無線WiFi土壤濕度檢測(cè)器的研制.doc

杭州電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題 目土壤濕度無線Wi-Fi采集器研制學(xué) 院電子信息學(xué)院專 業(yè)電子信息工程姓 名呂山班 級(jí)13041815班學(xué) 號(hào)13041610指導(dǎo)教師蔡文郁一、 選題綜述1、選題背景：隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)于水的需求量越來越大，水在社會(huì)中的作用越來越大。水是生命之源，沒有水就沒有生命。水是地球上最豐富的資源，雖然地球上的水總體積約有13億8600萬立方千米，但是淡水只有3500萬立方千米左右。我國是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國家，我國的人均水資源量只有2300立方米，僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。然而，中國又是世界上用水量最多的國家。那么面對(duì)水資源短缺的問題我們應(yīng)該怎么辦呢？面對(duì)資源問題，一般采取的辦法一是開源；二是節(jié)流。開源指的是開發(fā)或?qū)ふ伊硗庖环N能源代替水資源，但是現(xiàn)如今還不能找到另外一種資源來代替。其二，節(jié)流指的是節(jié)約資源提高資源的利用效率。農(nóng)業(yè)用水占據(jù)的我國用水的絕大部分。但是，我國的農(nóng)業(yè)水利用率低于世界平均水平，提高農(nóng)業(yè)用水的利用率就較為關(guān)鍵了。2、提高農(nóng)業(yè)水資源的利用率：實(shí)時(shí)了解土壤濕度是提高水資源利用率的關(guān)鍵，土壤濕度：土壤濕度表示一定深度土層的土壤干濕程度的物理量。土壤濕度的高低受農(nóng)田水分平衡各個(gè)分量的制約。要提高農(nóng)業(yè)水的利用率，前提是要知道土壤的濕度，知道在合適的時(shí)間提供水，知道土壤的濕度就顯得十分迫切了。土壤濕度的幾個(gè)主要測(cè)量方法有（1）負(fù)壓計(jì)法：使用負(fù)壓計(jì)測(cè)定。當(dāng)未飽和土壤吸水力與器內(nèi)的負(fù)壓力平衡時(shí)，壓力表所示的負(fù)壓力即為土壤吸水力，再據(jù)以求算土壤含水量。（2）中子法：使用中子探測(cè)器加以測(cè)定。中子源放出的快中子在土壤中的慢化能力與土壤含水量有關(guān)，借助事先標(biāo)定，便可求出土壤含水量。3、土壤濕度檢測(cè)現(xiàn)在的發(fā)展以及未來的發(fā)展方向：（1）當(dāng)代土壤濕度檢測(cè)前沿衛(wèi)星遙感檢測(cè)：微波遙感監(jiān)測(cè)土壤濕度方法可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式遙感兩種。主動(dòng)式遙感是通過測(cè)量雷達(dá)后向散射系數(shù)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特性參數(shù)的測(cè)量。不同含水量的土壤介電特性不同，其雷達(dá)回波信號(hào)也不同。據(jù)此可建立后向散射系數(shù)和土壤含水量的關(guān)系。（2）未來的發(fā)展方向物聯(lián)網(wǎng)： 隨著計(jì)算機(jī)以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們迎來物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)即是物物相連，基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤濕度檢測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、監(jiān)控實(shí)時(shí)和海量存貯等特點(diǎn)。未來應(yīng)用前景十分廣大。4、小型土壤濕度檢測(cè)器的運(yùn)用前景：實(shí)現(xiàn)供水智能化，降低人體勞動(dòng)，提高水資源利用效率，節(jié)約水資源，降低農(nóng)業(yè)長期成本，使我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平顯著提高。將廣泛運(yùn)用于室內(nèi)盆栽、小型作物。未來市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，具有廣泛的可實(shí)現(xiàn)性。二、 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：1、 基本內(nèi)容：（1）了解土壤濕度的測(cè)量方法以及計(jì)算公式（2）土壤濕度信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)化以及計(jì)算（3）土壤濕度信息的無線傳遞（Wi-Fi）（4）電腦端或者移動(dòng)端顯示土壤濕度值（5）電腦端或者移動(dòng)端控制輸出（手動(dòng)模式）（6）當(dāng)傳感器所處的環(huán)境濕度低于某一設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)打開輸出端（7）調(diào)試程序，實(shí)現(xiàn)程序固化2、解決的主要問題：（1）解決土壤濕度檢測(cè)的高成本（小型化、便于攜帶）（2）用Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)土壤濕度信息的無線傳遞（3） 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，以及手動(dòng)自動(dòng)的轉(zhuǎn)換三、 研究步驟、方法及措施：1、研究步驟：（1）查閱資料確定研究方向及主題（2）咨詢導(dǎo)師建議，查詢方案可行性（3）查閱國內(nèi)來關(guān)于土壤濕度濕度監(jiān)測(cè)及傳輸?shù)南嚓P(guān)論文和實(shí)例（4）進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，畫電路板（PCB作圖）（5）購買元器件以及測(cè)試（6）硬件制作以及檢測(cè)（7）編寫以及調(diào)試程序（8）實(shí)地測(cè)試，檢測(cè)基本功能（9）與標(biāo)準(zhǔn)濕度計(jì)做對(duì)比測(cè)試，反復(fù)調(diào)試， （10） 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，實(shí)驗(yàn)結(jié)束2、方法及措施：（1）選擇主要元器件ESP8266串口WIFI1）使用優(yōu)勢(shì)：支持三種模式：AP,STA,AP+STA 共存模式5、完善簡(jiǎn)潔高效的AT指令開發(fā)簡(jiǎn)單。2）使用特點(diǎn)及方法：實(shí)現(xiàn)與同局域網(wǎng)設(shè)備之間的相互通信。Risym 土壤濕度傳感器模塊（4線）1）使用優(yōu)勢(shì)：擁有加寬的感應(yīng)面積，使土壤傳感器較為靈敏、表面采用鍍鎳處理，提高導(dǎo)電性，有效減少接觸土壤生銹問題，使用期限較長，成本較低3、感應(yīng)器價(jià)格較為低廉，易于獲得。2）使用特點(diǎn)及方法： 通過電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)閾值，濕度低于設(shè)定值時(shí)，DO輸出高電平，高于設(shè)定值時(shí)，DO輸出低電平，當(dāng)DO輸出低電平時(shí)，DO輸出指示燈亮；能夠傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。（2）大致系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)框圖：（如圖一所示）（3）軟件功能描述； 本次實(shí)驗(yàn)所用的ESP8266，不需要虛擬機(jī)，只需要搭建IOT環(huán)境。內(nèi)置WIFI前端和高性能的32位MCU，本次購買的ESP8266搭配安信可，安信可內(nèi)嵌了AI-CLOUD 的8266 SDK，可以用此去開發(fā)。ESP88266模塊在AP模式下與手機(jī)進(jìn)行通訊，打開安信可ESP8266模塊調(diào)試工具,選好串口,點(diǎn)擊連接;手機(jī)端打開ESP8266安卓客戶端,ESP8266模塊調(diào)試工具進(jìn)入AP和Sta通信選項(xiàng)卡 1: 按下1-選擇WiFi為AP模式 2: 按下2-設(shè)置AP模式下的參數(shù)3: 按下3-復(fù)位ESP8266模塊 4: 按下4-啟動(dòng)多連接 5: 按下5-開啟TCP服務(wù)器模式,開啟成功后,它會(huì)跳出一個(gè)提示彈窗,提示: 讓手機(jī)用WiFi連接ESP8266模塊,然后在手機(jī)上打開ESP8266安卓客戶端APP,并點(diǎn)擊連接按鈕 6: 按下6-等待接收APP操作指令 7: 如果你想結(jié)束本次測(cè)試,請(qǐng)按下7-結(jié)束測(cè)試。3、原理簡(jiǎn)述：利用傳感器連接外部環(huán)境，通過Risym土壤濕度傳感器將信號(hào)輸入ESP8263，Risym土壤濕度傳感器可以傳輸模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)（高低電平）；比較器采用了LM393芯片，工作穩(wěn)。Risym土壤濕度傳感器有電位器，用于調(diào)劑土壤適度的閾值，順時(shí)針調(diào)節(jié)，控制的濕度會(huì)越大，逆時(shí)針越?。粩?shù)字量輸出D0可以與單片機(jī)相連接，通過單片機(jī)來檢測(cè)高低電平，由此來檢測(cè)土壤濕度；小板模擬量輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)化，可以獲得土壤濕度更精確的值；經(jīng)過 Risym土壤濕度傳感器傳遞過來的信號(hào)傳遞到ESP8266當(dāng)中，通過Wi-Fi SOC芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳遞到移動(dòng)端或者電腦端；同時(shí)電腦端或者移動(dòng)端也可以發(fā)送信息到ESP8266中，從而達(dá)到控制輸出的目的。 4、實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的功能： 這次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果期望是： 第一，可以利用土壤濕度檢測(cè)器得知當(dāng)時(shí)環(huán)境下土壤的實(shí)時(shí)濕度，第二，自己可以根據(jù)情況設(shè)定某一土壤濕度值，當(dāng)環(huán)境土壤濕度值低于這一設(shè)定值時(shí)，傳感器燈亮，并且自動(dòng)打開水閥供水（在自動(dòng)模式下）；并且在移動(dòng)端或者電腦端得知當(dāng)時(shí)土壤濃度；（兩者同時(shí)處于同一無線局域網(wǎng)絡(luò)）第三，可以在移動(dòng)端或者電腦端選擇自動(dòng)模式或者手動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下可以打開或者關(guān)閉水閥；在自動(dòng)模式下選擇最低濕度值，自動(dòng)調(diào)節(jié)。四、研究工作進(jìn)度：序號(hào)時(shí)間內(nèi)容12016.12.9-2016.12.26選定課程，確定導(dǎo)師22016.12.26-2017.1.6任務(wù)書32017.2.27-2017.3.5開題報(bào)告會(huì)42017.3.6-2017.3.19完成外文翻譯及文件檢索52017.3.20-2017.4.2制作并完成電路圖及硬件62017.4.3-2017.4.16編寫程序及程序調(diào)試72017.4.17-2017.4.30實(shí)物檢測(cè)以及調(diào)試82017.5.1-2017.5.14撰寫畢業(yè)論文92017.5.15-2017.5.24論文評(píng)審及查重102017.5.29-2017.6.4答辯報(bào)告會(huì)五、 主要參考文獻(xiàn)：1 劉義.土壤信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2005(1):105-1062 馬孝義,馬建倉.土壤水分介電頻差式傳感器的研究J水土保持研究，2002(9):87923 王磊,文軍.衛(wèi)星被動(dòng)微波遙感土壤濕度研究進(jìn)展J.氣象科技，2009，37(1):6772.4劉永崗,王日鑫,李學(xué)哲.氣量法快速測(cè)定土壤含水量技術(shù)J.水土保持科技情報(bào)，2005(6):25275馬孝義,熊運(yùn)章,王慶璽,等.智能化田問土壤水分測(cè)定儀的研制J.水土保持通報(bào)，1995,15(1):32386時(shí)新玲,王國棟.土壤含水量測(cè)定方法研究進(jìn)展J.中國農(nóng)村水利水電，2003(10):84867楊延榮,左月明,單慧勇.基于傳輸