土壤水分远程监测系统研究与设计

论文摘要

土壤水分是土壤的重要组成部分,它是农作物生长所需水分的主要供给源。同时,它还参与土壤中许多重要的物理、化学和生物过程。因此,及时并且准确地采集和监测土壤水分含量,对农作物的生长有着至关重要的作用。现有的土壤水分测量技术各具特色,但大都只能实现对测量数据的定点定时采集,无法将其与远程控制中心相结合,从而不能对采集到的数据进行实时分析和调控。基于以上背景,为了达到对土壤水分进行快速准确地采集和实时监测的目的,本论文研究并设计了一种基于TDR技术与GSM技术相结合的数据采集远程监测系统。利用TDR时域反射仪对土壤水分含量进行实时采集,能够快速、准确和连续地测量,含水量测量范围可达到0-100%。而且,该方法不破坏土壤本身,可数字化显示土壤含水量。在采集部分的实验中,根据TDR时域反射法的技术原理,主要利用TDR探头、TDR100时域反射计、数据采集器、同轴电缆等设备,首先将TDR探头插入土壤样品中,然后打开TDR100时域反射计,发出波形信号,最后采集反馈回来的信号。利用TDR法测定计算出的介电常数,得到土壤水分含量数据。同时还利用烘干称重法进行了对比标定实验,对TDR法的精度进行了讨论。在实验的最后,探索利用铜质探头代替传统的TDR不锈钢探头,以达到降低费用成本的目的,同时对其结果进行了比对和线性回归分析。在系统的传输部分中,在接口电路添加了GSM通讯模块,利用该模块能够进行远程无线传输的特点,可以实现对土壤水分含量进行自动监测和远程传输控制等智能化操作。通过GSM模块利用其SMS方式,一方面将信息数据传送到监控中心,由监控中心根据设定的数据库,利用Delphi软件平台,对传来的数据信息进行分析存储。另一方面将数据信息发送给远程用户终端,使得用户可以及时了解土壤水分信息。用户终端和监控中心还可以通过GSM的SMS功能进行信息的即时互传。为了便于系统的调试和修改,整个系统采用模块化设计,可分为硬件设计和软件设计两个部分。系统的硬件电路由若干模块组成,包括：数据采集电路模块、GSM接口电路模块、单片机及相关外围电路。论文分析比较了所选用的器件与其它器件的优缺点,详细地介绍了各个模块的选择和连接。在软件设计方而,选用Delphi作为上位机监控系统软件,采用Pascal语言,可以实现对所接收到的数据信息进行存储、查询等功能,同时还可对各参数的变化进行监测和传递。下位机的软件设计主要包括土壤水分信息的采集、无线接收及发送,具体可分为系统初始化、土壤水分参数实时的采集和处理、MCU与GSM的无线通信、短消息处理程序等。在完成了系统的硬件和软件设计后,进行了相关的实验调试,最后对实验结果进行了分析。结果显示,TDR法对于烘干法的回归曲线为y=10.037x-15.191,相关系数R2=0.9838,通过公式进行校正后,TDR法测量值中有98.38%的数值接近土壤真实含水量,在实验当中具有可行性。远程传输及时准确,系统具有一定的应用意义和推广价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 技术现状
• 1.2.1 国外土壤水分测量技术的研究现状
• 1.2.2 国内土壤水分测量技术的研究现状
• 1.3 发展趋势
• 1.4 本文主要研究内容和技术路线
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 1.5 本章小结
• 第二章 土壤水分数据采集测量系统
• 2.1 土壤水分测量技术简介
• 2.1.1 土壤水分的分类
• 2.1.2 土壤水分测量的主要方法
• 2.2 TDR技术
• 2.2.1 TDR技术背景
• 2.2.2 TDR技术原理
• 2.2.3 TDR影响因子
• 2.3 土壤水分采集测定
• 2.3.1 实验设备
• 2.4 本章小结
• 第三章 监控系统硬件设计
• 3.1 远程监控GSM部分
• 3.1.1 GSM概述
• 3.1.2 GSM模块概述
• 3.1.3 TC35i模块
• 3.2 单片机及其外围硬件
• 3.2.1 单片机简介
• 3.2.2 通讯模块
• 3.2.3 看门狗（复位）模块
• 3.2.4 LCD显示模块
• 3.2.5 键盘模块
• 3.2.6 ISP程序下载电路
• 3.3 系统抗干扰设计
• 3.3.1 过压保护技术
• 3.3.2 去耦电容技术
• 3.3.3 电路板抗干扰技术
• 3.4 本章小结
• 第四章 监控系统软件设计
• 4.1 GSM模块的SMS业务和AT指令
• 4.1.1 SMS业务的网络结构及传输过程
• 4.1.2 SMS的发送和接收模式
• 4.1.3 AT指令集
• 4.2 上位机软件实现
• 4.2.1 上位机开发语言
• 4.2.2 Delphi的集成开发环境
• 4.2.3 ADO访问机制
• 4.2.4 使用控件
• 4.2.5 利用ADO控件创建数据库程序
• 4.2.6 上位机监测界面设计
• 4.3 下位机软件实现
• 4.3.1 开发语言/环境
• 4.3.2 系统软件功能设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统调试及实验结果分析
• 5.1 系统总体调试
• 5.1.1 土壤含水量采集系统
• 5.1.2 远程监控系统
• 5.2 实验结果和数据分析
• 5.2.1 上位机远程监控系统
• v的计算'>5.2.2 土壤含水量θ_v的计算
• 5.2.3 不同材料TDR探头的对比实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 论文的不足之处及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文与其他
• 附录B 实验相关附图