国家大学生创新性实验计划
典型案例
项目名称：无线探测自动节水浇灌系统
申请单位：西安电子科技大学通信工程学院
项目负责人：扈维
指导教师：杜栓义
起止年限：2007-2008
批准经费：47000元
无线探测自动节水浇灌系统
项目成员：扈维 吴汶泰 林胜洁 指导教师：杜栓义
案例摘要
无线探测自动节水浇灌系统项目组由通信工程学院通信工程专业的扈维、吴汶泰、林胜洁三人组成，三人均为大三学生。
指导教师杜栓义，通信工程学院教授从事无线通信系统研究多年，获国家科技进步三等奖一次、省部级二等奖二次、三等奖三次，发表论文30多篇。在研纵、横向研究课题共5项：
1.短波串/并行调制解调器研制，某型号项目中的支课题
2.短波接入网141B中BW0，某型号项目中的支课题
3.短波智能数字化电台，民用合作项目
4.渔船短波应急通信系统，民用合作项目
5.短波探测系统中的信道模拟器，某型号项目中的支课题
目前，我国的灌溉方式多采用人工控制，灌溉时间与灌水量完全凭经验决定，水资源浪费现象严重。本项目基于嵌入式系统、无线通信与计算机技术，旨在研究一套集数据采集、智能分析与自动化控制于一体的自动化灌溉系统，实现水资源的合理利用，达到节约灌溉用水与节省人力的作用。
在项目实施过程中，我组成员团结协作，对嵌入式系统开发、无线通信模块应用、人机界面与通信协议的代码编写、网络路由设计等有了深入的了解和掌握，提高了工程实践能力。在我组研制的“无线探测自动节水浇灌系统”中，不乏创新的亮点。
案例正文
一、项目选题背景
进入新世纪，水资源短缺已经成为全世界共同关注的焦点。我国是世界上十三个严重缺水国之一，水资源分布极不平衡，其中北方地区缺水尤为严重。作为用水大户，灌溉的科学性与合理性无疑将对节约水资源起到至关重要的作用。
作为通信工程专业的学生，我们经常思考：如何才能将书本上刻板的知识转化为生活中实用的技术呢？当发现目前灌溉中存在的水资源浪费现象后，我们意识到，将所学的通信知识与灌溉技术相结合似乎可以解决自动化灌溉中一些很关键的问题。
在咨询了有关专家，查阅了大量资料，并进行了深入的社会调查后，我们意识到这是个不错的创意，具有较为广阔的应用前景。于是，我们利用所掌握的嵌入式系统设计、通信与计算机相关技术，设计了这套“无线探测自动节水浇灌系统”，并付诸实践。
图1 系统工作简图
二、项目成员结构
（一）项目组成员介绍：
1.扈维
项目负责人，对创新性实验具有浓厚兴趣，具备较强的创新精神，具备较高的信息获取能力和实践能力。主要负责实验过程控制和实验成品的制作。
2.吴汶泰
具备较高的实验操作和信息获取能力，具有较强的创新实践精神，对创新性实验充满兴趣。主要负责实验原理与工作协调。
3.林胜洁
具备较高的实验操作能力，编程能力出色，对创新性实验具有浓厚兴趣。主要负责实验电路设计与代码编写。
（二）项目协调配合
实验进度由项目负责人进行控制。项目进行过程中，成员团结协作，分工明确，严格按照项目计划进行。
（三）导师指导情况
指导教师每周进行一次项目指导，指出关键技术的突破方法，并提供试验场地。
三、项目的创新点与特色
在项目设计阶段，我们一直坚持两个宗旨：一是要有自己的特色，绝不照搬别人的东西。第二点，就是要做“具有实用价值”的项目。
项目创新点：
（一）无线数据传输
在关于国内灌溉状况的调查过程中，我们发现一些使用了电控制灌溉系统的场合会出现挖断电线的情况。这是由于施工过程中并未将走线路径记录下来所造成的，而这种情况，并不是个别现象。另外，由于电线的羁绊，作物的更替也十分不易。如今，无线通信技术已十分成熟，何不把恼人的电线去掉呢？于是，我们在系统中应用了无线数字传输模块（如右图所示）,并编写了传输环境数据所需的通信协议。这样，系统可以适应更多场合，安装与使用也更加简便、灵活。
（二）真正“无人值守”
在进行初始化的数据设置之后，整套系统可实现 完全自动化控制，真正解放了人力。
（三）节能很彻底---太阳能电池板的应用
由于采用无线设计，电源就成为了一个关键问题。如采用碱性电池，电量得不到很好的保证。需要经常更换，十分繁琐。于是，我们决定采用太阳能作为探测模块的能源。可如果遇到阴雨天气呢？最终，我们成功开发出太阳能电池板+蓄电池+防水辅助设备的电源系统，将节能做得更加彻底。 图2 无线传输模块
（四）友好的人机界面
控制中心采用图形化人机界面，用户可自行设置数据。系统还会根据植物的种类给出建议值。
另外，做“具有实用价值的”项目，这不仅仅是个口号。我们所做的不是“半成品”，而是包括探测模块、传输模块、控制终端、人机界面，甚至电磁阀、喷头在内的整套系统，一套具有真正使用价值和推广意义的自动化灌溉系统。
四、项目实施进展情况及初步取得的创新成果
图3 系统流程图
无线数据传输是本项目的主要核心内容之一，各种应用均是建立在良好的无线网络下的。目前市面上有CC1020等芯片适合用来做数传模块，但为了节省开发周期，我们采用了市面上已经成熟应用的模块产品SRWF-1。其支持多种频率，多种速率进行传输，室外有效距离可达300米。其通过RS232接口与单片机连接。只要单片机向串口写入数据，数传模块便能根据设定的频率、速率进行发送，简单易用，性价比较高。
单片机的选择是另一个重要内容。在项目初期，我们采用89C52作为主要芯片。但随着项目的深入，其体积过大，功能较少等缺点开始体现。因此经过研究，我们决定采用STC公司最新出产的STC12C5410AD产品。该单片机有20脚的封装，体积较小，而且集成了8路10位的A/D转换，具有EEPROM等功能，与我们的项目要求十分吻合，因此我们选择了这款产品作为MCU控制芯片。
作为自动化节水控制系统，良好的土壤水分传感器是必不可少的。目前市场上主要有采用电阻式、TDR、FDR等技术的传感器，其中电阻式价格便宜但性能不佳，探测时间长，难于稳定。而TDR、FDR都具有较好性能，其中FDR寿命比TDR短，但价格也相对便宜，非常适合实验之用。最后我们选定了FDR-100这款土壤水分传感器。
为了能够有效得控制喷头的喷水，我们采用了电磁阀+继电器的控制方式。其中电磁阀采用220V市电，难以直接用单片机控制。为此，我们添加了继电器单元，只要用单片机的I/O 口经过三极管放大来控制继电器，再经继电器即可控制电磁阀的开与关，从而能够顺利地控制灌水喷头的开关。
由于此系统设计初衷是能够长时间得在土中运行，故电池采用了可充电锂电池经稳压管（W7805）之后给单片机供电。为了能够方便得给电池充电，同时响应国家“节能减排”的号召，我们采用太阳能供电的方式来给电池充电，这将是我们项目后期的任务之一。
在构建好系统框架后，我们需要有良好的人机界面供用户使用，这也是用户最关心的部分之一。如今在各种编程语言中，Java语言作为一种完全面向对象的语言正得到广泛的应用，其功能强大，而且许多开发项目正是使用此语言，亦可为我们提供参考，缩短开发周期。更重要的是其跨平台的特性，使得用户不必更换原有的计算机服务器平台便可方便的运行控制程序，这也是人性化的产品所应具有的。下图为我们初步设计的控制界面，在项目实施后期还会加入图形化即时显示系统以及网络控制界面，从而适应更大规模的系统运行。
图4 系统控制界面
五、项目实施过程中的收获与体会
（一）创新来自宽阔的视野
在我们所研究的“无线探测自动节水浇灌系统”中，存在很多创新点，如：无线传输控制、太阳能供电、智能人机界面等，这些创新点无一不是在大量的了解国内外先进的工业生产技术现状和社会发展方向的前提下获得的。而一些原版的外文电子杂志如《PopularScience》《ScientificAmerican》等，都颇具时代性、实效性。我们通过这样的渠道不断的了解和学习新的技术、新的思维、新的理念。在实验中，我们不断的将“实验项目”和新技术新理念作对比，不断的改进和创新。我们相信，借鉴和学习是基础，创新正是建立在他们之上的，只有更多的了解和学习新的技术与理念，才能触发自我创新的灵感，从而提出正确可行的创新计划和方案。
（二）充分利用已有资源进行自我学习
在实验过程中，经常出现这样的情况：我们对某一个算法不太明白，于是马上在Internet上的一些论坛搜索相关信息，然后根据找到的方法去解决问题。同样的问题也存在于电路板设计、元器件性能了解等方面，我们往往能够很快的利用Internet这样高效率的工具进行快速的学习，并利用学到的知识解决我们当前面临的问题。当然，并不是所有的问题都能从网上得到答案，如果网上都找不到，便请教指导老师，或者到图书馆查阅资料。这样的过程不像是一个纯粹应用自己知识的过程，而更加像一个“遇到问题——学习新知识——解决问题”的过程。我们认为，“创新性实验”是国家为了强化学生的专业知识，培养和提高学生动手能力和创新思维而设立的项目，只有抓住这样一条主线，我们才能够更好的通过这样的实验项目锻炼和强化自身的知识水平。
（三）实验进程的控制很重要
如果进程混乱，整个实验过程将会浪费大量时间。比如：和实验相关的元件是需要不断去电子市场购买的，而实验需要某些器件，如果没有一个统筹安排，就一定会在在工序上出现混乱。我们的做法是每周讨论分析下一周需要完成的任务，包括实验的安排、相关知识的学习、元件的购买以及社会调研等方面，这样一来，我们将可以非常沉着的应对即将到来的新问题和新情况。科学的统筹安排不仅有助于提高效率，更有助于提高实验的科学性，避免不必要的波折。另外，进程的安排不能太过于急功近利，如果想一口吃成个胖子，那是不科学也是不切实际的。我们应该合理的安排实验进程，充分利用课余时间、高效率地完成试验项目。
（四）盲目的节约只会导致浪费
在实验的材料购买上，不该花的钱一分都不能花，该花的钱千万不能节约。我们曾在绘制PCB电路板的时候为了使板子做得比较小（越小越便宜），就把板子上的元器件的空间位置安排得过于紧凑，这样一来，印制电路板倒是节约了，但导致的结果是当我们用印制的电路板焊接好元件以后，出现了严重的短路现象，不仅电路板报废，同时也烧坏了不少元器件，更令人无奈的是要改进电路板就又需要等4－5天的时间周期。而时间的浪费是最让人心疼的。所以说，节约要在确定其可行性的前提下进行，否则所导致的物质和时间的浪费是无法弥补的。
（五）做好实验记录报告
实验记录是我们最容易忽视的，但只有惯于和善于做实验记录才能让我们更好的掌握整个实验的过程，并从每次实验中学习并提升自己的实践能力。实验记录的内容很多，包括：实验名称、实验目的、实验器材、实验步骤、实验数据、问题分析讨论、心得体会。我们认为心得体会是每一次必不可少的一个总结，用心地去完成这次总结将非常有助于我们提高设计实验、分析实验的综合能力；另外，实验步骤体现了整个实验的科学性和可行性；问题分析则为项目的进展指明了方向。总之，做好实验记录是不可忽略的，因为它本身就是实验的重要环节之一。
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/c0d8c07931b765ce050814cc.html
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