溫室測控系統(tǒng)通用化智能控制模塊設(shè)計

溫室測控系統(tǒng)通用化智能控制模塊設(shè)計

0溫室無線測控系統(tǒng)的主要構(gòu)成隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新技術(shù)不斷被應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)?；谇度胧郊夹g(shù)、IEEE1451.2及以太網(wǎng)技術(shù)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(diǎn),克服了傳統(tǒng)溫室測控系統(tǒng)成本高、操作復(fù)雜和適用性差等不足,能夠真正符合農(nóng)民的實(shí)際需求,具有良好的應(yīng)用前景?；赯igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室無線測控系統(tǒng),將工業(yè)界的最新無線技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中,具有網(wǎng)絡(luò)自組織、節(jié)點(diǎn)功耗低、成本低和信息傳輸可靠性高等優(yōu)點(diǎn),解決了傳統(tǒng)溫室測控系統(tǒng)大量布線、成本高、監(jiān)測點(diǎn)和控制點(diǎn)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(shí)現(xiàn)其溫室環(huán)境調(diào)控的重要環(huán)節(jié),接受上位機(jī)或系統(tǒng)主控單元的指令,控制排風(fēng)扇、加熱器、天窗側(cè)窗、濕簾降溫系統(tǒng)和噴滴滲灌溉系統(tǒng)等溫室基礎(chǔ)設(shè)施。本論文設(shè)計了能夠工作在以太網(wǎng)Ethernet和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN的通用化溫室智能控制模塊。該模塊與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP通訊模塊組合,可構(gòu)成基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的溫室以太網(wǎng)專用測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器;該模塊與ZigBee無線通訊模塊組合,又可構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)。此外,根據(jù)溫室現(xiàn)場工作環(huán)境比較復(fù)雜的情況,采用多種抗干擾技術(shù),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(xì)介紹了兩種智能執(zhí)行器的軟硬件設(shè)計以及抗干擾技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。1硬件設(shè)計1.1抗風(fēng)險設(shè)計模塊通用化控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)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(guān)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(jī)。該單片機(jī)是美國Microchip公司8位單片機(jī)中的中檔產(chǎn)品,功能齊全,性價比較高,在工控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)RS232端口設(shè)計等。由于它集成了眾多的功能,所以使得其在設(shè)計上變得簡潔,而且驅(qū)動能力強(qiáng),每個I/O引腳的最大拉電流/灌電流達(dá)25mA,能夠直接驅(qū)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(fù)位功能,因此非常適用于溫室環(huán)境的開關(guān)量輸出控制。1.1.2rs232接口標(biāo)準(zhǔn)通用化控制模塊和網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)是單端收發(fā),結(jié)構(gòu)簡單,傳輸速率不高(≤20kb/s)、傳輸距離短(15~20m),現(xiàn)已成為微機(jī)串行通信接口中廣泛應(yīng)用的一種標(biāo)準(zhǔn)。由于網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)完全適用,還可以降低成本,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。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(qiáng)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(jīng)LM2575穩(wěn)壓集成電路調(diào)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(jīng)DFA5-12S5寬電壓輸入隔離型DC/DC電源模塊(隔離電壓可達(dá)00VDC,標(biāo)稱輸出電流達(dá)1A),輸出5VDC(VCC2),作為多路繼電器驅(qū)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(qū)動電路與PIC單片機(jī)電路在電源上隔離,從而隔絕強(qiáng)電干擾的影響。1.1.4單路開關(guān)量輸出電路PIC16F877共有22個通用I/O接口,本設(shè)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(jī)、遮陽網(wǎng)電機(jī)、水泵電機(jī)、加熱器和風(fēng)機(jī)等各種溫室設(shè)備,滿足一般溫室的控制需求。如果加以擴(kuò)展I/O接口電路,則可控制更多。單路開關(guān)量輸出電路如圖2所示。PIC16F877的電源為VCC1(+5V),繼電器驅(qū)動電路的電源為VCC2(+5V),且兩者不共地,光耦TLP521使單片機(jī)部分和驅(qū)動部分在電氣上完全隔離。當(dāng)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(qū)動TLP521工作;TLP521的光敏三極管導(dǎo)通,從而使三極管2N3904導(dǎo)通,繼電器HK4100F線圈得電,其觸點(diǎn)K1吸合(觸點(diǎn)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(qiáng)電設(shè)備(如風(fēng)機(jī)、電機(jī)等)得電運(yùn)行。當(dāng)三極管2N3904導(dǎo)通時,點(diǎn)亮LED,表示某一強(qiáng)電設(shè)備開始工作。二極管D1可吸收繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流,起到保護(hù)三極管2N3904的作用。1.2網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)傳感器/執(zhí)行器接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)設(shè)計思想是使現(xiàn)場的智能傳感器/執(zhí)行器成為獨(dú)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的即插即用。本設(shè)計參照IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器分為兩個結(jié)構(gòu)模塊:一是通用化控制模塊,實(shí)現(xiàn)對溫室強(qiáng)電設(shè)備的控制;二是網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP,其微控制器也是采用PIC16F877,結(jié)合通信控制器SX52BD和10M以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS組成的網(wǎng)絡(luò)通信模塊與以太網(wǎng)互聯(lián),其RS232串口經(jīng)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(shí)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(shù)的溫室專用測控系統(tǒng),在NCAP模塊中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧,使整個溫室網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器成為一個獨(dú)立的嵌入式設(shè)備。溫室網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖3所示。1.3溫室無線執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計ZigBee是一種低速率、低成本和低功耗的短程無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在眾多無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中,ZigBee技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低和電池壽命長等獨(dú)特的優(yōu)勢;而基于ZigBee技術(shù)的溫室測控系統(tǒng)將具有低成本、可靠性好、可維護(hù)性高和適用性好的特點(diǎn),能夠滿足我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要。本文設(shè)計的溫室無線執(zhí)行器也分成兩個結(jié)構(gòu)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(nèi)置的ROM存儲器集成了點(diǎn)對點(diǎn)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(shè)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(jīng)光電隔離后,與通用化控制模塊連接,構(gòu)成無線執(zhí)行器。溫室無線執(zhí)行器作為無線網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點(diǎn),可與其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)成基于ZigBee星形Star或網(wǎng)狀Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的溫室無線測控系統(tǒng)。溫室無線執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖4所示。2軟件方案的設(shè)計網(wǎng)絡(luò)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(luò)適配器NCAP程序或ZigBee無線模塊程序。2.1控制器主機(jī)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(yùn)行后,設(shè)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(jī)死機(jī),WDT將超時溢出,將使單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位,以確保整個系統(tǒng)的安全。來自測控系統(tǒng)主機(jī)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?qū)⒉粫?zhí)行,強(qiáng)電設(shè)備將保持現(xiàn)有狀態(tài),而控制程序?qū)崿F(xiàn)對強(qiáng)電設(shè)備的開關(guān)量控制。2.2控制指令網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP主程序流程如圖6所示。程序開始運(yùn)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(shè)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(fù)。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(yùn)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(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)(組織和管理整個網(wǎng)絡(luò)),一旦找到,發(fā)出加入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的請求;請求被批準(zhǔn)后,實(shí)現(xiàn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的綁定,進(jìn)入休眠等待狀態(tài)。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)與其通訊時,無線模塊被喚醒,產(chǎn)生MCPS中斷或MLME中斷,這兩者是與ZigBee底層通訊協(xié)議棧相關(guān)的命令和數(shù)據(jù)的中斷;中斷處理程序?qū)⒖刂浦噶钜訰S232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(diǎn)。3通訊模塊的設(shè)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(shè)計上采用了多種抗干擾技術(shù):——控制模塊采用了抗干擾能力強(qiáng)的PIC16F877芯片;——單片機(jī)電源與繼電器電源隔離,防止強(qiáng)電干擾由電源串入單片機(jī)系統(tǒng);——I/O口輸出與繼電器驅(qū)動電路的光電隔離,防止強(qiáng)電干擾由繼電器電路串入單片機(jī)系統(tǒng);——單片機(jī)RS232串口與通訊模塊的光電隔離,防止強(qiáng)電干擾對通訊模塊產(chǎn)生不良的影響;——PIC單片機(jī)外圍欠電復(fù)位電路,防止電源波動對智能執(zhí)行器產(chǎn)生不良的影響;——軟件中采用看門狗技術(shù),防止系統(tǒng)程序跑飛或死機(jī)。4溫室網(wǎng)絡(luò)智能執(zhí)行器在溫室溫室網(wǎng)絡(luò)智能執(zhí)行器和無線智能執(zhí)行器分別是基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的溫室專用測控