult, resulting in a large amount of waste water in modern agricultural production, these problems to be solved.

This paper is to design a remote drip irrigation control system for the problem of the waste of water resources and human resources in agricultural irrigation. Compared with traditional agricultural irrigation, remote drip irrigation has many advantages, such as saving resources, precision irrigation and reducing labor costs. The remote drip irrigation controller designed in this paper mainly collects soil environmental data by sensors, transmits the information to the single-chip microcomputer, and then transmits it to the remote control terminal through the information transmission network, so as to achieve the purpose of remote control.The remote drip irrigation control system mainly measures the soil moisture through the sensor and then transmits the data to the automatic drip irrigation system. Automatic drip irrigation system combined with remote control, the automatic drip irrigation system to control the realization of remote drip irrigation control.

Therefore, this thesis designs a relatively perfect remote drip irrigation controller, which has the advantages of saving resources, improving artificial efficiency and precise control compared with the traditional agricultural irrigation method.

Keywords: drip irrigation; Remote control; The sensor; Agricultural irrigation

1 绪论

1.1设计背景

我国虽然地大物博，总耕地面积排在世界前列，可是人口基数大，人均耕地面积仅为1.4亩，在全球二百多个国家中排在第126位，甚至还不到全球人均耕地面积的二分之一，形势十分严峻。我国的淡水资源储量很多，位列第四，可是人均水资源仅为2100立方米，为全球人均水资源的四分之一，全国有超过一半的城市地区处于缺水状态，水资源的匮乏已经成为燃眉之急。而传统农业的浇灌造成了淡水资源的极大浪费。即使近段时间来我国大力发展节水灌溉，可是水资源的匮乏仍然没有解决，仍然有极大一部分农业耕地使用着传统农业浇灌方式，滴灌等节水灌溉方式没有得到很好的普及。

节水灌溉方式对于农业灌溉的影响很大，良好的灌溉方式不仅仅可以节约资源、降低成本，还可以提升作物产量及质量。在我国农田中，使用最多的灌溉方式是浇灌及水渠沟灌，即在作物土壤之间挖掘水沟，通过水的渗透将其传输到作物根部。可是如果通过水渠沟灌的方式进行浇灌，对于水资源的利用率十分低下，而且对于土壤深层会有损坏。而且会造成土壤板结、灌溉不均匀等问题。如果使用滴灌技术，这些不足之处就会得到解决。就水资源方面来说，滴灌技术对水资源的利用率极高，相对于传统灌溉方式来说，水资源只需要原本的百分之四十，既能使用更少的水资源又能获得更好灌溉效果。而对于土壤方面来说，滴灌不需要挖掘灌溉水渠，只需要搭建滴灌通道，相对于挖掘水渠，搭建滴灌通道能更好的节省人力成本，更有利于搭建大规模的滴灌网络，提高单个劳动单位的效率，可以说是一举两得。综合水资源及土壤环境来说，采用滴灌方式能更好的提升作物质量及产量，适合作为未来的农业灌溉标准进行发展。

如今水资源的匮乏不容乐观，全球各地都在呼吁对水资源的节约，减少对水资源的浪费，我国的节水措施的采用也刻不容缓，如果不尽早采用合理的节水措施，水资源缺乏的形势将会日益严峻。我们应响应国家号召，采取节水措施，利用较为先进的技术对农业发展带来更多的发展与改进。由此，远程滴灌控制器是未来农业灌溉所必需。

1.2设计目的与现状

1.2.1设计目的

农业灌溉在我国历史悠久，在距今8000-10000年前就有着农业灌溉的雏形，但是这么多年来，我国仍然有大多数地方没有实现对水资源的高度利用，造成水资源的过度浪费。水渠沟灌这种较为原始的灌溉方式仍然十分常见，对土地及水资源的浪费和损害十分严重，不利于我国的可持续发展路线，而且无法保证作物的产量。对于传统灌溉方式也需要人工的长时间参与，无法实现真正意义上的扩大生产规模。自动化的远程滴灌技术需要通过传感器对土壤相关数据进行采集，再通过信息网络传输到远程控制端口，使用者通过在远程控制端口的操作及观测，对土壤进行灌溉，进行实时排查，实现对作物的严密监控，而保障了作物的良好生长状况，最大程度上减小了病虫害对作物的影响。而传统灌溉方式无法通过实时的监控对作物进行观测，只能通过劳动人员的经验进行判断、采取相关措施。因此，采用更为先进的滴灌控制在我国对能源及水资源的节约的背景下更为重要。不仅仅如此，对于人力的要求也会降低许多，使用远程滴灌控制器不再需要人为观测作物生长状况作出判断，只需要通过在远程控制端进行观测并对数据进行分析即可准确的获得作物的生长状况，减小经验因素对作物生长状况的影响，降低了人工的门槛，保证了作物的质量。可以说是一举两得，既减小了对水资源的浪费与环境的污染，又降低了人力成本。

1.2.2研究现状

早在一百五十多年以前，世界上就出现了滴灌的相关实验。德国首次开展了将农业的排水与管道技术的结合，实现对作物的滴灌，主要是通过管道埋入地下，对作物进行地下灌溉。即使只有最基础的滴灌模型，但是为以后的滴灌控制打下了良好的基础，实验中发现滴灌系统对水资源的利用是空前的，这引起了科学研究者极大的兴趣。而在上个世纪初，前苏联和法国也进行了滴灌实验，与德国进行的实验不同的是，他们没有仅仅使用瓦管进行灌溉，而是还应用了多孔管技术，虽然只是在管道材料与形状上进行改进，可是仍然是对滴灌技术进行探索，表现出了一代又一代科研人员对滴灌技术的不断探索。随着贝克兰对塑料的研究，这种高分子聚合物也被应用在管道材料上面，而管道也被应用在农业领域中，这是滴灌技术的里程碑。上个世纪五十年代，犹太人成功的研发出长流道滴管，使滴灌技术趋于成熟。几年后，一些发达国家开始大规模采用滴灌技术，使其成为农业灌溉中的主流。因为相对于传统灌溉方式而言，滴灌系统具有水的利用率高，人工效率高等优点，使得生产人员更倾向于采用此项技术。而今，物联网的蓬勃发展也为滴灌系统提供了更完备的管理方案。物联网技术的出现使得远程控制滴灌系统得到实现，将物联网技术应用于农业生产中去，体现了现在提倡的工业反哺农业的大趋势，二者的结合将大幅度提升农业产品的产值，增加作物的质量与数量。

许多西方国家都对农业发展十分重视，例如美国，在滴灌技术出现之时便大规模采用，如今走在了世界的前列，他们将自动控制技术与农业相结合，减少了水资源的浪费也减小了对土地的损害。同时，对传感器的应用使得他们对土壤状况，农作物生长状况有着更好的了解，实现了对作物生长的实时监控。

中国地大物博，农耕文明有着近万年的历史，可是由于各个地区发展的不均匀，使得滴灌系统没有大规模的应用到日常农耕当中，由于农耕方面的欠发达，灌溉用水的浪费情况十分严重，只有通过更好的节水灌溉方式才能解决燃眉之急。在现在的农业生产中，高效的利用水资源及人力资源刻不容缓，提高劳动单位的效率就可以大幅度提升中国农业的发展程度。随着物联网技术的发展，国家也在将物联网技术与现代化农业相结合，通过工业反哺农业，加快农业现代化的发展。通过近段时间的物联网技术，实现对土壤状况、农业活动的监控，加快信息时代农业的发展，改造传统的生产模式，扩大农业生产规模，新的时代的到来也代表着新的机遇的到来。只有抓住机会，才能迎头赶上，不错过任何机遇。在我国改革开放时期，已经开始引进国外先进的滴灌相关技术，结合我国现状，研究员将其分解消化，与实际情况相结合，吸收了多方的研究资料，最终才形成了一套我国自己的滴灌系统。虽然我国在欠发达时，灌溉技术与当时走在世界前列的一些国家有着很大的差距，可是我们从未放弃，抓住机遇，迎头赶上，如今已经有了初步的成效，有了一些研究成果。近二十年来，我国有着许多优秀的科研人员设计了较为完善的远程滴灌控制系统，近五年来，又结合了物联网技术，设计出基于物联网的远程滴灌控制系统。

由此可见，虽然我国在滴灌方面起步较晚，与国外的先进水平还有着不小的差距，可是科研人员仍在不懈的努力，迎头赶上，结合我国国情，发展出属于我们自己的现代化远程滴灌控制系统。

1.3主要内容

本文主要介绍了远程滴灌控制器，分析了相对其他几种灌溉方式来说滴灌的优势，设计了基于传感器的远程滴灌控制器。远程滴灌控制器分为四个部分。分别为：信息收集模块；自动滴灌模块；信息传输模块；远程控制模块。

信息收集模块主要是通过传感器收集土壤中的相关信息；自动滴灌模块是通过收集的信息进行自动滴灌；信息传输模块是将信息收集模块中传感器收集到的信息进行传输；远程控制模块是根据收到的信息对整个系统进行调控。这四个模块的结合实现了对农田的远程滴灌控制。

该系统可以通过对土壤中各个参数的测定对滴灌系统进行控制，达成远程自动控制滴灌系统的目的。

光照强度

土壤湿度

研究对象

土壤温度

研究内容

远程监控设计

数据的采集、解析、显示

硬件设计；软件设计

自动滴灌系统设计

图1.1 研究内容及对象

本篇论文主要由六个部分组成，主要构成有：

1. 绪论：介绍研究课题的研究背景与研究意义，对国内外相关技术研究的了解与学习，对以后相关技术的发展方向的学习。
2. 远程滴灌控制器的理论基础：主要介绍了远程滴灌控制器的理论基础，说明了在作物生长过程中水、肥的作用。表明了收集影响作物生长的相关因素数据，如土壤温度、湿度、光照强度，等的重要性。具体分析了如何进行数据收集，对相关检测方法进行了分析比较。
3. 远程滴灌控制器的总体设计：主要介绍了远程滴灌控制器的主要设计方案与自动滴灌系统中对各个参数的收集整合，实现自动控制的算法。主要设计方案有设计的整体功能、系统的硬件设计需要、系统的软件设计需要等。还介绍了整个系统的研究方案的研发流程。
4. 远程滴灌控制系统的硬件设计：主要介绍了远程滴灌控制器的工作原理，由系统的硬件设计需求来设计相关的硬件设计。主要的硬件模块有土壤温度、湿度传感器信息采集模块、信息传输模块、单片机系统设计模块。其中土壤温度、湿度传感器信息采集模块主要涵盖了土壤温度传感器的硬件电路设计、土壤湿度传感器的硬件电路设计、光照强度传感器的硬件电路设计。信息传输模块主要由无线通信模块与有线通信模块设计构成。
5. 远程滴灌控制系统的软件设计：主要介绍了远程滴灌控制器的软件设计，主要由远程监控模块、土壤信息收集模块、信息传输模块的软件设计组成。远程控制滴灌系统的土壤信息收集模块的软件设计主要由土壤温度传感器的软件设计、土壤湿度传感器的软件设计、光照强度传感器的软件设计组成。远程监控模块的软件设计主要是通过软件能够及时获取传感器收集的各个参数，通过对各个传感器进行数据分析，并且操作人员能够在远程实时控制自动滴灌系统的开闭。
6. 远程滴灌控制器的测试与分析：主要是对远程滴灌控制器进行相关测试，主要涵盖了对土壤环境传感器的测试与研究、综合各个传感器的相关参数，对传感器收集的数据进行误差分析，对整个远程滴灌控制器的远程控制效果进行分析与检测，测试其效果是否达到预期标准。

2 远程滴灌控制器的理论基础

2.1影响作物生长的因素

农作物的生长与水息息相关，水是生命之源，在农作物生长发育的过程中，水一直是起着不可替代的作用。在农作物的整个生长过程中，水的含量过多或者过少都会对作物产生影响，在水的含量极度溢出或极度匮乏时，农作物的生命活动将会受到致命性的影响，破坏农作物的产量，导致农作物死亡的情况也不在少数。

作物自身的水分含量与土壤湿度有着很大的关系，而在农作物的生长过程中，农作物的含水量也会随着外界环境的影响有着不同的变化。在一定程度下，良好的灌溉条件可以有效的控制土壤的湿度，由此来间接控制作物的含水量。例如在良好的灌溉条件下，土壤的湿度会有显著的提升，作物也会从土壤中吸收更多的水分；反之，如果没有足够好的灌溉条件，土壤的含水量就会降低，作物也很难从中吸收到充足的水分，并且由于土壤湿度过低，将会造成土壤板结，使作物的各个部分被土壤撕扯，造成作物死亡。可是如果土壤湿度过高，其中的氧气含量就会减少，作物根部就无法进行有氧呼吸，导致植物根部只能进行无氧呼吸，产生大量酒精，使得根部腐烂，甚至导致农作物的死亡。因此，只有合适的土壤湿度才能保证农作物的正常生长。

2.2影响作物水分含量的因素

农作物的生长过程中，水分的含量尤为重要。影响农作物自身水分含量的最直接因素就是土壤含水量，即为土壤湿度。而土壤温度和光照强度也会对农作物的耗水量产生影响，从而导致农作物自身含水量的变化，如土壤温度和光照强度过高时，水的蒸腾作用就会加速，加快了水的流失，减小了作物的自身含水量，影响作物生长。

2.2.1土壤湿度

在农作物的整个生长过程中，水分的主要来源就是土壤中的水分，即为土壤湿度。土壤湿度的不同会很快反应到作物含水量中去。合适的土壤湿度可以使农作物的发育正常，而土壤湿度的过高或者过低都会导致作物的生长发育不良，降低作物产值。在采用滴灌控制的时候，通过缓慢的给水给肥，不会导致土壤湿度的急剧变化，还会减少水分的蒸发量，降低水的损失。而且由于滴灌的作用方式的缓慢而持续的，土壤湿度会处于一个较为平衡的点，使得作物的生长状态得到保证。

作物的生长发育状况受土壤湿度的影响十分严重。当土壤湿度过低时，会造成植物缺水，作物的生命活动离不开水的参与，水的缺失导致新陈代谢的降低，植物的生长受到影响。而土壤湿度过高时，土壤中的氧气含量会减少，使得作物根部进行无氧呼吸，产生大量的酒精，导致烂根。当土壤湿度过高时，不仅仅会导致作物的减产，严重时还会导致作物的死亡，造成不可挽回的严重后果。相较而言，滴灌可以较好的控制土壤湿度，而传感器可以实时的进行检测与信息收集，最大程度的避免土壤湿度过高或者过低的情况发生，使其维持在一个较为恰当的数值。

2.2.2土壤温度

在土壤温度过高时，由于温度的提升会加快水的蒸腾作用，土壤中的水分蒸发会加快，土壤中的水分含量会减少，农作物本身的含水量也会减少；在土壤的温度降低时，水的蒸发会减少，土壤中的水分含量、作物自身的含水量也会减少。由此，土壤温度对于作物的生长也起着至关重要的作用。并且土壤温度不仅仅影响着土壤湿度和作物含水量，还会影响到作物自身的生命活动。例如温度影响到作物内部各个生化反应的活性，也影响到酶的合成，直接对作物的生长产生影响。当土壤的温度过高时，因为大部分生物体内的酶都是蛋白质，蛋白质处于过热环境下会产生变性，失去活性，导致酶参与的相关生命活动被抑制。例如参与植物呼吸作用的酶在失活之后，无法对植物的呼吸作用进行催化，导致植物的呼吸效率的降低，使得植物的生长发育受到抑制。而在温度过低时，虽然酶不会因为温度过低而变性，可是温度过低也影响到酶的活性，较低的酶的活性会降低作物体内相关生化反应效率。由此可得，过低或者过高的土壤温度不仅仅会影响到植物的含水量，还会影响到植物自身的生化反应，导致作物减产，严重时甚至会导致作物的死亡。

2.2.3光照强度

光照强度影响着植物的光合作用和植物自身的含水量。在一定范围内，植物的光合作用随着光照强度的提升而增强，光合作用可以使得空气中游离的碳被固定，经过一系列生化反应生成糖类等生命活动必需物质。光合作用越强，植物自身的生长状况越好。可是当光照强度过高时，会灼伤叶片，导致植物叶片上面的气孔关闭，无法从空气中吸收二氧化碳，使得光合作用的强度降低，使得植物的生长发育不良。农作物的光合作用是作物吸收外界营养转化成自身营养成分的一个重要生命活动，其式子表达如下：

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