本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)是一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的嵌入式溫室控制器。針對(duì)分布式溫室的現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程雙監(jiān)控、溫室群集中控制、單個(gè)溫室內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)組織靈活、控制實(shí)時(shí)性高、在溫室高溫高濕環(huán)境下長(zhǎng)期工作穩(wěn)定的需求，采用了嵌入式及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的設(shè)計(jì)。控制器內(nèi)嵌實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支撐了實(shí)時(shí)性高的溫室控制算法。同時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)和CAN總線協(xié)議設(shè)計(jì)，共同使得顯示與控制信號(hào)在多個(gè)溫室和中央控制PC機(jī)之間及時(shí)可靠傳送、數(shù)據(jù)一致同步。控制器采用寬溫元器件、通信全面隔離、低功耗、低成本。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)具有現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程雙操作、傳感器組織靈活、控制實(shí)時(shí)性高、硬件穩(wěn)定可靠、系統(tǒng)易于安裝維護(hù)的特點(diǎn)，適合各種大型分布式溫室群的控制系統(tǒng)應(yīng)用。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種新型的基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的嵌入式溫室控制器。該控制器獨(dú)立安裝在一個(gè)溫室小區(qū)內(nèi)，小區(qū)本地即可顯示信息和進(jìn)行控制設(shè)置。多個(gè)控制器與中央控制PC機(jī)通過(guò)CAN總線相連之后，可進(jìn)行集中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生產(chǎn)管理。控制器內(nèi)嵌的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能滿(mǎn)足灌溉等對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求很高的子系統(tǒng)。控制器的數(shù)據(jù)采集模塊采用全數(shù)字式的有線及無(wú)線智能傳感器。控制器的硬件設(shè)計(jì)具有全面的隔離保護(hù)、低功耗、寬溫及價(jià)格低廉的特點(diǎn)。本專(zhuān)利技術(shù)可用于分布式的大型溫室群的生產(chǎn)監(jiān)控，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制性能、實(shí)現(xiàn)了本地和遠(yuǎn)程的雙重控制操作、使系統(tǒng)更加可靠和易于管理維護(hù)。
技術(shù)介紹
隨著數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)的計(jì)算機(jī)溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于溫室生產(chǎn)。現(xiàn)有的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，大部分的控制器還是集中在計(jì)算機(jī)控制室內(nèi)，不能在單個(gè)溫 室進(jìn)行本地監(jiān)控，無(wú)法適應(yīng)大型分布式溫室群控系統(tǒng)的本地和遠(yuǎn)程同時(shí)監(jiān)控的需求。其次，大部分溫室的數(shù)據(jù)采集仍舊用模擬量傳輸，信號(hào)傳輸距離越遠(yuǎn)、衰減越大、抗干擾能力弱，數(shù)據(jù)采集模塊位置和數(shù)量固定、組織方式不靈活。另外，絕大部分溫室控制器不能提供實(shí)時(shí)性很高的控制，不能應(yīng)用于灌溉配肥等實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)。為了適應(yīng)溫室控制系統(tǒng)的新的發(fā)展需求，本專(zhuān)利技術(shù)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的嵌入式溫室控制器采用了性能優(yōu)越的Cortex-M3微處理器、運(yùn)用了 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)，嵌入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)兼顧了安全可靠性、安裝維護(hù)便捷性、低功耗低成本等特點(diǎn)，為大型分布式溫室群提供了性能優(yōu)異的控制器及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)平臺(tái)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服現(xiàn)有溫室系統(tǒng)的不適應(yīng)分布式應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集模塊靈活性不足、以及不能應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)的這些缺陷，使其能夠更好的滿(mǎn)足溫室控制的新需求，進(jìn)一步提高溫室控制系統(tǒng)的性能，本專(zhuān)利技術(shù)提出一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的嵌入式溫室控制器，該控制器的數(shù)據(jù)采集模塊采用RS485總線和ZigBee無(wú)線組網(wǎng)通信，控制器本身內(nèi)嵌實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能控制溫室的溫度、濕度、二氧化碳含量、光照、灌溉等，控制器之間通過(guò)CAN總線相互連接，設(shè)計(jì)的CAN總線的協(xié)議適合溫室控制，再結(jié)合中央控制PC機(jī)的監(jiān)控管理軟件，實(shí)現(xiàn)大型分布式溫室群的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。本專(zhuān)利技術(shù)解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是控制器嵌入式設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)。控制器的嵌入式設(shè)計(jì)是指控制器采用精簡(jiǎn)指令集的ARM Cortex-M3微處理器STM32F103RBT6，移植了經(jīng)裁剪的超小的uC/OS-II操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了與硬件接口對(duì)應(yīng)的板級(jí)支持包，編寫(xiě)了適應(yīng)溫室環(huán)境控制的多任務(wù)調(diào)度機(jī)制，使得實(shí)時(shí)性和軟件可靠性大幅提升。另外，硬件設(shè)計(jì)具備嵌入式系統(tǒng)的超低功耗的特點(diǎn)，滿(mǎn)負(fù)荷工作的最大功耗為4瓦，低負(fù)荷的最小功耗為I瓦。控制器按照溫室高溫高濕環(huán)境的特殊要求，選擇了寬溫(溫度范圍零下40到85攝氏度)的元器件。控制器的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)是指多個(gè)控制器以及中央控制PC機(jī)通過(guò)一根電纜相連，該電纜包括給控制器電源供電以及CAN通信總線。該設(shè)計(jì)不僅使安裝維護(hù)非常簡(jiǎn)單，同時(shí)CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層性能也保證了溫室數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴AN總線的通信協(xié)議是針對(duì)溫室控制系統(tǒng)的特別需求自行設(shè)計(jì)的，該協(xié)議設(shè)計(jì)采用了短幀，提高了可靠性。該協(xié)議特別設(shè)計(jì)了標(biāo)識(shí)符自增的優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，該機(jī)制能在符合總線負(fù)載的限制的前提下，自動(dòng)、及時(shí)、可靠地組織各個(gè)控制器之間的數(shù)據(jù)，傳送到中央控制PC機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明該機(jī)制能在單個(gè)控制器的實(shí)時(shí)要求范圍內(nèi)完成沖裁失敗數(shù)據(jù)的重發(fā)，多個(gè)控制器同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)幾乎無(wú)丟失。本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果I、現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程雙重控制操作的便捷性通過(guò)CAN總線連接各個(gè)溫室的控制器及中央控制PC機(jī)，設(shè)計(jì)的CAN通信協(xié)議能有效、實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程的環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)置數(shù)據(jù) 的交換和同步。2、高實(shí)時(shí)性的控制性能微控制器嵌入經(jīng)裁剪的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為實(shí)時(shí)性要求高的控制算法提供了平臺(tái)。3、全數(shù)字智能傳感器的數(shù)據(jù)可靠性及傳感器網(wǎng)絡(luò)的易組織性數(shù)字傳感器避免了模擬量傳感器的信號(hào)衰減的缺陷，無(wú)線數(shù)字傳感器使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置更加靈活方便。4、豐富的具有嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)的硬件性能硬件設(shè)計(jì)充分滿(mǎn)足了溫室對(duì)象的高溫高濕環(huán)境的特殊需求，同時(shí)也做到了低功耗低成本的要求。5、現(xiàn)場(chǎng)總線的可靠性及易安裝維護(hù)性整個(gè)控制系統(tǒng)只用一根電纜即可相互連接，該電纜中間可拼接，安裝和維護(hù)都極為方便。即使該總線斷路，各個(gè)控制器也可獨(dú)立對(duì)溫室進(jìn)行控制，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)。附圖說(shuō)明圖I是本專(zhuān)利技術(shù)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的嵌入式溫室控制器的結(jié)構(gòu)框2是本專(zhuān)利技術(shù)的分布式溫室群控系統(tǒng)的系統(tǒng)框3是本專(zhuān)利技術(shù)的控制器的現(xiàn)場(chǎng)總線部分電路框圖具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I所示，本專(zhuān)利技術(shù)的控制器結(jié)構(gòu)由微控制器、電源模塊、CAN總線通信模塊、接收傳感器信號(hào)模塊、輸出模塊、顯示和鍵盤(pán)模塊組成。CAN總線通信模塊負(fù)責(zé)與其他控制器以及中央控制PC機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)雙向的顯示和控制設(shè)置的同步。控制器內(nèi)有接收有線RS485型以及無(wú)線ZigBee型傳感器信號(hào)的接收模塊，實(shí)現(xiàn)外部傳感器組織靈活并且數(shù)據(jù)可靠。本專(zhuān)利技術(shù)的控制器采用的微處理器是最新ARMv7架構(gòu)的、針對(duì)傳統(tǒng)深嵌入式單片機(jī)應(yīng)用的M3系列的STM32F103RBT6芯片。該芯片采用了 Thumb2指令集，提高了指令執(zhí)行密度，改善了溫室應(yīng)用程序代碼效率；在內(nèi)核水平上搭載了中斷控制器NVIC，大大縮短了中斷延遲，提高了控制算法的實(shí)時(shí)性指標(biāo)；使用了雙堆棧和支持兩級(jí)特權(quán)操作，為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的切換提供了安全機(jī)制，使所移植的操作系統(tǒng)和所寫(xiě)的溫室控制程序更穩(wěn)定運(yùn)行；同系列芯片存儲(chǔ)器映射相對(duì)固定、使程序在相同系列的芯片間容易移植，易于不同規(guī)模的溫室使用不同引腳數(shù)的芯片；內(nèi)核內(nèi)嵌了調(diào)試模塊及串行調(diào)試訪問(wèn)接口 SWJ-DP，使調(diào)試口的IO 口數(shù)量大大減少，實(shí)際產(chǎn)品的下載電路面積大大減小。如圖2所示，本專(zhuān)利技術(shù)的控制器與中央控制PC機(jī)組成大型溫室群控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中每個(gè)溫室可由各自的控制器獨(dú)立控制，也可在中央控制PC機(jī)上集中控制，本地和遠(yuǎn)程控制同步。該設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的使用便捷性和整體可靠性。中央控制PC機(jī)還實(shí)現(xiàn)大型的生產(chǎn)管理功能，包括用戶(hù)管理、數(shù)據(jù)管理、質(zhì)量安全管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理、視頻監(jiān)控等功能。如圖3所示，本專(zhuān)利技術(shù)的控制器的CAN、RS485總線電路實(shí)現(xiàn)了控制器之間以及控制器和智能傳感器之間的通信。微控制器STM32F103RBT6集成了 CAN總線控制器，由ADuM1201電氣隔離芯片、SN65HVN230CAN總線收發(fā)芯片和其他元件構(gòu)成CAN總線通信電路。ADuM1201電氣隔離芯片具有高傳輸速率、外圍電路簡(jiǎn)單特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)MCU與外圍設(shè)備的電氣隔離。高頻濾波電路中加了兩個(gè)30pF陶瓷電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射能力。保護(hù)電路中加了 TVS防雷管和限流電阻，當(dāng)CAN總線兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬 變干擾時(shí)，通過(guò)防雷擊管的放電可起到一定的保護(hù)作用，SN65HVN230芯片的CAN_MP CAN_L引腳串聯(lián)的電阻起一定的限流作用。微控制器STM32F103RBT6集成了 USART控制器，由ADuMl201電氣隔離芯片、MAX485ESA RS485總線驅(qū)動(dòng)芯片和其他元件構(gòu)成RS485總線通信電路。由于MAX485ESA的檢測(cè)靈敏度為±2. OOmV，對(duì)于該芯片的輸出本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的嵌入式溫室控制器，包括微控制器、CAN總線通信模塊、RS485總線通信模塊、數(shù)字量輸出模塊、LCD顯示模塊、LED顯示模塊和鍵盤(pán)模塊。其特征在于，所述溫室控制器通過(guò)有線RS485型或無(wú)線ZigBee型數(shù)字智能傳感器，接收溫室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳含量、光照等環(huán)境信號(hào)，根據(jù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度和溫室控制算法，輸出控制信號(hào)給RS485總線輸出模塊或數(shù)字量輸出模塊，控制溫室內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作；單個(gè)溫室控制器的控制參數(shù)通過(guò)鍵盤(pán)模塊輸入，環(huán)境信息及控制器狀態(tài)由LCD和LED模塊顯示；同時(shí)，多個(gè)溫室控制器通過(guò)CAN總線連接到中央控制PC機(jī)，組態(tài)配置成溫室群控系統(tǒng)，中央控制PC機(jī)不僅能同時(shí)監(jiān)控多個(gè)溫室，還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生產(chǎn)管理。
【技術(shù)特征摘要】
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張侃諭，周強(qiáng)，梁欣婷，鈕旭東，瞿云鋒，張軍，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：張侃諭，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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