溫室大棚鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)電子信息專(zhuān)業(yè)

1、溫室大棚鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)摘 要近些年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷的進(jìn)步，溫室大棚鍋爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也開(kāi)始向著智能化的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展。特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和總線技術(shù)的發(fā)展為溫室大棚鍋爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一種新的技術(shù)方案。本次根據(jù)CAN總線技術(shù)成熟、可以多點(diǎn)組網(wǎng)、使用方便等特點(diǎn)，并且結(jié)合現(xiàn)有的鍋爐控制器，對(duì)現(xiàn)有的溫室大棚鍋爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的溫室大棚鍋爐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單一控制方式相比較，本文將多個(gè)溫室大棚的供暖鍋爐通過(guò)CAN總相信技術(shù)組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的集散控制?，F(xiàn)有的溫室大棚鍋爐控制器具有AI、DI、DO、RDT、RS485 等接口電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)和控

2、制，鍋爐控制器使用的時(shí)候作為Modbus從站，可以通過(guò)主站設(shè)備對(duì)鍋爐控制器進(jìn)行控制。本次為了實(shí)現(xiàn)CAN總線多點(diǎn)組網(wǎng)功能，開(kāi)發(fā)了RS232/RS485-CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，在每個(gè)鍋爐控制器的RS485 接口上都安裝一個(gè)RS232/RS485-CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，這樣每個(gè)鍋爐控制器就相當(dāng)于一個(gè)采集子節(jié)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)一個(gè)CAN總線主站節(jié)點(diǎn)，這樣就可以通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和控制。本次使用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了溫室大棚鍋爐監(jiān)控軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的鍋爐的工作方式設(shè)定、鍋爐控制、信息的采集、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)表打印等功能。在完成了上面的量和部分內(nèi)容后搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)的功能

3、進(jìn)行了演示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫室大棚鍋爐的無(wú)線組網(wǎng)功能，并可以進(jìn)行鍋爐的無(wú)線控制。通過(guò)測(cè)試，把本次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理、工作性能穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以靈活擴(kuò)展、系統(tǒng)的功耗低、相對(duì)于有線的控制方式來(lái)說(shuō)，它具有如下的優(yōu)點(diǎn)，即：較低的成本和方便的維修。關(guān)鍵詞:鍋爐控制器; 溫室；CAN總線；監(jiān)控界面AbstractIn recent years, with the continuous progress of science and technology, greenhouse boiler monitoring system has begun to develop toward an inte

4、lligent trend. In particular, the development of computer technology and bus technology provides a new technical scheme for greenhouse boiler monitoring system. According to the CAN bus technology, multi-point network, easy to use, and the combination of the existing boiler controller, the greenhous

5、e boiler monitoring system improved design, the design of the greenhouse boiler monitoring system based on CAN bus. Compared with the traditional single control method, the heating boilers in several greenhouses are combined with CAN technology to realize the distributed control of the boiler.The de

6、tection and control of greenhouse boiler controller existing with AI, DI, DO, RDT, RS485 and other interface circuit can realize the environmental parameters of the greenhouse, when used as a boiler controller Modbus from the station of a boiler can be controlled by the master device controller. In

7、order to realize the function of multi-point network CAN bus, developed RS232/RS485-CAN bus protocol conversion module, RS485 interface in each boiler controller are installed on a RS232/RS485-CAN bus protocol conversion module, so that each boiler controller is equivalent to a collection of child n

8、odes. In the design of a CAN bus master node, this can be achieved through the CAN bus data acquisition and control of the node. The use of MCGS configuration software design of greenhouse boiler monitoring software can be achieved on each node of the boiler work setting, boiler control, information

9、 collection, historical data query, report printing and other functions.After completing the amount and part of the above, a simple experimental platform is built, and the function of the system is demonstrated. The experiment shows that the system can realize the wireless networking function of the

10、 greenhouse boiler, and can carry out the wireless control of the boiler. Through the test, the power structure of this system is reasonable and stable working performance, the number of nodes can be flexibly expanded, the system is low, relative to the cost control cable low, convenient maintenance

11、, and has great application value.Key words: boiler controller; greenhouse; CAN bus; monitoring interface目錄摘 要1Abstract2第一章 緒論51.1 課題研究的背景介紹61.2 溫室鍋爐控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)71.3 國(guó)內(nèi)外溫室控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)81.4課題的研究?jī)?nèi)容與研究方法11第二章現(xiàn)有鍋爐控制器介紹122.1溫室大棚鍋爐介紹122.2 鍋爐控制器簡(jiǎn)介132.3 鍋爐控制器中的控制量和參變量152.4 本章小結(jié)18第三章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)193.1鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析193.2改進(jìn)后

12、的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)203.3 通訊網(wǎng)絡(luò)213.4 本章小結(jié)26第四章CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)274.1 CAN-RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊框圖設(shè)計(jì)274.2 CAN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊框圖設(shè)計(jì)274.3 CAN-RS485/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊硬件電路設(shè)計(jì)284.3.1 STC89C52單片機(jī)電路設(shè)計(jì)284.3. 2 CAN控制器電路設(shè)計(jì)294.3.3 CAN收發(fā)器電路設(shè)計(jì)304.3.4 RS485接口電路設(shè)計(jì)324.3.5 RS232接口電路設(shè)計(jì)334.3.6 CAN-RS485/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊整體電路圖334.4 CAN-RS485/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)344.4.1

13、 Modbus協(xié)議與CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換344.4.2 主程序設(shè)計(jì)384.4.3 系統(tǒng)初始化394.4.4 數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送424.5 本章小結(jié)44第五章組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)455.1 監(jiān)控軟件的任務(wù)分析455.2 MCGS簡(jiǎn)介455.2.1 MCGS的系統(tǒng)組成455.2.2 MCGS組態(tài)軟件的特點(diǎn)475.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)步驟475.4 上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)485.4.1 主控窗口設(shè)計(jì)485.4.2 鍋爐監(jiān)控界面設(shè)計(jì)525.4.3 歷史數(shù)據(jù)界面535.4.4 報(bào)警界面設(shè)計(jì)545.4.5 參數(shù)設(shè)置界面555.5 本章小結(jié)57第六章測(cè)試系統(tǒng)搭建與調(diào)試586.1 鍋爐硬件搭建586.1.1 鍋爐測(cè)試板586.

14、1.2下位機(jī)控制系統(tǒng)組成586.1.3 上位機(jī)控制系統(tǒng)組成596.2 整體監(jiān)控系統(tǒng)使用流程606.3 系統(tǒng)的整體調(diào)試616.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試616.3.2控制鍋爐啟動(dòng)調(diào)試626.3.3 手動(dòng)控制調(diào)試636.3.4 權(quán)限調(diào)試636.3.5 報(bào)警功能調(diào)試646.4 本章小結(jié)65第七章總結(jié)與展望667.1 論文總結(jié)667.2 展望66參考文獻(xiàn)68致 謝72附錄CAN-RS485/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊電路圖73附錄CAN-RS485/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊PCB圖74第一章 緒論近些年隨著總線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷的發(fā)展和進(jìn)步，人們的生活水平已經(jīng)發(fā)生了重大的變化。對(duì)于很多的工業(yè)空中場(chǎng)合或

15、者農(nóng)業(yè)控制場(chǎng)合來(lái)說(shuō)控制模式也發(fā)生了改變。傳統(tǒng)的有線的控制方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和需求。溫室大棚作為保證蔬菜供給的中重要的設(shè)備已經(jīng)非常的普及。傳統(tǒng)的溫室大棚鍋爐控制主要是使用有一對(duì)一的方式進(jìn)行，大棚現(xiàn)場(chǎng)非常的混亂、維修起來(lái)也非常的困難。這樣使用總線技術(shù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚鍋爐的控制將會(huì)具有重要的應(yīng)用價(jià)值1。1.1 課題研究的背景介紹我國(guó)是一個(gè)擁有將近14億人口的大國(guó)也是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，國(guó)土面積廣闊，土地資源的現(xiàn)狀為：土地資源的絕對(duì)數(shù)量大，人均占有量少；土地類(lèi)型多種多樣，山地多，平地少，耕地、林地比重低，不可利用的土地比重大，改造后可以利用的土地資源不多。經(jīng)過(guò)一項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期改造的耕地

16、面積居世界第4位，看起來(lái)排名在世界前列，但是人均一看確實(shí)僅為世界平均的百分之四十，我們?cè)诳此Y源從世界來(lái)看是位居第六，但是人均卻是世界人均占有量的百分之二十四，這樣我們就需要考慮，在人均耕地面積和人均水資源如此缺乏的條件下，如何使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率達(dá)到最大限度的提升，是我國(guó)建立節(jié)約型社會(huì)，推進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要課題2。近些年來(lái)隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活水平也有了很大的提高，在吃、穿、住、行等方面都發(fā)生看重大的變化。人們對(duì)蔬菜、水果、花卉、名貴要藥材等方面的需求也在逐年的增大。在自然環(huán)境下生長(zhǎng)的產(chǎn)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求3。針對(duì)以上情況,溫室技術(shù)作為設(shè)施農(nóng)業(yè)中的一項(xiàng)重要發(fā)展方向正被越來(lái)

17、越多的農(nóng)業(yè)科研人員日益地重視起來(lái)。我們知道溫度對(duì)于溫室大棚中農(nóng)作物的生產(chǎn)起到了決定性的作用。特別是在大中型蔬菜大棚管理系統(tǒng)中，由于溫度過(guò)高或過(guò)低引起的蔬菜大棚農(nóng)作物生長(zhǎng)不好，新陳代謝加快而放出熱量，放熱引起的溫升又進(jìn)一步加劇農(nóng)作物的生長(zhǎng)不好，因此蔬菜大棚必須重視對(duì)空氣溫度精確而又方便的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4。本次監(jiān)控的對(duì)象是我國(guó)某地區(qū)的一個(gè)蔬菜大棚廠區(qū)。整個(gè)大棚廠區(qū)有幾百個(gè)溫室大棚，在冬天的時(shí)候由于的氣溫低，因此需要對(duì)大棚進(jìn)行供暖?，F(xiàn)有的大棚的供暖的方式是使用鍋爐控制器，采用Modbus方式對(duì)鍋爐進(jìn)行控制?？刂频木嚯x有限制。本次為了決絕上面的問(wèn)題，在現(xiàn)有控制器上進(jìn)行了升級(jí)改造，使用CAN總線的方式進(jìn)行組網(wǎng)

18、，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室大棚鍋爐的多點(diǎn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)改造的設(shè)備論是從效率、經(jīng)濟(jì)、安全等方面都由于之前的控制方式。1.2 溫室鍋爐控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)在日常的生活、工業(yè)及其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，有關(guān)鍋爐性能的控制能夠?qū)θ藗兊纳詈蜕a(chǎn)產(chǎn)生直接的影響到。在上個(gè)世紀(jì)我國(guó)的鍋爐控制水平還不是很高，最主要的控制方式還主要是人工值守方式或者定期巡檢的方式。這種方式不能夠?qū)崟r(shí)的獲取鍋爐的工作狀態(tài)和反饋的溫度參數(shù)。很多情況下，為了避免引起用戶(hù)的責(zé)罵，就寧愿多燒使其得到過(guò)高的溫度，這樣不僅使得能源有所浪費(fèi)，也損壞了鍋爐的有關(guān)設(shè)備。進(jìn)入21世紀(jì)，鍋爐控制技術(shù)有了重要的發(fā)展，從人工控制的方式逐步變成了智能的控制方式，現(xiàn)在的鍋爐控制技

19、術(shù)已經(jīng)可以和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等融合到一塊。經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)的國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)資料總結(jié)如下：鍋爐控制技術(shù)從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看有四個(gè)發(fā)展階段5：（1）人工現(xiàn)場(chǎng)操作階段微電子技術(shù)在上世紀(jì)50-60年代以前還沒(méi)有出現(xiàn)，此時(shí)也不具有成熟的自動(dòng)化方面的控制技術(shù)，而且鍋爐的控制理論也不是很完善。所以當(dāng)時(shí)的鍋爐控制技術(shù)主要是人工現(xiàn)場(chǎng)操作方式，也就是說(shuō)對(duì)鍋爐的操作需要由一些經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工人完成，工人們需要每天輪班對(duì)鍋爐進(jìn)行操作，這種方式不但增加了工人的勞動(dòng)量，而且還容易由于環(huán)境因素造成一些安全事故。因此人工現(xiàn)場(chǎng)操作的方式并不能保證鍋爐的安全運(yùn)行。（2）繼電器、儀器、儀表控制階段在20世界60-80年代，隨著微

20、電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。此后，廣泛的應(yīng)用于鍋爐控制的一些設(shè)備有繼電器、儀器以及儀表。與此同時(shí)，有關(guān)鍋爐控制器的設(shè)置可以依據(jù)其本身具有的特點(diǎn)。此階段，因?yàn)槲覀儜?yīng)用了自動(dòng)化技術(shù)及其微電子技術(shù)，因此，能夠使得鍋爐的控制系統(tǒng)具有了較高的穩(wěn)定性。節(jié)省了人工的勞動(dòng)力。但是這個(gè)階段在鍋爐控制的精度和靈活性上也有很大的缺點(diǎn)。 （3）微機(jī)控制階段20世紀(jì)90年代后，微機(jī)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，PLC、微機(jī)、工業(yè)控制中的PCI板卡中都廣泛的應(yīng)用了微機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而且這些產(chǎn)片也廣泛的在鍋爐控制中使用，這樣鍋爐的精確性和穩(wěn)定性相比于第二個(gè)階段得到了很大的提升。和之前的鍋爐控制相比較，鍋爐控制的自

21、動(dòng)化程度會(huì)更高、并且具有了更加靈活的控制方式，但是，為了避免外界環(huán)境干擾系統(tǒng)本身，就需要對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的完善。（4）智能控制階段。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、科技的發(fā)展，智能化的鍋爐控制系統(tǒng)融合了運(yùn)籌學(xué)、人工智能、模糊理論及控制論等控制算法，使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠。采用集中控制的方式實(shí)現(xiàn)鍋爐的群控是一種發(fā)展趨勢(shì)。MDCS小型集散控制系統(tǒng)是由秦家偉推出的，他在小型鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用中根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)的智能控制公司的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于智能建筑中的分散式鍋爐的集散控制。除他以外，北郵的孟維杰也實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，不過(guò)他利用的是GPRS 6。但是這兩種方案對(duì)隨機(jī)分布鍋爐的集中監(jiān)控仍然存在著許多不足之處：系

22、統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)比較大。網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有自組建功能，適應(yīng)能力弱。而CAN總線技術(shù)，因其廣泛的應(yīng)用前景已經(jīng)受到了各國(guó)的重視。在工業(yè)控制領(lǐng)域，通過(guò)利用CAN總線與傳感器技術(shù)使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、分析及處理變得十分快捷與方便。1.3 國(guó)內(nèi)外溫室控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)溫室一般使用采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，溫室里的植物不會(huì)受到外界天氣變化，季節(jié)變化，以及惡劣氣候的影響。溫室是可以改善植物的生長(zhǎng)和生存環(huán)境的一個(gè)場(chǎng)所。某些露天植物在冬季以及惡劣不適應(yīng)生存，溫室恰恰為這種植物提供了便利的條件，為它提供了良好的生存環(huán)境，因此環(huán)境控制是溫室效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。這個(gè)技術(shù)最終需要達(dá)到一定的精準(zhǔn)度才可以使得植物更有利的生長(zhǎng)。1.3

23、.1國(guó)外溫室控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)外，眾所周知，美國(guó)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展速度最快的國(guó)家，同時(shí)他也是在大棚中應(yīng)用計(jì)算機(jī)最早的國(guó)家之一。早期開(kāi)發(fā)的控制與管理系統(tǒng)是考慮了多種因素，對(duì)大棚里的溫度，濕度，光照等許多因素進(jìn)行考察，從而根據(jù)植物的生長(zhǎng)所需要的條件進(jìn)行控制，因?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)環(huán)境因素很多，所以系統(tǒng)中需要輸入植物生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)目標(biāo)，種植者輸入?yún)?shù)后，系統(tǒng)可以通過(guò)傳感器實(shí)際勘測(cè)的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行加熱，通風(fēng)，澆水或者降溫等等，從而進(jìn)行對(duì)整個(gè)大棚的溫度控制。不僅僅在美國(guó)用這種溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)口的國(guó)外設(shè)備以及我國(guó)自主研發(fā)的溫控也是這種系統(tǒng)的原理應(yīng)用。這種系統(tǒng)可以通過(guò)改變目標(biāo)參數(shù)，對(duì)大棚溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了

24、生產(chǎn)效率，適合有一定規(guī)模的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但是弊端就是無(wú)法對(duì)作物的生長(zhǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，抓不住其內(nèi)在的規(guī)律，在這種趨勢(shì)下，溫度自動(dòng)控制會(huì)更加智能化的控制去發(fā)展。高智能化溫度控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。在二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，荷蘭針對(duì)大棚溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行不斷的模擬與研發(fā)，我們知道，荷蘭以園藝而世界聞名，先進(jìn)的鮮花生產(chǎn)技術(shù)聞名于世，通過(guò)不斷的研發(fā)與模擬，使得技術(shù)得到了穩(wěn)步的提升，已經(jīng)達(dá)到了世界的領(lǐng)先水平，他們研發(fā)的系統(tǒng)可以制定植物生長(zhǎng)參數(shù)的曲線，用環(huán)境控制系統(tǒng)的種植者達(dá)到了半數(shù)以上，這個(gè)系統(tǒng)可以進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)查詢(xún)，能較好的形成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊，實(shí)現(xiàn)灌溉和氣候控制等功能。在英國(guó)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)全部

25、運(yùn)用到溫室管理中，相關(guān)的課題研究比如：溫室骨架與荷載、溫室光照與材料、溫室環(huán)境與生理、溫室節(jié)能、溫室自動(dòng)化控制等，在一些農(nóng)業(yè)工程研究所里普遍開(kāi)展。溫室遙控技術(shù)是由英國(guó)倫敦大學(xué)研發(fā)的，這個(gè)技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的環(huán)境參數(shù)的調(diào)控，同時(shí)也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察。世界上，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域除美國(guó)之外，日本也是發(fā)展速度相當(dāng)快的國(guó)家，在八十年代中期在就有千臺(tái)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于溫室，普及率高達(dá)百分之九十以上在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)部門(mén)中。主要是對(duì)CO2濃度，空氣中溫度和濕度的控制等等，都是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，機(jī)械化灌溉，和其他功能的管理。根據(jù)室內(nèi)外的溫差，室內(nèi)的濕度，室外的風(fēng)速等因素來(lái)控制加濕降溫，調(diào)節(jié)天窗，灌溉澆水，定時(shí)調(diào)

26、溫，以及施肥系統(tǒng)。施肥系統(tǒng)是根據(jù)CO2的濃度來(lái)進(jìn)行調(diào)控。除此之外，還會(huì)將溫室的各種環(huán)境參數(shù)，工作環(huán)境自動(dòng)存儲(chǔ)記憶以及打印等多功能。以色列被譽(yù)為“沙漠上的綠洲”，其氣候干旱，自然條件十分惡劣。以色列政府非常重視農(nóng)業(yè)，大力栽培相關(guān)設(shè)施，當(dāng)前電腦的水質(zhì)監(jiān)測(cè)在灌溉中是有電腦為主控，通過(guò)控制器，接收到計(jì)算機(jī)中心發(fā)送的信息，進(jìn)行控制灌溉以及施肥，這樣會(huì)使得水肥的利用率最大化，接近百分之九十，這樣在干旱資源匱乏的以色列才可以進(jìn)行蔬菜出口，才可以使生長(zhǎng)在沙漠中的以色列人也不會(huì)缺少蔬菜。近些年來(lái)，許多國(guó)家針對(duì)溫控大棚提出了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，逐漸規(guī)范化，市場(chǎng)化，大眾化，網(wǎng)絡(luò)化，無(wú)人自動(dòng)化等趨勢(shì)發(fā)展，國(guó)外大棚主要佇立于網(wǎng)絡(luò)

27、技術(shù)，遙測(cè)技術(shù)，規(guī)范化管理已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，我國(guó)也逐步的與世界同步，把網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)技術(shù)更好的應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。1.3.2 國(guó)內(nèi)溫控技術(shù)的未來(lái)發(fā)展對(duì)我國(guó)的溫控技術(shù)相對(duì)于國(guó)外相比，發(fā)展相對(duì)的慢一些，上世紀(jì)八十年代，我國(guó)的技術(shù)人員才學(xué)會(huì)人工室內(nèi)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，這個(gè)技術(shù)是對(duì)單項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制的，針對(duì)濕度，CO2的濃度以及濕度等因素來(lái)進(jìn)行分析的技術(shù)。當(dāng)時(shí)我們國(guó)家從發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了許多先進(jìn)的溫室設(shè)備，這些溫室設(shè)備的引進(jìn)雖然有助于我們更好的研究溫控技術(shù)，但是也會(huì)帶來(lái)弊端就是溫室的作物的栽培和管理技術(shù)，過(guò)重的注重設(shè)備使得企業(yè)虧損，倒閉停產(chǎn)，不僅耗費(fèi)人力物力財(cái)力，也使得技術(shù)發(fā)展進(jìn)入到了瓶頸期。直到九十年代后期，

28、在汲取前面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的同時(shí)，在溫室栽培技術(shù)和自動(dòng)控制方面進(jìn)行了自主性研究與創(chuàng)新。如分布式控制系統(tǒng)：“WJG-1型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制；采用上位機(jī)加PLC的集散式控制方法的“GCS-I型智能化溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由河南省農(nóng)科院自動(dòng)化控制中心研制；還有計(jì)算機(jī)分布式控制的“山東省濟(jì)寧大型育苗溫室計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)”，由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制。因此目前國(guó)內(nèi)的溫室控制技術(shù)主要為以下兩大類(lèi)型：(1) 溫室分布式控制系統(tǒng)目前溫室分布式控制系統(tǒng)主要有兩種模式。一是主機(jī)終端模式。作為目前廣泛使用的系統(tǒng)模式，這種模式需要投入很大的人力和資金，它的過(guò)程則是利用一個(gè)主控制中心來(lái)

29、控制以及管理子系統(tǒng)的。由于其具有相對(duì)較差的靈活性以及巨大的投入，所以，在一個(gè)具有多種因素相互影響，環(huán)境空間差異性大的實(shí)際溫室系統(tǒng)中，這種模式很難保證效率最大化。二是分布式控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)模式與上面的不同，它已經(jīng)成為未來(lái)溫控系統(tǒng)的重要研究發(fā)展方向，主要采用服務(wù)器客戶(hù)模式，子處理器一般以單片機(jī)和可編程控制器PLC 為核心，分散在系統(tǒng)各處，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集和分析數(shù)據(jù)，并進(jìn)行獨(dú)立控制；主處理器負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)中子處理器難以完成或者無(wú)法完成的任務(wù)，其數(shù)據(jù)分析與處理能力要強(qiáng)于子處理器，因此，就整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要使得整個(gè)溫室控制能夠運(yùn)行正常，就需要借助于主子處理器來(lái)進(jìn)行協(xié)同工作。 (2) 基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制系

30、統(tǒng)溫室控制與管理系統(tǒng)的研究與發(fā)展同網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是密不可分的，隨著近些年的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，已被廣泛的應(yīng)用到現(xiàn)代智能溫室測(cè)控系統(tǒng)中。其中測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，向種植者發(fā)送各種有效的信息，如溫度數(shù)據(jù)、多媒體信息等，以便種植者更好的進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。今后，智能溫室測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展也會(huì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展更加開(kāi)放、更加復(fù)雜、更加完善。1.4課題的研究?jī)?nèi)容與研究方法本課題的研究?jī)?nèi)容主要分為兩大部分內(nèi)容，RS232/RS485-CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)端上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。RS232/RS485-CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊用于和現(xiàn)有的鍋爐控制器進(jìn)行通信將鍋爐控制器中的信息轉(zhuǎn)換成CAN

31、總線協(xié)議的數(shù)據(jù)，通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紺AN總站主站，在通過(guò)RS232接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控。本課題主要完成的任務(wù)如下：本可課題主要是設(shè)計(jì)一種基于CAN總線的溫室大棚鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，是在現(xiàn)有的鍋爐控制器上面進(jìn)行的擴(kuò)展設(shè)計(jì)?？梢詫?shí)現(xiàn)多個(gè)大棚的集散控制。主要包括如下幾個(gè)方面的工作：第一，對(duì)現(xiàn)有鍋爐控制器進(jìn)行研究，熟悉現(xiàn)有鍋爐控制器的控制方式和數(shù)據(jù)接口。第二，設(shè)計(jì)RS485-CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和現(xiàn)有的鍋爐控制數(shù)據(jù)接口連接，采集鍋爐控制器信息。設(shè)計(jì)CAN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和電腦的串口接口連接，實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)界面的數(shù)據(jù)通信。第三，使用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐控制器

32、相關(guān)信息的顯示和控制。第四，搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)和完善。論文共分為七章，每章會(huì)從各個(gè)方面對(duì)課題進(jìn)行闡明分析。第一章：緒論。在緒論中介紹了課題的研究背景和意義，以及鍋爐控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和溫室控制及技術(shù)的研究現(xiàn)狀等，并對(duì)課題研究的主要內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。第二章：現(xiàn)有鍋爐控制器介紹。這一章對(duì)現(xiàn)有的鍋爐控制器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。包括鍋爐控制器的工作方式、通信接口，數(shù)據(jù)格式等。第三章：系統(tǒng)總體的框架。這一章對(duì)鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的需求進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過(guò)分析比較各種方案，決定采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)為鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)通訊方案。其次對(duì)CAN總線的組網(wǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，同時(shí)對(duì)

33、本系統(tǒng)選擇的CAN模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。第四章：CAN-RS485/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)。本章主要對(duì)系統(tǒng)中的CAN-RS485/RS232硬件設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。并對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換成可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了CAN分段傳輸?shù)姆桨浮５谖逭拢哄仩t監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)界面設(shè)計(jì)。本章主要是根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)了上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面。首先介紹了MCGS組態(tài)軟件的優(yōu)點(diǎn)，之后按照設(shè)計(jì)按要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)控畫(huà)面。第六章：系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建及調(diào)試。本章主要介紹系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的搭建，并對(duì)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行調(diào)試分析。第七章：總結(jié)與展望。這里主要介紹此次的成功和不足之處。第二章 現(xiàn)有鍋爐控制器介紹2.1溫室大棚鍋爐介紹本

34、課題中研究的溫室大棚供暖鍋爐是由某鍋爐廠家生產(chǎn)一款生物質(zhì)能源鍋爐。該鍋爐的燃料主要是生物質(zhì)燃料，鍋爐產(chǎn)生的有害氣體少。生物質(zhì)鍋爐主要組成部分包括鍋爐本體和鍋爐輔助控制設(shè)備。而鍋爐主題設(shè)備又包括如下的幾個(gè)部分，即：爐膛、省煤器、汽包及其鍋爐預(yù)熱器這四部分。而點(diǎn)火器、鼓風(fēng)機(jī)、喂料機(jī)及引風(fēng)機(jī)等幾個(gè)主要部分則組成了鍋爐的輔助設(shè)備。就生物質(zhì)鍋爐而言，一個(gè)就可以實(shí)現(xiàn)200m2 溫室大棚的正常的供暖。并且每一個(gè)生物質(zhì)鍋爐都具有一個(gè)鍋爐控制器，通過(guò)鍋爐控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的控制。生物質(zhì)鍋爐的結(jié)構(gòu)圖如下圖2-1所示。 圖2-1 生物質(zhì)鍋爐結(jié)構(gòu)圖在溫室大棚中使用生物質(zhì)鍋爐可以起到節(jié)能和環(huán)保的作用。大棚中的農(nóng)作物的

35、秸稈可以做成生物質(zhì)燃料供給鍋爐使用，而且鍋爐燃燒后不會(huì)產(chǎn)生有害氣體。這樣也可以保證農(nóng)作物的正常的生長(zhǎng)。2.2 鍋爐控制器簡(jiǎn)介2.2.1 鍋爐控制器的組成本次設(shè)計(jì)中是在現(xiàn)有的鍋爐控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造，現(xiàn)有的鍋爐控制器是通過(guò)有線的方式實(shí)現(xiàn)鍋爐的組網(wǎng)控制。該鍋爐控制器以單片機(jī)為控制核心配以相關(guān)的采集電路和控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的控制等功能。控制器本身具有DI、DO、AI、AO、PWM、RS485等接口電路，可以實(shí)現(xiàn)鍋爐火焰?zhèn)鞲衅?、大棚環(huán)境溫度傳感器、鍋爐爐溫傳感器、點(diǎn)火溫度傳感器、尾氣溫度傳感器以及相關(guān)的開(kāi)關(guān)控制傳感器的信息的采集。控制器通過(guò)RS485接口采用Modbus-RTU協(xié)議和Modbus主

36、站設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)鍋爐控制器本身具有文本顯示接口，因此就可以將鍋爐控制方面的信息顯示在屏幕上。下圖22就是一個(gè)鍋爐控制器有關(guān)整體結(jié)構(gòu)圖。 圖2-2 鍋爐控制器結(jié)構(gòu)圖2.2.2 鍋爐控制器相關(guān)功能介紹在對(duì)現(xiàn)有鍋爐控制器改造之前需要熟悉鍋爐控制器的每部分的功能。在上圖2-2中鍋爐控制器連接的相關(guān)的設(shè)備功能如下：（1）火焰探測(cè)器：是一款火焰?zhèn)鞲衅?，用于檢測(cè)鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒情況。（2）室溫傳感器：連接PT00溫度傳感器，用于檢測(cè)大棚內(nèi)的環(huán)境的溫度值。（3）鍋爐溫度傳感器：此部分主要就是連接在溫度傳感器PT00上，其主要的作用就是對(duì)鍋爐內(nèi)部的溫度值進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)的。（4）點(diǎn)火溫度尾氣溫度傳感器

37、：連接熱電偶形式的溫度傳感器，用于檢測(cè)鍋爐在點(diǎn)火時(shí)候的溫度值和鍋爐產(chǎn)生的尾氣的溫度值。（5）可控硅輸出控制：其主要作用就是對(duì)鍋爐的點(diǎn)火、喂料、推灰以及上料等操作進(jìn)行控制的。（6）繼電器控制：可以通過(guò)控制其通或者斷來(lái)對(duì)鍋爐的水泵進(jìn)行一定的控制，另外，引風(fēng)控制控制電路的控制功能。（7）PWM輸出：PWM信號(hào)主要是用于調(diào)速用的，在鍋爐上主要是控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速的大小。（8）0-20mA輸出：0-20mA電流信息也是用于控制風(fēng)機(jī)調(diào)速的裝置。主要控制引風(fēng)電機(jī)調(diào)速和二次風(fēng)電機(jī)調(diào)速。（9） 控制開(kāi)關(guān)：控制開(kāi)關(guān)主要是進(jìn)行數(shù)字傳感器信號(hào)的輸入裝置，可以實(shí)現(xiàn)鍋爐行程開(kāi)關(guān)、安全開(kāi)關(guān)、上料位開(kāi)關(guān)、下料位開(kāi)關(guān)等傳感器信號(hào)的

38、采集，從而可以判斷鍋爐的工作狀態(tài)。（10） 通信接口：通信接口是標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，鍋爐控制器可以通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)和主站設(shè)備的連接。（11） 電源：鍋爐控制器使用24V DC直流電供電。在熟悉了鍋爐控制器的相關(guān)的借口功能后，將電源裝置連接在鍋爐控制器上，這時(shí)，鍋爐控制器就能夠工作。在本課題當(dāng)中，用下圖23所示的鍋爐控制板。 圖2-3 鍋爐控制器實(shí)驗(yàn)板2.3 鍋爐控制器中的控制量和參變量本課題當(dāng)中，我們的有關(guān)鍋爐控制器的通信協(xié)議所采用的標(biāo)準(zhǔn)為Modbus-RTU協(xié)議，控制器在使用的時(shí)候作為Modbus從站設(shè)備使用。連接Modbus主站設(shè)備后，通過(guò)功能碼就可以將各個(gè)參變量寫(xiě)入，進(jìn)而來(lái)控制鍋爐。2.3

39、.1 系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)是鍋爐控制器中重要的參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)決定了鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)。其中主要包括的鍋爐參數(shù)為如下的幾個(gè)，即：設(shè)定和安全參數(shù)、系統(tǒng)的時(shí)鐘參數(shù)以及控制時(shí)間的參數(shù)等。就其參數(shù)的讀取來(lái)看，所利用的是03功能碼。下表2-1、2-2、2-3以及2-4給出了具體的一些參數(shù)地址跟詳細(xì)內(nèi)容。表2-1 用戶(hù)層參數(shù)及各參數(shù)的地址地址保持寄存器地址保持寄存器1鍋爐最大功率設(shè)定（10）6鍋爐溫度設(shè)定（75）2鍋爐最小功率設(shè)定（0）7鍋爐最高溫度設(shè)定（80）3鍋爐待機(jī)功率設(shè)定（0）8鍋爐自動(dòng)啟動(dòng)溫度設(shè)定（10）4鍋爐手動(dòng)控制功率設(shè)定（5）9鍋爐系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定（776）5室內(nèi)恒溫溫度設(shè)定（22）10鍋爐推灰計(jì)數(shù)設(shè)定

40、（6000）表2-2鍋爐系統(tǒng)安全參數(shù)及各參數(shù)地址地址保持寄存器地址保持寄存器40尾氣溫度設(shè)定52風(fēng)速參數(shù)設(shè)定41點(diǎn)火溫度設(shè)定53風(fēng)速參數(shù)設(shè)定42熄火溫度設(shè)定54風(fēng)速參數(shù)設(shè)定43開(kāi)始給料次數(shù)設(shè)定55風(fēng)速參數(shù)設(shè)定44開(kāi)始點(diǎn)火次數(shù)設(shè)定56風(fēng)速參數(shù)設(shè)定45開(kāi)始點(diǎn)火風(fēng)速設(shè)定57風(fēng)速參數(shù)設(shè)定46火焰探測(cè)設(shè)定58風(fēng)速參數(shù)設(shè)定47給料克數(shù)設(shè)定59爐膛負(fù)壓設(shè)定48風(fēng)速參數(shù)設(shè)定60保留位49風(fēng)速參數(shù)設(shè)定61待機(jī)給料時(shí)間50風(fēng)速參數(shù)設(shè)定62一二次風(fēng)比例51風(fēng)速參數(shù)設(shè)定63引風(fēng)鼓風(fēng)比例2.3.2 實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù) 實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)反應(yīng)了鍋爐當(dāng)前的實(shí)時(shí)的工作狀態(tài)，使用Modbus功能碼04讀取，實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)對(duì)應(yīng)的地址和寄存器名

41、稱(chēng)如下表所示。表2-3寄存器輸出及各變量地址地址輸出寄存器地址輸出寄存器1保留位7熱電偶冷端溫度2累計(jì)運(yùn)行小時(shí)8鍋爐熱電阻溫度3尾氣熱電偶溫度9燃料消耗累加值4鍋爐火焰探測(cè)值10室內(nèi)熱電阻溫度5鍋爐啟動(dòng)標(biāo)志11點(diǎn)火熱電偶溫度6鍋爐爐膛負(fù)壓值2.3.3 線圈輸出狀態(tài)鍋爐控制器具有線圈輸出接口，線圈輸出接口用于控制外部的風(fēng)機(jī)、水泵、上料電機(jī)等裝置。通過(guò)Modbus協(xié)議可以對(duì)輸出的線圈狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定。各個(gè)線圈的地址和名稱(chēng)如下表所示。表2-4 線圈輸出口及各變量地址地址線圈地址線圈1循環(huán)水泵9備用2鍋爐啟動(dòng)10點(diǎn)火器3上料電機(jī)11故障指示燈4運(yùn)行指示燈12備用5引風(fēng)電機(jī)13時(shí)控模式6自動(dòng)14室溫啟動(dòng)7喂

42、料電機(jī)15推灰電機(jī)8熱電偶零點(diǎn)校準(zhǔn)10設(shè)定缺省值裝入2.3.4 開(kāi)關(guān)量輸入開(kāi)關(guān)量輸入主要的用于采集外部的開(kāi)關(guān)量傳感器的狀態(tài)，鍋爐控制器開(kāi)關(guān)量輸入?yún)?shù)使用Modbus功能碼02進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取?？梢詫?shí)時(shí)的檢測(cè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)。開(kāi)關(guān)量輸入?yún)?shù)的地址和名稱(chēng)如下表所示。表2-5開(kāi)關(guān)量輸入及各變量地址地址開(kāi)關(guān)量地址開(kāi)關(guān)量1備用13備用2點(diǎn)火標(biāo)志14備用3傳感器錯(cuò)誤15備用4備用16備用5點(diǎn)火熱電偶錯(cuò)誤17備用6尾氣熱電偶錯(cuò)誤18清灰按鈕7鍋爐熱電阻錯(cuò)誤19水流開(kāi)關(guān)8室溫?zé)犭娮桢e(cuò)誤20料位開(kāi)關(guān)9安全開(kāi)關(guān)報(bào)警21安全開(kāi)關(guān)10鍋爐超溫22上料啟動(dòng)11尾氣超溫23上料停止12點(diǎn)火失敗24備用2.4 本章小結(jié)本章主要介

43、紹了大棚中使用的生物質(zhì)鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)。并對(duì)現(xiàn)有的鍋爐控制器的功能進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。介紹了鍋爐控制器中使用的接口電路。并對(duì)鍋爐控制器的中使用的Modbus功能碼和相關(guān)的地址進(jìn)行了介紹，位后續(xù)對(duì)鍋爐控制器的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。第三章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本章主要是根據(jù)課題的需求，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的溫室大棚鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有的鍋爐控制器進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)鍋爐控制器的集散控制。3.1鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析本研究的目的就是要針對(duì)溫室大棚而來(lái)設(shè)計(jì)一鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)，改進(jìn)目前已有的鍋爐控制器。要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控整個(gè)大棚內(nèi)的鍋爐，就必須利用監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。就目前的鍋爐控制器來(lái)說(shuō)，其所利用

44、的接口是RS485?，F(xiàn)如今的技術(shù)得到了一定的發(fā)展，有關(guān)溫室大棚的廠區(qū)也不斷的在擴(kuò)大規(guī)模，整個(gè)大棚廠區(qū)的鍋爐的數(shù)量也在不斷的增加，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)端對(duì)整個(gè)大棚廠區(qū)的鍋爐進(jìn)行集散控制是一個(gè)趨勢(shì)。因此為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了使用CAN總線技術(shù)對(duì)現(xiàn)有鍋爐控制器進(jìn)行改造?，F(xiàn)有的溫室大棚鍋爐控制器具有RS485接口，在組建網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候使用的是有線的方式進(jìn)行，鍋爐控制器通信Modbus協(xié)議，每一個(gè)鍋爐控制器都可以看作是一個(gè)Modbus從站節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)有鍋爐控制器組網(wǎng)框圖如下圖3-1所示。圖3-1 現(xiàn)有鍋爐控制器組網(wǎng)圖現(xiàn)有的鍋爐控制器采用的是RS485方式實(shí)現(xiàn)鍋爐組網(wǎng)，RS485在通訊的時(shí)候結(jié)構(gòu)形式單一，需要主機(jī)輪詢(xún)的方式

45、才能進(jìn)行，而且通信距離也會(huì)受到限制。本次結(jié)合溫室大棚現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用環(huán)境，提出了一種對(duì)現(xiàn)有鍋爐控制器的改進(jìn)方案，使用CAN總線網(wǎng)絡(luò)對(duì)鍋爐控制器進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)控制。3.2改進(jìn)后的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)依據(jù)目前有關(guān)鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)所需的要求，改進(jìn)現(xiàn)有的鍋爐控制器。經(jīng)過(guò)改造后的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)在整體結(jié)構(gòu)上主要分三層體系結(jié)構(gòu)：（1）系統(tǒng)的最上層是監(jiān)控中心，監(jiān)控中心由計(jì)算機(jī)和上位機(jī)組態(tài)軟件組成，可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)各個(gè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)。（2）系統(tǒng)的中間層是協(xié)議轉(zhuǎn)換層，該層的主要的功能是完成通信接口的轉(zhuǎn)換和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。（3）系統(tǒng)的最底層是鍋爐控制器，通過(guò)鍋爐控制器可以采集鍋爐的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的控制等。按照這樣的體系接

46、口設(shè)計(jì)了鍋爐控制系統(tǒng)的整體的結(jié)構(gòu)框圖如下圖3-2所示。圖3-2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖各部分功能介紹：（1）上位機(jī)可以提供給使用者一個(gè)很好的人機(jī)交互界面，在界面上可以顯示每臺(tái)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，相應(yīng)的參數(shù)，并可以通過(guò)上位機(jī)設(shè)置每臺(tái)鍋爐的參數(shù)等。（2）CAN-RS232通信模塊可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)和CAN總線數(shù)據(jù)交互，CAN-RS485通信模塊可以實(shí)現(xiàn)鍋爐控制器數(shù)據(jù)和CAN總線數(shù)據(jù)交互。（3）將鍋爐控制器連接到各個(gè)廠區(qū)的每一個(gè)大棚里的所有生物質(zhì)鍋爐，這樣就能夠控制鍋爐。（4）模擬量信號(hào)采集、數(shù)字量信號(hào)采集、模擬量信號(hào)輸出、數(shù)字量信號(hào)輸出，代表的是生物質(zhì)鍋爐上安裝的各種傳感器和控制器。3.3 通訊網(wǎng)

47、絡(luò)在本文的研究當(dāng)中，要實(shí)現(xiàn)鍋爐控制器跟上位機(jī)的通訊，就需要CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)其傳輸。3.3.1 CAN總線介紹CAN實(shí)際上就是控制器局域網(wǎng)，其全稱(chēng)則是Controller Area Network。它作為一種現(xiàn)場(chǎng)總線，具有流行性， 它是一種能夠進(jìn)行分布和實(shí)時(shí)控制的串行網(wǎng)絡(luò) 5。其具有多主線的總線形式?？梢詫o(wú)限個(gè)單元掛接在總線上，但是，由于網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)性、電氣的負(fù)載限制，因此實(shí)際當(dāng)中是不可能掛接無(wú)限個(gè)單元的。在具有相對(duì)較高噪聲的環(huán)境當(dāng)中，由于CAN具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，因此可以應(yīng)用CAN。由于它的可靠的穩(wěn)定性、較高的性能以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中越來(lái)越廣泛。例如，廣泛應(yīng)用于智能汽車(chē)以及

48、家具、對(duì)機(jī)器人的控制以及設(shè)計(jì)飛行器等領(lǐng)域。另外，它在通信方面具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，具有的通信速率可達(dá)1Mbps。CAN總線的通信介質(zhì)也十分多，普通電纜、光導(dǎo)纖維等都可以作為通信載體。目前，CAN廣泛的應(yīng)用于世界的各行各業(yè)。最初，我們的通信是不能夠滿(mǎn)足不同行業(yè)的，因此，要彌補(bǔ)之前的缺點(diǎn)，就必須要制定一個(gè)相對(duì)嚴(yán)格的通信標(biāo)準(zhǔn)，于是就有了不同時(shí)期的CAN總線標(biāo)準(zhǔn)。在1991年，一種稱(chēng)之為Version2.0的CAN總線技術(shù)規(guī)范首先被提出來(lái)，其具有如下的兩個(gè)部分，即：CAN2.0A跟CAN2.0B。后者不僅具有CAN2.0A所擁有的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式，還具有一種如文獻(xiàn)6所述的擴(kuò)展格式 。3.3.2 CAN總線工作

49、原理 在CAN總線上，當(dāng)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送的時(shí)候，其他的節(jié)點(diǎn)都會(huì)具有報(bào)文形式的廣播。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)接受數(shù)據(jù)的。其具有屬于自己的唯一標(biāo)識(shí)符。具有這種配置的節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)幾千個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候具有十分重要的作用。 在整個(gè)系統(tǒng)中，當(dāng)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給所有的節(jié)點(diǎn)時(shí)，此節(jié)點(diǎn)的CPU將會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)給CAN控制器，此時(shí)就會(huì)顯示待發(fā)的狀態(tài)；然后就需要總線的分配，收到分配后就會(huì)變成如下的一個(gè)狀態(tài)，即報(bào)文發(fā)送狀態(tài)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送的時(shí)候，根據(jù)協(xié)議的規(guī)定，CAN控制器就會(huì)將數(shù)據(jù)組合成報(bào)文格式進(jìn)行發(fā)送，這時(shí)，在總線上，另外的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)則接收。與此同時(shí)，對(duì)接收的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)并且做出判斷，及送給本節(jié)點(diǎn)或者是不送給本節(jié)點(diǎn)，最后

50、對(duì)其進(jìn)行確定。3.3.3 CAN的分層結(jié)構(gòu)與通信協(xié)議在ISO/OSI的數(shù)據(jù)鏈路層跟物理層上對(duì)CAN協(xié)議進(jìn)行相關(guān)的定義使其具有方便的設(shè)計(jì)以及執(zhí)行能力的靈活性。其包含2個(gè)子層，即被稱(chēng)之為邏輯鏈路控制的LLC子層和媒體訪問(wèn)控制子層MAC。在CAN協(xié)議2.0A中，LLC跟MAC就是目標(biāo)層與傳輸層7，下圖3-3就是有關(guān)通信模型一個(gè)分層結(jié)構(gòu)跟其具體的功能。圖3-3 CAN通信模型的分層結(jié)構(gòu)與功能3.3.4 CAN總線協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文發(fā)送器與接收器的報(bào)文實(shí)際有效時(shí)刻是不一樣的。在發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從幀開(kāi)始到其結(jié)束這個(gè)過(guò)程，從來(lái)都不會(huì)出現(xiàn)一定的錯(cuò)誤。假如發(fā)送報(bào)文的時(shí)候出現(xiàn)了錯(cuò)誤甚至已經(jīng)被損壞了，這時(shí)節(jié)點(diǎn)的功能就

51、是會(huì)重新將報(bào)文進(jìn)行發(fā)送。在對(duì)其重新發(fā)送的時(shí)候，就出現(xiàn)了優(yōu)先權(quán)以及對(duì)總線的競(jìng)爭(zhēng)情況，因此，當(dāng)總線不是在緊張的狀態(tài)下，就可以利用該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新發(fā)送。(1) 幀格式幀的格式包含2部分，即標(biāo)準(zhǔn)幀跟擴(kuò)展幀。其區(qū)則是標(biāo)識(shí)符域的長(zhǎng)度是不同的。前者的標(biāo)識(shí)符共有11位，而后者則是29位9。(2) 幀類(lèi)型CAN協(xié)議報(bào)文傳輸有四種幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀以及過(guò)載幀。數(shù)據(jù)幀：其作用是在數(shù)據(jù)傳輸上。從發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)之后，而后利用接受端來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。遠(yuǎn)程幀：其作用是在請(qǐng)求數(shù)據(jù)上。位于CAN總線上的節(jié)點(diǎn)發(fā)出這一幀，然后請(qǐng)求與其具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀。錯(cuò)誤幀：錯(cuò)誤幀也是由節(jié)點(diǎn)所發(fā)出的，它的發(fā)出必須是在發(fā)現(xiàn)總線的錯(cuò)誤后。

52、 過(guò)載幀：其作用主要就是用于時(shí)間延遲10數(shù)據(jù)幀或者是遠(yuǎn)程幀。下表31列出了標(biāo)準(zhǔn)幀的一些格式：表3-1CAN報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)幀格式 序號(hào)屬性D7D6D5D4D3D2D1D0字節(jié)0幀結(jié)構(gòu)信息0000DLC.3DLC.2DLC.1DLC.00-標(biāo)準(zhǔn)幀1-擴(kuò)展幀0-標(biāo)準(zhǔn)幀1-擴(kuò)展幀保留位域0-8字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字節(jié)1標(biāo)識(shí)符0ID.28ID.27ID.26ID.25ID.24ID.23ID.22ID.21高8位標(biāo)識(shí)符：ID.28-ID.21字節(jié)2標(biāo)識(shí)符1ID.20ID.19ID.18OOOOO低3位標(biāo)識(shí)符：ID.20-ID.18保留位域字節(jié)3數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行唬L(zhǎng)度為0-8個(gè)字節(jié)，具體長(zhǎng)度值由幀結(jié)構(gòu)中的DLC

53、決定字節(jié)10數(shù)據(jù)823.3.5 CAN總線通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)CAN總線在ISO的基礎(chǔ)上對(duì)物理層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化定義。在進(jìn)行CAN總線設(shè)計(jì)的時(shí)候，因?yàn)镃AN總線物理層的空間非常大，也就是說(shuō)，CAN總線物理層中的空間足夠CAN總線的應(yīng)用。但是在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候還要注意一個(gè)非常重要的問(wèn)題，那就是必須要按照CAN總線競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)先原則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這個(gè)原則是CAN總線必須在遇到總線競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候總是優(yōu)先獲得報(bào)文競(jìng)爭(zhēng)權(quán)，這就意味著在其物理層中一定要有非破壞性位，可以讓總線網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別它屬于媒體訪問(wèn)層，由此而獲得優(yōu)先權(quán)。所以，物理層中必須要能支持CAN總線的顯性位和隱性位特征11。隱性狀態(tài)表示總線無(wú)傳輸數(shù)據(jù)，只有接收到節(jié)點(diǎn)傳來(lái)

54、的顯性位數(shù)據(jù)，顯性位才會(huì)覆蓋隱性位，總線呈現(xiàn)顯性。CAN總線的組建非常簡(jiǎn)單，而且也利于后期維護(hù)，無(wú)需掉電就能在CAN總線上增減設(shè)備，下圖3-4表示了CAN總線結(jié)構(gòu)。圖3-4 CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)3.4 本章小結(jié)本章是鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)章節(jié)，首先分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，之后對(duì)現(xiàn)有的鍋爐控制器的組方式進(jìn)行說(shuō)明，并提出了改進(jìn)后的組網(wǎng)控制方式。之后介紹了本次設(shè)計(jì)中使用到的CAN總線技術(shù)的原理和特點(diǎn)。第四章 CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)本課題在硬件設(shè)計(jì)上主要設(shè)計(jì)了CAN-RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和CAN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，CAN-RS485用于和鍋爐控制器連接共同組成CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)備，CAN-RS

55、232用于和監(jiān)控中心的電腦連接作為CAN主站設(shè)備。本章將詳細(xì)對(duì)這兩個(gè)模塊設(shè)計(jì)中的硬件和軟件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。4.1 CAN-RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊框圖設(shè)計(jì)CAN-RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要用于和現(xiàn)有的鍋爐控制器連接，CAN-RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要包括CAN驅(qū)動(dòng)器、CAN控制器、STC89C52單片機(jī)、RS485電路組成。其中RS485接口電路是和現(xiàn)有鍋爐控制器進(jìn)行通信，STC89C52單片機(jī)作為核心的處理器，CAN驅(qū)動(dòng)器和CAN控制器實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，整體硬件框圖如下圖4-1所示。圖4-1CAN-RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊框圖4.2 CAN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊框圖設(shè)計(jì)CAN-RS2

56、32協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要用于和上位機(jī)監(jiān)控中心的電腦連接，使數(shù)據(jù)可以傳送到組態(tài)組態(tài)界面上。CAN-RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要包括CAN驅(qū)動(dòng)器、CAN控制器、STC89C52單片機(jī)、RS232電路組成。其中RS232接口電路是和監(jiān)控中心的電腦連接，STC89C52單片機(jī)作為核心的處理器，CAN驅(qū)動(dòng)器和CAN控制器實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，整體硬件框圖如下圖4-2所示。圖4-2CAN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊框圖4.3 CAN-RS485/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊硬件電路設(shè)計(jì)通過(guò)上面4.1和4.2節(jié)中CAN-RS485和CAN-RS232中的模塊框圖，兩個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的硬件電路基本上是相同的，唯一不同的地方就是一個(gè)具有RS232接口，一個(gè)具有RS485接口，因此在設(shè)計(jì)電路板的時(shí)候把這兩種協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊制作到一塊電路板上，使用的時(shí)候通過(guò)模式選擇開(kāi)關(guān)選擇是CAN-RS485工作模式還是CAN-RS232