基于无线数据传输的节水灌溉控制系统研究
基于无线数据传输的节水灌溉控制系统研究
孙 燕 ,曹成茂 ,马德贵 (安徽农业大学工学院 ,安徽合肥 230036)
摘要 在分析了自动控制系统的原理、数据传输方式和控制方式选择的基础上 ,设计了一种采用无线通信模块 nRF2401来实现数据传
输的节水灌溉控制系统 ,介绍了该系统的总体结构和主站、子站的工作流程。研究表明 ,该系统稳定性好 ,数据传输可靠性高 ,基本达到
了设计要求。
关键词 节水灌溉 ;自动控制系统;无线数据传输; nRF2401;单片机
中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611 (2010) 03 - 01444 - 02
Research on W ater2saving Irrigation Control System Based on W ireless Data Transm ission
SUN Yan et al (College of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036)
Abstract Based on the analysis of the theory of automatic control system as well as the selection of data transfer mode and control mode, a
water2saving irrigation control system with wireless communication mode nRF2401 which was for data transmission was designed. The structure
as well as workflow of primary station and subordinate station of the system was introduced. Research showed that the system could work stably
and transfer data reliably, so it has reached the design requirements.
Key words Water2saving irrigation; Automatic control system; W ireless data transmission; nRF2401; Singlechip
基金项目 安徽教育厅自然资金项目 (2006kj171B) ;安徽农业大学校
长青年基金项目 (2007qnr18) 。
作者简介 孙燕 (1978 - ) ,女 ,安徽东至人 ,硕士 ,讲师 ,从事智能控制
与检测研究。
收稿日期 2009209230
随着节水灌溉技术的发展和进步 ,如何研制一种适合我
国国情的灌溉自动控制系统成为了研究热点。节水灌溉自
动控制系统相对于一般的自动控制系统具有一些特点 : ①农
业灌溉涉及面积大 ,控制区域的地形错综复杂 ; ②田间控制
点和测量点既多又分散 ; ③线路敷设会影响田间机械化作
业 ; ④天气多变 ,设备工作环境恶劣。根据上述分析 ,研究并
开发不受空间距离、天气等条件限制的节水灌溉自动控制系
统势在必行。
1 节水灌溉自动控制系统的总体设计
1. 1 节水灌溉自动控制系统的原理 自动控制系统即反
馈控制系统 ,是基于反馈基础上“检测偏差用以纠正偏差 ”的
原理组成的系统 [1 ] 。一个典型的反馈控制系统应该包括反
馈元件、给定元件、比较元件、执行元件等。为了能做到既不
浪费水资源又能根据作物生长的实际情况进行实时灌溉 ,该
节水灌溉自动控制系统应解决以下 3个问题 : ①实时检测作
物生长的环境情况 ; ②根据作物生长的环境情况来进行实时
自动灌溉 ; ③制订作物灌溉方案。根据以上分析和自动控制
系统的基本原理 ,设计出的节水灌溉自动控制系统如图 1所
示。图 1中反馈环节用虚线表示是因为该系统靠单片机的
软件来实现反馈。
图 1 节水灌溉控制系统
Fig. 1 The water2saving irrigation control system
1. 2 数据传输方式的选择 节水灌溉涉及面积大 ,采用分
布式结构 ,分 2部分进行设计 ,即中央控制系统和远程测控
系统。节水灌溉系统结构如图 2所示 ,其中 , 64为远程测控
系统的个数。中央控制系统与远程测控系统之间通过无线
数据传输方式进行远距离通信。中央控制系统由微型计算
机与单片机系统构成 ,并通过 RS232模块进行电平转换 ;远
程测控系统是由测量元件、信息调理电路、ADC转换器、单片
机、电磁阀及无线通信模块构成的单片机系统。
图 2 节水灌溉系统结构
Fig. 2 The frame of water2saving irrigation system
1. 3 控制方式的选择 系统的控制方式分有线控制和无
线控制 2种。有线控制是通过架设的线路将控制信息传输
出去。由于农业节水灌溉涉及面广 ,必须考虑农田灌溉的特
殊性。因此 ,有线控制在农业灌溉中的应用有一定的局限
性。笔者设计的节水灌溉自动控制系统采用无线遥控控制
方式 ,也就是通过无线电波将控制信息传输出去 ,从而控制
灌溉系统中的设备。
1. 4 总体结构设计与原理 根据上述分析与讨论 ,该系统
应由主站和子站组成点对多点的无线数据传输网络 ,整个系
统如图 3所示。
该系统的工作方式采用命令应答方式 ,主站下达采集指
令 ,子站对主站发出的地址信息进行接收和处理 ,若与本机
地址相符则执行命令。采集端将采集的作物生长环境参数
经 A /D转换成数字信号送到子站单片机 ,子站单片机对采
集过来的信号进行编码 ,并对编码信号加起始位和校验码 ,
构成传输的数据桢 ,桢信号通过无线射频收发芯片 nRF2401
按照一定的协议进行打包 ,将作物生长的环境参数发送到主
站 ,主站通过无线射频收发芯片 nRF2401解调 ,再由主站单
责任编辑 金炎 责任校对 卢瑶安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2010, 38 (3) : 1444 - 1445
片机解码 ,解码后的信号经 PC机存入数据库。同时 ,根据软
件设计的灌溉预报模块和灌溉控制模块决策出作物需水量
情况 ,并经过驱动电路控制电磁阀的开闭和电磁阀打开的
时间 [2 ] 。
图 3 无线遥控节水灌溉控制系统
Fig. 3 The wireless remote control water2saving irrigation system
2 主站与子站的工作
该系统通过主站向指定子站发送采集指令 ,控制子站采
集相应的作物生长的环境数据 ,并将数据打包传回主站 ,再
由主站对数据进行解包和简单的数据处理后提供给主站的
用户界面 [3 ] 。其中 ,上位机提供人机界面及数据处理 ,通过
RS232接口向单片机传送控制字以及接收单片机传回的数
据 ;单片机通过 SPI接口直接对 nRF2401 进行操作 ,完成
nRF2401工 作模 式 的 配 置、将 上 位 机 的 控 制 字 传 送 给
nRF2401以及接收 nRF2401传来的数据。主站和子站的具
体工作流程如图 4、5所示。
图 4 主站工作流程
Fig. 4 The work flow of primary stage
图 5 子站工作流程
Fig. 5 The work flow of subordinate stage
3 结语
该系统将自动控制技术和节水灌溉技术结合起来 ,采用
无线通信进行数据传输和控制 ,不仅避免了线路敷设的费
用 ,而且提高了节水灌溉的自动化水平 [4 ] 。另外 ,该系统采
用太阳能电池供电 ,节省了能源 ,提高了资源利用效率。
参考文献
[1] 王益群. 控制工程基础 [M ].北京:机械工业出版社 ,2001.
[2] 孙燕 ,曹成茂.无线遥控节水灌溉自动控制系统的研制 [J ]. 电气自动
化 ,2008,30(4) : 20 - 21.
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544138卷 3期 孙 燕等 基于无线数据传输的节水灌溉控制系统研究
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