无线多点土壤水分监测系统(报省上终稿)

2013年陕西理工学院第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书

序号：

编码：

2013年陕西理工学院第五届“挑战杯”

大学生课外学术科技作品竞赛

作品申报书

作品名称：无线多点土壤水分监测系统

申报单位：物理与电信工程学院

申报者姓名

（集体名称）：李丞陈松松卫兴辉樊鹏飞金利斌

类别：

□自然科学类学术论文

□哲学社会科学类学术论文

□社会调查报告类学术论文

□科技发明制作Ⅰ类

□√科技发明制作Ⅱ类

2013年陕西理工学院“挑战杯”

大学生课外学术科技作品竞赛组委会制

说明

1.申报者应认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。

2.申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，其中3人（包括3人）的项目视为个人项目并须填写A1表，超过3人的项目视为集体项目并填写A2表。根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者必须填报D表，可根据情况填写C表。科技发明制作项目分为Ⅰ类（科技含量较高）和Ⅱ类（投入较少的小发明），请注明。

3.表内项目填写一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。

4.序号、编码由2013年陕西理工院大学生课外学术科技作品竞赛组委会填写。

5.学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），并以4号楷体字体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22CM）。

6.报送作品须一式二份打印稿，在规定时间内由各学院统一报送至团委办公室。

7.有关竞赛事宜请向竞赛办公室咨询：2641554。

A2.申报者情况（集体项目）

说明：

1.必须由申报者本人按要求填写；

2.申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；

B3．申报作品情况（科技发明制作）

说明：

1.必须由申报者本人填写；

2.本部分中的报送单位签章视为对申报者所填写内容的确认；

3.本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；

4.作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。

C．当前国内外同类课题研究水平概述说明：

1.申报者可根据作品类别和情况填写；

D.推荐者情况及作品的说明

说明：

1.由推荐者本人填写；

2.推荐者必须具有副高以上（含副高）专业技术职称，并是与申报作品相同或相关的领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）；

3.推荐者填写此部分，即视为同意推荐；

E.评审委员会审查意见

F．参赛作品打印处

1.作品展示

系统总图展示，包括从机部分、主机显示部分、适配器

主机运行状态

从机运行状态

2.产品说明书

该系统由主机和从机构成，当主从机均上电正常后，从机的传感器采集土壤水分据显示并传给主机，并在主机上显示出来。若监测到的水分超过主机设定值，主机通过报警电路进行报警，水分上下限可自行调节。从机与主机之间无线通信，有效通信距离可达400米。在此范围内，从机可放到不同的地方进行土壤水分采集，而主机对采集到的数据进行显示，在超范围情况下进行报警。

1 产品功能

ＬＣＤ１２８６４液晶显示，土壤水分测量，主从机间无线通讯，报警，设置环境。

1.1ＬＣＤ１２８６４液晶显示

液晶显示器可显示各测量点土壤水分值，并可显示设置的水分报警值。

1.２温湿度测量

各分机采用土壤水分传感器HA2001对土壤水分进行实时采集。

1.３主从机间无线通讯

主从机间的信息传输使用无线通信模块ＰＴＲ２０００。

1.４超限报警

用８９Ｃ５２控制蜂鸣器报警。

1.５设置环境

可以通过对主机的按键操作来修改各测量点的水分报警值。

2 使用说明

2.1电源指示灯：扳动开关，电源指示灯亮，则电源开启。

2.2键盘

2.2.1 设置：按下后进入水分报警值设置界面。

2.2.2 换行：按下选择上线或下线设置显示界面。

2.2.3 加：按下土壤水分报警值加一。

2.2.4 减：按下后土壤水分报警值减一。

2.2.5 复位：按下后系统复位一次。

3 其他

从机用一节9V干电池供电，主机由DC220V供电。4系统操作面版图

4.1主机

4.1.1正面

4.1.2侧面

4.2从机4.2.1正面

4.2.2侧面

3.研究报告

无线多点土壤水分监测系统

摘要：设计了一种分布式无线传输的水分实时监测系统，系统以单片机STC89C52为核心，采用HA2001作为土壤水分传感器，实现了0%～100%相对水分含量的高精度测量。研究了分布式数据采集中无线模块的工作原理，无线通讯对发送数据进行CRC校验和编码，提高了数据传输的可靠性。实验表明，该监测系统性能稳定，工作可靠，具有测量精度高，示值稳定性好，系统扩展能力强等特点。

关键词：土壤水分；报警；液晶显示；无线通讯；主从机

Abstract:Design a distributed wireless transmission of real-time water monitoring system. Modular design approach to SCM STC89C52 as the core, the soil moisture measurements, using HA2001 as soil moisture sensors to achieve the 0% to 100% of relative soil moisture, have a high measurement accuracy. Detailed study of the distributed data acquisition in the wireless module works, wireless communications to send data to the CRC, and coding, improves the reliability of data transmission. Experiments show that the monitoring system is stable, reliable, has high accuracy, stability indication, system expansion capability, and other characteristics.

Key words:soil moisture, sound alarms, LCD display, wireless communications, master and slave

引言

农田土壤水分与作物成长关系最为密切，它直接影响到作物生长的水、气、热、养分等状况。而地面水和地下水只有通过一定的转化关系为土壤水分，才能为作物直接吸收利用。因此，农田土壤水分状况是作为生长环境的核心。不同作物在不同成长阶段所需的水分也是不同的。一般作物苗期需水较少，随着作物生长逐渐加大，到生长旺盛时期蓄水量最大，成熟期蓄水量逐渐减少。另外，作物水分临界期也有所不同，作物水分临界期指土壤缺水对作物生长和产量影响最严重的时期。麦类：抽穗-灌溉期；玉米：抽雄期；棉花：花铃期；豆科作物：开花期；水稻：孕穗、抽穗期。及时了解不同时期的土壤墒情状况，同时结合天气情况，对农业生产提出有针对的、科学性的灌溉建议对农业生产是十分必要的。土壤水分

监测系统，就是专业用于土壤水分测定的仪器。土壤水分监测系统为土壤墒情提供了科学的依据，为节水灌溉起到了指导作用。传统的水分监测方法主要有两种:一是利用手持式仪器进行人工监测，该方法存在工作量大、效率低等缺点；二是采用多点有线传输仪器进行监测，该方法存在系统扩展能力差、布线繁琐，可靠性不高，代价过高等缺点。近年来，国内有一些企业和人员做过无线土壤水分监测系统的研发，但这些产品价格普遍比较昂贵，普及难度较大，适用性并不好，并未被广泛应用，因而由于土壤水分监测不力而产生问题的情况仍然存在。因此，迫切需要研发出新型土壤水分监测系统应用于农业的生产中。

设计的无线多点土壤水分监测系统解决了上述问题，可满足用户的需要。该系统由主从机组成，可对土壤水分进行实时监测。产品的适用范围非常广，使用方便，经济效益良好。

1 系统功能描述

该系统由主从机组成，从机的个数可以根据实际需要确定。从机对被测点进行土壤水分数据采集，并将数据发送给主机。经主机处理，若被测点水分超过预设范围，则报警。主机用LCD12864对所有采集到的水分数据进行显示。可通过主机上的按键设臵水分报警值（包括上限和下限），系统框图如图1所示。

图1.系统框图

从机利用STC1289C52单片机作为本系统的控制模块，从机采集数据并发送给主机，主机接收、显示、监测，并通过键盘设臵系统工作状态。

2 系统硬件设计

2.1 水分采集电路

系统采用HA2001土壤水分传感器可以测量土壤水分的百分比，与土壤本身的机理无关。其中蓝线为信号输出直接于单片机P1.6引脚直接相连，红线接5~12v电源，黑线接地，通过STC1289C51单片机内部AD进行采集转换。

HA2001传感器在土壤饱和含水率范围内具有良好地线性特性，下图2是40%水分前典型的标定曲线及参数。

图2.40%水分前典型的标定曲线及参数

典型的标定公式：

0%-40%水分为: y=26.72*x

40%-100%水分为：y=119.43*x-138.86

(X为采集器采集到的电压值)

公式选择方式为：

先使用第一个公式进行运算，如果结果大于40，则使用第二个公式重新进行运算。

2.2主从机无线通讯模块

主从机的通讯采用无线模块PTR2000，它具有接收发射合一、工作电压低、功耗小、抗干扰能力强等特点。理想状态下，在空旷场所，PTR2000的通讯距离为200米左右。它可与单片机的I/O口直接连接，使得电路简洁，从而使得系统通讯更可靠。

连，实现串行数据传输。PTR2000的模式控制引脚与单片机的控制引脚相连，其中CS接电源线，即接高电平CS=1，PTR2000选择工作频道2即在434.33MHz频段进行数传。TXEN、PWR两引脚分别与单片机P1.0、P1.1引脚直接相连，当系统工作时，由单片机中运行的控制程序实时控制其工作模式（接收状态、发射状态以及待机微功耗状态）。单片机与PTR2000接口电路如图3所示：

图3.无线通讯模块

主机和从机之间进行无线数据传输时，发送端的PTR2000模块将单片机的待传数据调制成射频信号，再发送到接收端的PTR2000模块；接收端的PTR2000模块接收射频信号，并将它调制成TTL信号送至单片机。

2.3液晶显示模块

主机显示屏采用LCD12864，其连接图如图4所示，主机显示模块个引脚链接如下所述：

LCD12864采用标准的20脚接口，其中：

第1脚|：VSS -模块的电源地

第2脚：VDD-模块的电源正端

第3脚：V0-LCD驱动电压输入端

第4脚：RS(CS) H/L 并行的指令/数据选择信号；串行的片选号

第5脚：R/W(SID) H/L 并行的读写选择信号；串行的数据口

第6脚：E(CLK) H/L 并行的使能信号；串行的同步时钟

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：PSB H/L 并/串行接口选择：H-并行；L-串行

第17脚：/RET H/L 复位低电平有效

第18脚：NC 空脚

第19脚：LED_A （LED+5V）背光源正极第20脚：LED_K （LED-OV）背光源负极

图4.主机键盘和液晶模块电路从机显示屏采用LCD1602其连接如图5所示：

图5.从机液晶模块电路各引脚连接如下所述：

LCD1602采用标准的16脚接口，其中: