果园智能灌溉控制系统的开发.ppt

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1、本作品课题研究受国家果树中心项目支持,果园智能灌溉控制系统的开发,报告人：张观山导 师：侯加林 教授专 业：农业电气化与自动化,主要内容,课题研究意义系统总体方案设计现场监控系统设计远程监控中心设计基于果园需水的灌溉模型结论与展望,我国的淡水资源总量比较丰富，约为两万八千亿立方米，淡水总量排在世界第四位.但由于我国人口众多，我国人均淡水量只占世界人均水平的四分之一。,农业用水在我国的总用水量中占据重要地位，农业灌溉用水在农业用水中占据较大比例。但我国的农业灌溉利用率较低，约为百分之三十到百分之四十，而农业灌溉用水利用率较高的国家的水资源灌溉利用率约为百分之七十到百分之八十。,1、课题研究意义,

2、在农业生产中，果树生产占据一定地位，是农民收入的来源之一。因地制宜的发展果树生产，对于农业生产将会起到一定的推动作用。在我国，果树生产历史比较悠久的地区不在少数，其中不少地区经过历史的沉淀，已经发展了优良的果树生产技术，有效促进了当地的果树生产，提高了经济效益，比如烟台苹果、莱阳梨等等,1、课题研究意义,适时适量的灌溉用水，有利于促进果实的成长发育，增加果树生物量的积累，促进果树光合作用、蒸腾作用，进而提高果树产量。,因此研究果园节水问题对指导农业生产，进行农业结构调整具有重要价值和意义,2、系统总体方案设计,系统总体结构图,现场监控系统,远程监控中心,2.1 传感器节点设计,传感器节点结构图

3、,（1）传感器节点构成,（2）微处理器选型,由于系统采用太阳能及蓄电池的供电方式进行供电，所以在选择系统处理器类型的时候，首先要考虑功耗问题。MSP430F149单片机符合系统设计的要求。,MSP430F149单片机,2.1 传感器节点设计,（3）供电系统设计,太阳能供电系统示意图,2.1 传感器节点设计,（1）该模块支持无限唤醒，在无限唤醒模式下，其平均电流仅为20微安。（2）能通过该模块在线的修改目标地址等参数，实现多点通信简单，方便。（3）采用FEC前向纠错机制，提高了无线传输的抗干扰能力和稳定性。,UTC1212是一种无线传输模块，它功耗低，模块上集成了高性能的嵌入式微处理器，采用高性

4、能射频芯片SX1212。SX1212采用了循环交织检错的编码方式，提高了它的抗干扰性能和系统灵敏度。具有以下显著特点：,2.1 传感器节点设计,（4）UTC1212无线传输模块,2.2 阀门控制节点,阀门控制节点主要由微处理器、UTC1212无线传输模块、供电系统、电磁阀组成。主要负责接收来自远程监控中心的控制指令，控制电磁阀的打开和关闭。,阀门控制节点硬件组成图,（1）硬件组成,2.2 阀门控制节点,电磁阀,电磁阀驱动电路,（2）电磁阀驱动电路,2.2 阀门控制节点,阀门控制节点实物图,2.3 汇聚节点,汇聚节点主要由微处理器、UTC1212无线传输模块、TTL与RS232电平转换电路、GP

5、RS、供电系统组成，主要负责将各个传感器的节点数据汇总发送给远程监控中心，同时接收来自远程监控中心的控制指令，将其发送给阀门控制节点。,汇聚节点硬件结构图,（1）硬件组成,系统选用的GPRS的型号是MD609G，其基于ARM平台，内部无线模块为工业级GPRS，接口为标准RS232接口。它可以快速的与PLC、单片机、计算机等连接，实现数据远程传输。其特点如下：,（1）供电：+5+36V宽电压输入（2）数据接口：RS232/485/422/TTL（3）数据串口波特率可设（4）支持标准TCP/IP协议（5）可采用串口、超级终端配置,MD-609G,2.3 汇聚节点,（2）GPRS介绍,2.3 汇聚节

6、点,TTL与232电平转换电路,（3）TTL与RS232电平转换电路设计,2.3 汇聚节点,汇聚节点实物图,3、远程监控中心,软件功能图,3.1远程监控中心WinForm程序总体设计,3.1 远程监控中心WinForm程序设计,软件流程图,（1）连接管理模块,传感器信息显示窗体图,（2）传感器信息显示模块,3.1 远程监控中心WinForm程序设计,阀门状态与手动控制窗体图,3.1 远程监控中心WinForm程序设计,（3）阀门状态与手动控制模块,阀门定时控制模块窗体图,3.1 远程监控中心WinForm程序设计,（4）阀门定时控制模块,阀门参量控制窗体,3.1 远程监控中心WinForm程序

7、设计,（5）阀门参量控制模块,3.2 ASP.NET动态网页设计,随着互联网时代的到来，现代通信技术发展迅速，在这种背景下，现代网络技术得到了前所未有的发展，尤其是基于TCP/IP通信协议的Web技术，在现代社会中被广泛的采用。如下图为Web请求和发送数据的流程，本系统动态网页设计采用ASP.NET技术开发，开发环境为VS2010，开发语言为C#。,Web请求和发送数据流程,NVelocity是一种简单实用的模板引擎，语法简洁，且API可扩展性强。它允许任何人仅仅简单的使用模板语言（template language）来引用由.NET代码定义的对象。从而使得界面设计人员与.NET程序开发人员基

8、本分离，其常用功能如下：,(1)NVelocity C#模板引擎,（1）能客户端页面定义变量，并能进行一些简单运算（2）在页面中迭代实体对象集合。（3）在页面中获得实体对象的属性，及其方法。（4）对逻辑判断语句的支持。,3.2 ASP.NET动态网页设计,(2)AJAX技术概述,AJAX是一种创建交互式网页应用的网页开发技术，其解决了如下两个问题：（1）应用AJAX，在提交数据时，页面不是全部刷新，而是局部刷新，节约了时间，提高了用户体验。（2）将以前全部是服务器承担的工作一部分转移给了客户端，客户端负责通过AJAX向服务器发送请求，同时对服务器接收的数据部分处理、显示，减轻了服务器的负担，降

9、低了系统成本。,3.2 ASP.NET动态网页设计,(3)具体网页设计,3.2 ASP.NET动态网页设计,网站软件功能图,(3)具体网页设计,3.2 ASP.NET动态网页设计,网站首页,(3)具体网页设计,3.2 ASP.NET动态网页设计,登录界面,(3)具体网页设计,3.2 ASP.NET动态网页设计,传感器数据显示页面,(3)具体网页设计,3.2 ASP.NET动态网页设计,阀门参量控制页面,(3)具体网页设计,3.2 ASP.NET动态网页设计,阀门状态与手动控制页面,5、基于果园需水的灌溉模型,首先通过气象参数计算各参考作物蒸发蒸腾量，然后利用作物系数进行修正，求得果树实际需水量

10、。在根据农田水量平衡法计算得出果园的实际灌水量。,为作物需水量，ET0为参考作物腾发量，Kc为作物系数。,为作物需水量，ET0为参考作物腾发量，Kc为作物系数。,式中,参考作物蒸腾量采用国际上通用的综合法，并考虑气压修正的彭曼（Penman）公式。,P0/P为气压修正项；,5.1 参考作物蒸腾量的计算,为饱和水汽压与温度曲线上的斜率，,为湿度常数，Ea为空气干燥力，Rn等于太阳净短波辐射量减去大地长波辐射。,苹果的作物系数,5.2 作物系数,5.3 实际果树需水量,式中，ET为果树需水量，ET0为参考作物腾发量，Kc为作物系数,ET=ET0*Kc,5.4 灌溉用水量的确定,或,，,W0,Wt分

11、别为时段始、末单位面积计划湿润层的土体储水量（mm）；0,t分别为时段始、末单位面积计划湿润层的平均含水率（cm3cm-3）；H计划湿润层深度（mm）；WT由于计划湿润层深度增加而在单位面积上增加的水量（mm）；,P时段内单位面积上平均降水的入渗强度（mmd-1）；P0时段内单位面积上入渗的有效降水量（mm）；K时段内单位面积上地下水（或下部土层）对计划湿润层土壤的补给量（mm）；k时段内单位面积上地下水（或下部土层）对计划湿润层土壤的平均补给强度（mmd-1）；,M时段内单位面积上的灌水量（mm；m3hm-2）；e时段内作物的平均蒸散强度（mmd-1）。ET时段内的作物需水量（mm；m3hm

12、-2）；m时段内的平均灌水强度（mmd-1）；,土壤计划湿润层,土壤计划湿润层H内的水量平衡可表示为：,例如某时段内没有降雨，显然这一时段的水量平衡方程可写为：,则开始进行灌水时间间距为：,5.4 灌溉用水量的确定,m灌水定额，m3/亩；H该时段内土壤计划湿润层的深度，m；max，min该时段内允许的土壤最大含水率和最小含水率；干土，水计划湿润层土壤的干密度和水密度，kgm-3。,这一时段末的灌水定额为：,5.4 灌溉水量的确定,6、结论与展望,6.1 结论,本系统完成的主要工作如下：（1）完成了现场监控系统的软硬件设计。（2）完成了远程监控中心的软件设计。（3）将灌溉模型应用于果园灌溉之中，

13、提高了灌溉的精度。系统经过一年连续、稳定、可靠的运行，工作性能稳定、功耗低、数据传输速率快、距离远，各项指标均达到了设计要求，能较好的满足果园灌溉的要求。随着计算机技术的快速发展，其在节水灌溉中的应用会越来越广泛，对促进整个农业生产具有重要意义。,6、结论与展望,（1）采用基于果园需水的灌溉模型进行灌溉，提高了灌溉的精度（3）采用AJAX技术，减轻了服务器的负担，降低了系统成本，提高了用户体验。,6.2 创新点,（1）基于果园需水的灌溉模型有待于进一步的研究，以提高灌溉的准确度和精度。（2）增加通过短信和邮件预警的功能，当果园干旱时，通过手机短信或者邮件给用户发送预警信息，提醒用户及时采取措施

14、。,6、结论与展望,6.3 展望,攻读硕士学位期间的成果,发表学术论文两篇：基于物联网的设施环境综合参数测试系统.山东农业科学.2013.11第一作者基于ZigBee和GPRS的远程果园智能灌溉系统的设计与实现.山东农业大学学报:自然科学版,2012(3):377-380.第一作者授权实用新型专利两项：侯加林，张观山，郎需强，刘林等，基于物联网的设施环境综合参数测试仪侯加林，魏珉，刘林，王秀峰，张观山，日光温室卷帘机控制器,致谢,首先我要感谢我的导师侯加林教授，在三年的研究生学习期间，侯加林教授在各个方面都给我予以无微不至的关怀和指导。感谢山东农业大学机械与电子工程学院领导老师对我课题的支持。感谢审阅本文的专家、老师，感谢你们。,谢谢各位专家老师,