农田灌溉机井监控系统设计

农田灌溉机井监控系统设计

摘要：针对目前团场农田灌溉机井分布面广的特点，本文基于单片机设计灌溉机井集中监控系统中下位机。对硬件系统进行方案设计及硬件选型，同时设计软件系统，实现对灌溉机井的无线监测与控制，为更好的进行田间管理提供技术支撑，提高水资源利用率，促进农业良性循环，向设施农业、精准农业和产业化经营转变。

关键词：灌溉机井；单片机；通信；监控

1.前言

当前计算机控制技术在众多领域中得到了广泛应用，使许多部门从传统的以人为主的管理方式进入了以计算机控制技术为手段的自动化监控与调度的先进管理模式[1][2]。

无线通信技术在各工农业领域中应用普遍[3][4][5]。由于灌溉机井分布范围广，因此本文研究基于无线数字通信的灌溉机井计算机集中监控系统，把无线通信、计算机、自动化技术引入灌溉机井的控制，实现对灌溉机井的无线监测与控制，并对用水量、用电量进行反馈和统计，为更好的进行田间管理提供技术支撑，提高水资源利用率，促进农业良性循环，向设施农业、精准农业和产业化经营转变。

2.硬件系统设计

灌溉机井计算机监控系统采用两级分布式结构，在各连队设控制主站，由主控计算机和无线数传输模块构成，二者之间通过RS232接口进行数据交换，主控计算机通过Internet与团场管理中心联络；在现场设控制子站，由灌溉机井控制器、各类传感器以及通信模块组成，其中控制器以单片机为核心，与无线数传模块之间也采用RS232接口通信。

2.1 控制器功能与总体方案设计

本系统的CPU选择选用Philips公司P89C51RD2FA单片机，主要目的是为了实现既能现场的独立运行，又能通过串口与计算机实现通讯，并能受计算机控制运行。从总体上讲，本系统可划分为四个主要功能模块: 输出模块、数据采集模块、人机对话模块、中心控制模块。

系统的结构如图2－1所示:

图2－1 系统硬件结构框图

2.2 单片机的选择

本系统选用Philips公司P89C51RD2FA作为下位机的CPU，该器件内含4 组8 位I/O 口、3 个16 位定时/计数器、多中断源-4 中断优先级-嵌套的中断结构、片内振荡器及时序电路等[6][7][8]。

2.3 无线数传模块

基于监控系统小型化、低功耗、数据无线传输准确等技术要求[9][10]，选用了北京捷麦公司F29DM无线收发模块。它具有集成度高、工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗较低（最大发射功率5W）等优点，适合于便携式低功耗产品的设计。

由于F29DM无线数传模块带有RS232接口，可直接与计算机或单片机相连，连接方式采用透明传输，F29DM无线数传模块与上位机通过RS232接口的连接图见图2－2。

图2－2 F29DM无线数传模块与上位机的连接图

2.4 传感器的选择

传感器在整个系统中作为数据采集的主要单元，它的选择对整个智能测控系统至关重要。为达到实时、无人值守的目的，本系统选用LUGB型涡街流量传感器和LF10-W 系列压力开关对现场数据进行采集。

2.5 模数转换器的选取

模数转换器的任务是将模拟量转换为数字量输入单片机，由于本系统需要进行多路循环采样，故决定选用美国国家半导体公司生产的ADC0809，这是一款我国目前应用非常广泛的一种8位通用逐次逼近式A/D芯片，由单一＋5V电源供电，可对8路0～5 V的输入模拟电压信号进行分时转换，其输出信号与TTL 电平兼容，同单片机接口很容易。

3.软件系统设计

监控系统软件设计的总体要求灵活开放，有较好的可扩充性和可移植性；适应性强，具有良好的可维护性；具有方便友好的人机界面，易于掌握和使用；实时性和可靠性强。

结合灌溉机井监控的特点和具体要求，软件应实现监控系统的包含以下内容：数据通信、人机对话、实时数据库更新、实时画面刷新、故障事故处理、控制操作、统计计算、历史数据库管理和查询、系统设置、时钟管理、自诊断及系统监视和维护等。

3.1 软件体系结构

下位机监控软件主要包括以下几个模块：

(1) 主程序模块

(2) 数据采集及处理子程序：主要是为了实现A/D转换、数字滤波等功能，同时能够完成对各个通道进行巡回检测和数据处理；

(3) 数据显示子程序：主要是为了实现数据的初始化、显示各种数据等；

(4) 串行通信模块：主要是为了用于实现串行通信协议，同时能够分析解释串口数据，最终能够进行发送和接收串行数据等。

3.2主程序设计流程

本系统下位机的主要的功能是为了实现完成对系统初始化、以及实现A/D 转换、数据显示等功能，其流程图如图3-1所示。

图3－1 主程序框图图3－2 数据采集模块流程图

3.3数据采集及处理程序

数据采集模块流程图见图3－2，根据本系统硬件连接,8路模拟量输入通道地址分别为7FF8H－7FFFH，起动转换后延迟一段时间后查询转换是否结束，CPU 在启动某个通道进行A/D转换时，对每个通道的数据采样三次，采集数据存入以30H为首的存储单元。

P89C51RD2FA的运算速度也比较慢，所以对A/D转换结果的数字滤波采用了中位值滤波算法，部分程序如下：

FILTER: MOV R2,30H FILTZZ:MOV A,R2

MOV R3,31H CLR C

MOV R4,32H SUBB A,R3

LCALL FILTZZ JC FILT1

MOV 39H,R3 MOV A,R2

MOV R2,33H XCH A,R3

MOV R3,34H MOV R2,A

MOV R4,35H FILT1:MOV A,R3

LCALL FILTZZ CLR C

MOV 3AH,R3 SUBB A,R4

MOV R2,36H JC FILT2

MOV R3,37H MOV A,R4

MOV R4,38H XCH A,R3

LCALL FILTZZ XCH A,R4

MOV 3BH,R3 CLR C

RET SUBB A,R2

JNC FILT2

3.4与上位机通讯程序设计

为了完成下位机控制器信号检测和控制的功能，与上位机的通信方式采用中断控制。通信软件流程图见图3－3。

图3－3 上位机通信程序流程图

4.小结

随着我国农业现代化进程的不断加快、农业结构的不断调整，可以预计对农业自动化的要求会越来越高，新的智能化技术、传感技术和农业科技的引入、应用、普及，将使灌溉自动控制系统朝着研制分布式控制系统和无线通信模式发展，