果园土壤水分监视与灌溉自动控制研究

论文摘要

近年来,随着我国农业种植结构的调整,果树种植面积不断增大,果园耗水量大的问题日益显现。作为我国农村经济发展优势产业之一的苹果产业,在我国农业产业结构调整、增加农民收入及出口创汇等方面发挥了重要作用。果树种植与生产为农民带来良好经济效益,如何提高果树用水效益,也逐渐得到重视。水分还是影响土壤养分转化的重要因素,适量的水分能够充分调动土壤及肥料中的养分,而过度灌溉不仅造成水资源浪费也使肥料流失,形成环境污染隐患。我国水资源贫乏,实现果园节水灌溉已经成为当前和今后林果业可持续发展的首要任务。为保证果树生长所需的最佳土壤水分含量,提高果园产量及果品质量,本课题对果园土壤水分监视与灌溉自动控制技术国内外研究现状进行分析研究。国外产品虽然技术成熟,但是价格昂贵,且不适合中国国情;国内产品自动化与智能化程度较低,无法满足果园生产管理需求。本文以微电子学和计算机等现代电子技术为基础,针对我国国情,设计开发了果园土壤水分监视与灌溉自动控制系统。果园土壤水分监视与灌溉自动控制系统的设计采用模块化设计思想,整套系统可分为主机电路模块、土壤水分信息采集模块、灌溉控制模块、液晶显示模块、按键输入模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块。为解决果园环境中电力能源紧缺的问题,主机电路模块设计中从硬件和软件两个方面进行了低功耗设计。硬件方面,实现对各模块电源控制,在模块不工作时切断电源;软件方面,通过单片机在活动模式和休眠模式之间切换,及休眠深度的设计实现低功耗设计。基于FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射法的土壤水分传感器具有性能优良价格低廉,测定精度较高等优点,可快速、准确、连续地测定土壤水分含量信息。灌溉控制模块可与滴灌系统、喷灌系统等多种灌溉设施连接,通过监视灌水量控制水泵电机实现精确灌溉。由12864液晶模块和按键模块组成的人机交互界面可实现实时数据显示,历史数据查看和系统参数设置等功能。非易失性铁电存储器FM31256具有快速写入、高可重写次数和低功耗等优良特性,存储器内置的实时时钟单元可为系统提供准确的时间。无线通信模块可实现监控系统与计算机之间进行远距离无线数据通信。系统软件部分由C语言编写,实现主程序对各功能模块的调用和操作。灌溉控制使用迭代学习控制算法,针对苹果园灌溉这种具有重复运动性质的控制过程,利用本次灌溉信息,通过迭代学习律修正下一次的灌水量,实现在有限时间区间上对果园最佳土壤含水量的精确控制。解决因苹果园地表灌溉水需经较长时间才能渗透到苹果树吸收水分根系的主要分布区,所造成的实时控制系统无法及时准确获取果园土壤含水量反馈信息的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 果园土壤水分监视与灌溉自动控制国内外发展现状
• 1.3.1 国外研究现状综述
• 1.3.2 国内研究现状综述
• 1.4 主要研究内容
• 2 系统总体方案设计
• 2.1 系统设计目标与规划
• 2.2 系统总体结构
• 3 系统硬件电路设计
• 3.1 主机电路模块设计
• 3.1.1 主机控制芯片选型
• 3.1.2 主机复位电路设计
• 3.1.3 主机时钟电路设计
• 3.2 土壤水分含量信息采集模块设计
• 3.3 人机交互模块设计
• 3.4 数据存储模块设计
• 3.5 无线通信模块设计
• 3.6 控制电路模块设计
• 3.7 电源模块设计
• 4 系统软件设计
• 4.1 主机系统软件设计
• 4.2 数据采集软件设计
• 4.3 人机交互软件设计
• 4.4 FM31256 读写操作软件设计
• 4.4.1 数据存储模块软件设计
• 4.4.2 实时时钟模块软件设计
• 4.5 无线通信软件设计
• 5 果园灌溉控制算法设计
• 5.1 果园灌溉控制目标分析
• 5.2 迭代学习控制算法设计
• 5.3 迭代学习控制程序编写
• 6 试验与分析
• 6.1 土壤水分含量测量精度试验
• 6.2 迭代学习控制试验
• 6.3 灌水控制试验
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢