溫室測控系統(tǒng)通用化智能控制模塊設計

溫室測控系統(tǒng)通用化智能控制模塊設計

0溫室無線測控系統(tǒng)的主要構成隨著科學技術的發(fā)展，各種新技術不斷被應用于設施農業(yè)?；谇度胧郊夹g、IEEE1451.2及以太網(wǎng)技術的溫室專用測控系統(tǒng)具有可靠性高、成本低和簡單易用等特點,克服了傳統(tǒng)溫室測控系統(tǒng)成本高、操作復雜和適用性差等不足,能夠真正符合農民的實際需求,具有良好的應用前景?；赯igBee無線傳感器網(wǎng)絡技術的溫室無線測控系統(tǒng),將工業(yè)界的最新無線技術應用到農業(yè)中,具有網(wǎng)絡自組織、節(jié)點功耗低、成本低和信息傳輸可靠性高等優(yōu)點,解決了傳統(tǒng)溫室測控系統(tǒng)大量布線、成本高、監(jiān)測點和控制點不易移動等問題,是今后溫室測控系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。執(zhí)行器是溫室測控系統(tǒng)實現(xiàn)其溫室環(huán)境調控的重要環(huán)節(jié),接受上位機或系統(tǒng)主控單元的指令,控制排風扇、加熱器、天窗側窗、濕簾降溫系統(tǒng)和噴滴滲灌溉系統(tǒng)等溫室基礎設施。本論文設計了能夠工作在以太網(wǎng)Ethernet和無線傳感器網(wǎng)絡WSN的通用化溫室智能控制模塊。該模塊與以太網(wǎng)網(wǎng)絡適配器NCAP通訊模塊組合,可構成基于IEEE1451.2標準的溫室以太網(wǎng)專用測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡執(zhí)行器;該模塊與ZigBee無線通訊模塊組合,又可構成基于ZigBee協(xié)議的溫室無線測控系統(tǒng)的無線執(zhí)行器,具有通用性和標準化的特點。此外,根據(jù)溫室現(xiàn)場工作環(huán)境比較復雜的情況,采用多種抗干擾技術,提高了控制模塊和整個測控系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。為此,詳細介紹了兩種智能執(zhí)行器的軟硬件設計以及抗干擾技術的實現(xiàn)。1硬件設計1.1抗風險設計模塊通用化控制模塊的硬件結構如圖1所示。該模塊包括微處理器(PIC16F877及外圍電路)、RS232串口通訊(MAX202及外圍電路)、電源和開關量輸出等幾個子模塊。1.1.1精簡目令的系統(tǒng)通用化控制模塊的微處理器子模塊使用PIC16F877單片機。該單片機是美國Microchip公司8位單片機中的中檔產品,功能齊全,性價比較高,在工控領域有著廣泛的應用。它采用RISC精簡指令,只有35條指令,有22個I/O口,8路模擬量輸入的10位A/D轉換器,8k×14bit的程序寄存器(Flashmemory),368×8bit的數(shù)據(jù)存儲器,256×8bit的EEPROM(用于存儲設定的數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)),3個定時計數(shù)器,14個中斷源,標準RS232端口設計等。由于它集成了眾多的功能,所以使得其在設計上變得簡潔,而且驅動能力強,每個I/O引腳的最大拉電流/灌電流達25mA,能夠直接驅動光電耦合器或微型繼電器等。此外,其可靠性和抗干擾性能較好,帶有看門狗定時器WDT和欠電復位功能,因此非常適用于溫室環(huán)境的開關量輸出控制。1.1.2rs232接口標準通用化控制模塊和網(wǎng)絡適配器NCAP或ZigBee無線模塊之間采用RS232接口通信方式。該接口標準是單端收發(fā),結構簡單,傳輸速率不高(≤20kb/s)、傳輸距離短(15~20m),現(xiàn)已成為微機串行通信接口中廣泛應用的一種標準。由于網(wǎng)絡適配器NCAP或ZigBee無線模塊直接與通用型控制模塊連接,傳輸距離小于0.5m,而且數(shù)據(jù)的吞吐量小,通訊時間間隔長,因此采用RS232接口標準完全適用,還可以降低成本,簡化系統(tǒng)結構。在RS232接口和外圍通訊模塊之間加一個光電隔離電路,抑制控制模塊的強電干擾信號通過RS232串口對整個測控系統(tǒng)的影響。1.1.3抗波動電源模塊電源子模塊采用9VDC輸入的AC適配器供電。電源輸入后分成兩路:一路經LM2575穩(wěn)壓集成電路調理后為PIC16F877及外圍電路提供5VDC電源(VCC1),LM2575穩(wěn)壓集成電路的電壓輸入為4.7~40V,能夠有效地抑制電網(wǎng)的波動;另一路經DFA5-12S5寬電壓輸入隔離型DC/DC電源模塊(隔離電壓可達00VDC,標稱輸出電流達1A),輸出5VDC(VCC2),作為多路繼電器驅動電路和LED的電源。采用DFA5-12S5隔離型電源模塊,使得多路繼電器驅動電路與PIC單片機電路在電源上隔離,從而隔絕強電干擾的影響。1.1.4單路開關量輸出電路PIC16F877共有22個通用I/O接口,本設計采用了其中的16個,可直接控制16路輸出,能夠控制溫室的天窗開合電機、遮陽網(wǎng)電機、水泵電機、加熱器和風機等各種溫室設備,滿足一般溫室的控制需求。如果加以擴展I/O接口電路,則可控制更多。單路開關量輸出電路如圖2所示。PIC16F877的電源為VCC1(+5V),繼電器驅動電路的電源為VCC2(+5V),且兩者不共地,光耦TLP521使單片機部分和驅動部分在電氣上完全隔離。當PIC16F877接到控制指令,將某一I/O引腳(如RA0)置高,該I/O引腳可直接驅動TLP521工作;TLP521的光敏三極管導通,從而使三極管2N3904導通,繼電器HK4100F線圈得電,其觸點K1吸合(觸點直接與220VAC的市電相連接);然后,交流接觸器的線圈得電,交流接觸器吸合,強電設備(如風機、電機等)得電運行。當三極管2N3904導通時,點亮LED,表示某一強電設備開始工作。二極管D1可吸收繼電器線圈產生的感應電流,起到保護三極管2N3904的作用。1.2網(wǎng)絡適配器ncap國際電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)針對多種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡并存而讓變送器制造商無所適從的現(xiàn)狀,制定了IEEE1451.2智能化網(wǎng)絡傳感器/執(zhí)行器接口標準。該標準的主導設計思想是使現(xiàn)場的智能傳感器/執(zhí)行器成為獨立的個體,使得傳感器/執(zhí)行器的安裝、拆卸以及信息交互變得更加容易,真正實現(xiàn)現(xiàn)場設備的即插即用。本設計參照IEEE1451.2標準,網(wǎng)絡執(zhí)行器分為兩個結構模塊:一是通用化控制模塊,實現(xiàn)對溫室強電設備的控制;二是網(wǎng)絡適配器NCAP,其微控制器也是采用PIC16F877,結合通信控制器SX52BD和10M以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS組成的網(wǎng)絡通信模塊與以太網(wǎng)互聯(lián),其RS232串口經光電隔離后與通用化控制模塊連接,將從以太網(wǎng)上接收到的控制指令發(fā)送到通用化控制模塊,可實現(xiàn)通用化控制模塊的即插即用,使其方便地加入基于IEEE1451.2以太網(wǎng)技術的溫室專用測控系統(tǒng),在NCAP模塊中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧,使整個溫室網(wǎng)絡執(zhí)行器成為一個獨立的嵌入式設備。溫室網(wǎng)絡執(zhí)行器結構如圖3所示。1.3溫室無線執(zhí)行器結構設計ZigBee是一種低速率、低成本和低功耗的短程無線網(wǎng)絡協(xié)議。在眾多無線網(wǎng)絡技術中,ZigBee技術具有數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設備成本低和電池壽命長等獨特的優(yōu)勢;而基于ZigBee技術的溫室測控系統(tǒng)將具有低成本、可靠性好、可維護性高和適用性好的特點,能夠滿足我國設施農業(yè)發(fā)展的迫切需要。本文設計的溫室無線執(zhí)行器也分成兩個結構模塊,即通用化控制模塊和ZibBee無線通訊模塊。無線模塊采用英國Jennic公司的JN5121-Z01-M01模塊,該模塊將兼容IEEE802.15.4/ZigBee的低功耗、低成本無線微型控制器JN5121和外置天線連接端整合到一塊18mm×30mm的模塊上,并集成了所有的射頻組件。而JN5121內置的ROM存儲器集成了點對點通訊與網(wǎng)對網(wǎng)通訊的完整協(xié)議棧,用戶需要做的就是連接電源和外部設備(如執(zhí)行器或者傳感器等),對于系統(tǒng)而言不需要做射頻測試。因此,采用該模塊可以顯著地減小開發(fā)的工作量。該模塊RS232串口經光電隔離后,與通用化控制模塊連接,構成無線執(zhí)行器。溫室無線執(zhí)行器作為無線網(wǎng)絡的一個節(jié)點,可與其他節(jié)點構成基于ZigBee星形Star或網(wǎng)狀Mesh拓撲結構的溫室無線測控系統(tǒng)。溫室無線執(zhí)行器結構如圖4所示。2軟件方案的設計網(wǎng)絡執(zhí)行器和無線執(zhí)行器的軟件都分成兩部分,即通用化控制模塊程序(通用)和網(wǎng)絡適配器NCAP程序或ZigBee無線模塊程序。2.1控制器主機主通用化控制模塊程序的軟件流程如圖5所示。主程序開始運行后,設置看門狗定時器WDT,程序正常執(zhí)行期間,WDT將不斷地被重置。一旦程序跑飛或單片機死機,WDT將超時溢出,將使單片機產生復位,以確保整個系統(tǒng)的安全。來自測控系統(tǒng)主機的控制指令以串口中斷的方式被執(zhí)行。在串口中斷程序中,如果前后兩次收到的指令相同,控制程序將不會執(zhí)行,強電設備將保持現(xiàn)有狀態(tài),而控制程序實現(xiàn)對強電設備的開關量控制。2.2控制指令網(wǎng)絡適配器NCAP主程序流程如圖6所示。程序開始運行,系統(tǒng)軟硬件初始化,開啟RS232串口,讀取來自以太網(wǎng)的命令。然后,判斷接收到的指令是否可用,若可用,將控制指令發(fā)送給通用化控制模塊,并將其反饋信息發(fā)送到以太網(wǎng);若不可用,則設置出錯息,并送入以太網(wǎng),程序繼續(xù)讀取來自以太網(wǎng)的命令,如此循環(huán)往復。2.3聚酯系統(tǒng)的通訊ZigBee無線模塊主程序流程如圖7所示。程序開始運行,系統(tǒng)軟硬件初始化,開啟RS232串口;然后開始掃描可用的通訊信道,查找ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中的匯聚節(jié)點(組織和管理整個網(wǎng)絡),一旦找到,發(fā)出加入現(xiàn)有網(wǎng)絡的請求;請求被批準后,實現(xiàn)與匯聚節(jié)點的綁定,進入休眠等待狀態(tài)。當匯聚節(jié)點與其通訊時,無線模塊被喚醒,產生MCPS中斷或MLME中斷,這兩者是與ZigBee底層通訊協(xié)議棧相關的命令和數(shù)據(jù)的中斷;中斷處理程序將控制指令以RS232串口的方式發(fā)送給通用化控制模塊,并將其反饋信息發(fā)送給匯聚節(jié)點。3通訊模塊的設計為了確保智能執(zhí)行器及測控系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠,在軟硬件設計上采用了多種抗干擾技術:——控制模塊采用了抗干擾能力強的PIC16F877芯片;——單片機電源與繼電器電源隔離,防止強電干擾由電源串入單片機系統(tǒng);——I/O口輸出與繼電器驅動電路的光電隔離,防止強電干擾由繼電器電路串入單片機系統(tǒng);——單片機RS232串口與通訊模塊的光電隔離,防止強電干擾對通訊模塊產生不良的影響;——PIC單片機外圍欠電復位電路,防止電源波動對智能執(zhí)行器產生不良的影響;——軟件中采用看門狗技術,防止系統(tǒng)程序跑飛或死機。4溫室網(wǎng)絡智能執(zhí)行器在溫室溫室網(wǎng)絡智能執(zhí)行器和無線智能執(zhí)行器分別是基于IEEE1451.2標準的溫室專用測控