摘 要
近几年来，随着全球水资源的日趋紧张，世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。节水灌溉技术是为了解决水资源不足，提高灌溉效率而发展起来的现代灌溉技术之一。自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况，灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因，节水灌溉作为一项现代化的工程技术，无论是工程节水、农业节水，还是管理节水都必须建立在节水灌溉设备实现产业化生产的基础上。
本课题设计了一个智能灌溉系统，该系统以AT89C51单片机为控制核心，采集土壤温湿度、土壤含水量，空气温湿度、PH值等外部环境信息，并结合农作物自身的生长条件，经农作物种植专家系统分析后，决定所需灌溉水肥量，利用电磁阀、管道、纳米微孔管和作物根部负压等自动调解，控制植物根部的水肥供给量，实现农作物根部微灌的自动化，改善植物的外部生长环境，并提高水肥利用率。硬件部分以AT89C51单片机为核心控制的，土壤传感器SM2802M就是把土壤湿度信息传给单片机的，LCD1602是把数据读出来让人们可以直观的看到。使用把湿度信息传给单片机，单片机来处理传输来的信息，判断怎么执行，然后将执行的信号发给控制器，这就完成了一个系统的功能了。
无线自动灌溉设计系统，不仅节约农田灌溉用水，提高农作物产量，而且解放了大量的农村劳动力，实现了农业智能化，增多农村人均收入，实现全民奔小康的目标。
关键词：无线传感网络；Big Zee网络技术；51单片机；温湿度传感器
Abstract
In recent years, with the increasing tension of global water resources, countries around the world are actively exploring effective ways and measures to save water. Water-saving irrigation technology is one of the modern irrigation technologies developed to solve water shortage and improve irrigation efficiency. The discretion of the automatic control of water-saving irrigation technology represents the development of agricultural modernization, irrigation system to the low level of automation is the main reason for the high efficiency agricultural development in our country, the water-saving irrigation as a modern engineering technology, whether it is engineering water saving, water saving agriculture, and water-saving management must be established on the basis of water-saving irrigation equipment to realize industrialization production.
This topic has designed a intelligent irrigation system, this system USES AT89C51 single chip microcomputer as control core, the acquisition of soil temperature and humidity, soil moisture content, air temperature and humidity, PH value of the external environment, such as information, combined with their own conditions for the growth of crops, after analysis of crop planting expert system, decision required for irrigation water fertilizer consumption, use of solenoid valves, pipes, nanometer microporous tube and automatic mediation, such as crop roots of negative pressure control of water supply of plant root, realize the automation of the roots of micro-irrigation crops, improve plant growth and the external environment, and improve the utilization rate of water. The hardware part is controlled by the AT89C51 MCU. The soil sensor SM2802M transmits the soil moisture information to the MCU. LCD1602 reads the data so that people can see it visually. Use the humidity information to MCU, single chip microcomputer to deal with the transmission of information, determine how to perform, then will perform a signal to the controller, this completes the function of a system.
Wireless automatic irrigation system design, not only saving irrigation water, improving crop yields, and the liberation of a large number of rural labor forces, implements the intelligent agriculture, Realize the increasing running off of the target.
Key words: wireless sensor network； BIGZEE network technology,；51 microcontroller； temperature and humidity sensor
目 录
1 绪论
1.1引言
1.2研究意义
1.3国内外无线自动灌溉系统设计现状分析
1.3.1 国外现状
1.3.2 国内现状
1.4无线自动灌溉系统技术发展趋势和前景
1.5设计依据及任务
2 无线自动灌溉系统设计总体方案的设计
2.1系统功能分析
2.2系统方案设计
2.3 ZIGBEE介绍
2.3.1 ZIGBEE 的网络拓扑结构
2.3.2 ZIGBEE 网络设备类型
2.4单片机核心器件模块及主要引脚说明
3 系统硬件设计
3.1系统硬件结构框图
3.2传感器模块设计
3.2.1 数字温湿度传感器
3.2.2 土壤水分传感器SM2802M
3.2.3 显示屏选型
3.2.4 PH值测定
3.2.5 A/D转换
3.2.6 蜂鸣器及按键
3.2.7 无线传感网络
3.3 主控节点
4 系统软件设计
4.1系统软件设计方案
4.2主界面控制流程
4.3 液晶显示程序
4.4 时钟芯片程序
4.5传感器节点程序
4.5.1传感器的介绍
4.5.2传感器网络节点介绍
4.5.3传感器节点软件设计
4.6主控节点程序
5 系统的实现与仿真
5.1 软件调试
5.1.1 KEIL软件介绍
5.1.2 程序调试
5.2 硬件调试
5.3 仿真结果
6 结束语
谢辞
参考文献
附录：无线自动灌溉系统设计C语言程序
1 绪论
1.1引言
现今，中国是一个严重缺水的国家[1]。粗略计算，我国人均水资源拥有量仅相当于世界人均水资源拥有量的 0.25倍。21世纪水资源逐渐成为一种珍贵的稀缺资源，将对国家经济和社会可持续发展产生重要影响。目前发达国家如：美国、以色列等，采用世界先进的节水智能灌溉技术[2]，使水资源的利用率得到了显著提高。在我国，大部分水资源用于农业，比例为63％，而由于渠道渗漏、大水漫灌等多种外部原因，使得我国农业用水的效率降低，仅为45％左右，远低于美国等一些发达国家70％-80％的水平。智能灌溉模式，可消除人为因素对灌溉的不利影响，与传统人工控制[3]相比较，具有节省水肥、人工等特点，更利于灌溉技术的发展、管理、推广。智能灌溉模式对提高农作物产量的具有促进作用，推动了我国劳动力转移和农村经济结构的调整，同时也有利于环境保护。
1.2研究意义
农田灌溉，不仅可以提高农作物产量，还是农业种植与生产过程中的关键环节。我国水资源短缺的情况日益严重，农田灌溉用水比例不断降低，从而导致农作物产量减产，缺水已成为农业可持续发展的制约因素。近年来 ，我国采用传统的渠道防渗技术[4]、喷灌技术、微灌技术在农业基础建设方面取得了显著成效，然而随着农业生产的规模化，对农业灌溉灵活、准确、快捷的要求也越来越高。
当代智能控制器是一种有效的方法和技术对于智能灌溉系统田间管理[5]，可以提高对水灌溉的高精度，有助于灌水过程中的科学化种植。一方面能最大限度的节省人们的劳动，最主要是由于它能精准、时空、给定量的、效率地给农作物智能补充水分，为了提高农作物的产值、重量，节约水、环保。
智能节水灌溉的核心是开发出在无人干预的情况下能自主根据作物需水量和地块形状在不同位置灌溉不同水量的农机装备[6]。单片机与人工智能技术、自动控制技术、无线传感网络技术相结合，并灵活应用数据挖掘技术，根据不同作物不同时期的生长需求，结合专家的判断后，自动形成最优控制方案，实现对作物的精准灌溉，提高了灌溉系统的智能化。
1.3国内外无线自动灌溉系统设计现状分析
1.3.1 国外现状
国外一些先进国家，如美国、以色列和加拿大等，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并已经日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制，到现今应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便。
近年来随着农业对自动化程度要求提高，以色列出现灌溉用的可编程逻辑控制器(PLC)，这种控制器通过把不同的网络连接到主机上进行数据采集和处理。随着控制技术、传感器技术的发展，以色列开发出了现代诊断式控制器，这种控制器把以前不可能采集到的信息通过不同的传感器来获得，通过因特网、远程控制、GSM等来实现数据传输，然后通过计算机中的一些模型来处理信息，做出灌溉计划。加拿大、澳大利亚等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中，比较有代表性的如澳大利亚的HARDIE IRRGATION公司的灌溉控制器，已形成了MICRO-MASTER、RAINJET等多个系列，几十种型号的产品。其中HR6100系列成本较低，是一种小型自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉，而MICRO-MASTER，系列产品是HARDIE公司[7]为进行大面积灌溉而开发的控制器。该系统采用分布式布置，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作。
1.3.2 国内现状
国内在开发灌溉自动控制系统方面还处于研制、试用阶段，真正能投入实际应用，且应用较广的灌溉控制器还是很少。在开发的产品中有着代表性的，如中国农业机械化研究院联合多家单位研制的2000型温室自动灌溉施肥系统。该系统是国家“九五”科技攻关项目中自主研发的科技产品，它结合我国温室的环境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、动态监测、控制显示中文、施肥泵混合比可调、电磁阀开度可调[8]等关键技术问题。该系统具有手动控制、程序控制和自动控制等多种灌溉系统模式，可按需要灵活应用，在大连、北京等地已经投入了应用，从系统运行情况来看，该系统有很好控制效果，取的了一定的经济效益和社会效益。
天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统主要用于现代温室，日光温室作物的灌溉营养液施肥，环境监测的智能控制，采用世界先进的可编程序控制器和触摸屏控制技术，性能可靠、功能齐全、人机界面友好、操作简单、价格低廉，此控制系统的控制流量为15 ，控制规模为1~2 时，能控制24路阀门，系统具有人工干预灌溉施肥功能，定时、定量灌溉施肥功能，条件控制灌溉施肥功能。北京澳作生态仪器有限公司的澳作智能节水灌溉控制系统可与各种滴、喷灌系统连接，实时监测土壤墒情，根据要求自动灌溉。控制方式灵活，手动、半自动、全自动任选且可随意在计算机上更改，可同时控制多个设备，受控区位置及形状，环境参数及设备状态可同时显示在中心计算机上。北京奥特思达科技有限公司研制的WT-02型微喷灌定时自动控制器，是一种供农业、草坪、果园、温室一般场合给水的电子灌溉自动控制系统。
1.4无线自动灌溉系统技术发展趋势和前景
伴随着现代科技的发展，及电子行业科学的飞速崛起，单片机系统在自动控制领域中的应用已经是常见了，人们对于单片机的使用都非常的熟悉的了，但却鲜有人知它内部的结构及工作的原理。因为单片机系统是智能抽水灌溉的系统的核心处理器，可以通过它检测温度和湿度进而来做出判断是否进行灌溉，达到智能的效果。
当代智能控制器是一种有效的方法和技术对于智能灌溉系统田间管理，可以提高对水灌溉的高精度，有助于灌水过程中的科学化种植。一方面能最大限度的节省人们的劳动，最主要是由于它能精准、时空、给定量的、效率地给农作物智能补充水分，为了提高农作物的产值、重量，节约水、环保。
我国本身的现代农业灌溉技术的钻研和普及于大众，还处于最开始阶段，我国科研我们的、系统体系功能强且具有很强扩展性的，由我国生产的智能抽水灌溉器，是刻不容缓的。伴随着微型处理器和传感器硬件的高速的发展，人们普遍的都能接受这种高科技产品的价格，同时性能日益提高。综上，可以发现微型计算机技术改造古老农业是可行的，是刻不容缓的。能够将高科技投入到农业灌溉里面，这将是我国农业甚至经济未来发展的方向。
随着计算机技术和通信技术的迅速发展，以及各类传感器的系统化。再加上我国农业产业结构调整要坚持以经济效益、社会效益、生态效益相统一的原则。使得我国智能灌溉的发展趋势为：
(1)集成化及智能化程度越来越高。
(2) 新的控制理论和多功能传感器逐步得到应用。
(3)走规模化生产经营的道路以及精准灌溉。
多功能、低能耗、低成本、智能化、精准化、绿色化的节水灌溉装备，以及农业工艺和生物节约水措施将逐步应用于灌溉农业。
1.5设计依据及任务
针对不同植物、不同季节，系统通过土壤水肥传感器采集农作物根部的土壤水肥信息，并将这些信息传递给水肥智能调控系统进行分析处理，由其做出灌溉决策并控制微灌系统的启停，既保证植物根部充足的土壤含水量和肥分，满足植物生长需求，又要尽可能使下层土壤含水率稳定在某一预设值附近，避免过量灌溉，造成水资源的浪费，同时也可避免过量灌溉带走肥料，浪费肥料的同时，又污染地下水资源。
当土壤水分传感器[9]的检测值低于根部土壤含水量设定值时，根部水肥智能调控系统将给相应的电磁阀发出启动信号，启动开始灌溉工作。同时，土壤水分传感器实时检测土壤含水量信息，当其测量值与土壤含水量设定值的偏差超过限定值时，根部水肥智能调控系统将给相应的电磁阀发出停止信号，阀门关闭，完成灌溉工作。
总体来讲，智能节水灌溉技术应具有以下特点：
(1)根据实时气象数据按需灌溉。气象条件的波动及植株的不同生长阶段，作物的蒸散量会发生变化。智能灌溉可以根据采集的气象数据和不同作物系数确定作物的需水量，然后调整灌溉量以达到按需灌溉的目的。
(2)避免过量灌溉。土壤对水的保持能力是有限的，超过此上限时植物根区以下水分会渗透流失。智能控制可以通过调解设定量，使灌溉深度控制在植物根系周围，同时为了避免径流损失，还可进行间歇灌溉。
(3)系统流量管理和分区灌溉。首先根据不同作物需水量的不同，将灌溉分成若干区域，再根据每个主管或干管的流量设定开启阀门的数量，以保持正常工作压力和泵站的高效运行。
(4)合理利用天然降水。灌溉中央控制系统可根据季节和气象变化调整灌溉制度，使渗入到土壤中的有效降雨充分利用。
