现代农业设施系统的设计与研制1.doc

基于拓扑结构的农业设施测控系统的设计与研究刘士光 （河北科技师范学院机电系，秦皇岛 066004；）摘 要 本文首先简要介绍了具有拓扑结构、由有线数据通信与无线数据通信相结合所构成的现代农业设施系统的结构特点，然后分别介绍以增强型单片机AT89 S8252为核心的测控仪表、中继站、以PC机组成的中央处理机的硬软件结构、工作原理和设计方法。这种集检测、控制、管理于一体的三级计算机通信系统工作可靠性强，使用便捷，尤其适合分散检测、集中管理的现代农业设施群。关键词 农业设施 检测 单片机 nRF401 数据通信 1 引言近几年来，我国在温室结构与温室控制两个方面开展了不少研究。国家在“九五”攻关项目中启动了有关温室设施及配套装备；2001年，国家在“十五”攻关项目中启动了“温室环境智能控制关键技术研究与开发”课题；2001年国家“863”计划“可控环境农业生产技术”研究内容包含研制可控环境自动控制系统、信息自动采集系统等；2003年，国家计委启动了“设施农业技术集成产业化示范”课题；国家自然科学基金生命科学部对设施园林也设立了重点项目。这些都说明，在设施环境中，控制技术是相当重要的1。针对这些情况，本课题组设计并研制了具有拓扑结构、由有线数据通信与无线数据通信相结合所构成的现代农业设施群自动测控系统。这种集检测、控制、管理于一体的三级计算机通信系统工作可靠性强，使用便捷，尤其适合分散测控、集中管理的现代农业设施群。2 系统的硬件设计系统的硬件拓扑结构如图1所示。由于工控机的分析处理能力较强，处理速度更快，界面显示信息75176工控机7517675176RS-485串行通信卡RXD P3.7 TXD中继站 n（2片2051）RXD P3.7 TXD中继站 2（2片2051）RXD P3.7 TXD中继站 1（2片2051）RXD TXD终端检测仪表11RXD TXD终端检测仪表1mRXD TXD终端检测仪表21RXD TXD终端检测仪表2mRXD TXD终端检测仪表n1RXD TXD端检测仪表n m图1农业设施群自动测控系统拓扑结构图丰富，特别是它的高可靠性便于在中央监控室集中管理，所以该系统中的中央监控机采用工控机。该系统中的中继站安放在适当的工作面上，多个中继站以有线通信的方式与工控机连接，每个中继站又都以无线通信的方式与若干个单机检测仪（下位从机）相连。整个系统的拓扑结构的各个环节硬软件都采取了模块化结构， 用户可以根据实际情况，选用合理的硬软资源配置，从而实现配置灵活、性能价格比高。21工控机与中继站串行通信接口的设计 工控机内一般都有RS-232串行标准接口，但其所传送的距离不超过15m6，这对于矿井安全参数检测与报警系统来说显然是不够的，通信距离一般较远，所以本系统为工控机设计一个RS-485串行通信卡，从而实现由RS-232串行接口标准到RS-485串行接口标准的转换7。中继站的AT89C2051（）的串行口加上驱动电路SN75176芯片可以实现RS-485串行通信，进行远距离传送。在发送和接收端都进行协议转换后，RS-485协议对数据传送来说是相对透明的，所以依然可以使用工控机中的RS-232串行接口进行远距离的数据传送和控制。2 1测仪表的设计与研究它既是整个系统的一个终端，又是相对独立的一台有害气体检测仪，它既可以被随身携带，也可以 P2.4-7P1.0 P1.；3 P0。.0-7 P1。5-7P1.5 P3。.6-7P1.6 P1.7 P2.0 P2.2 TXDP2.3 RXDP3.3-5 P2. 3-5IN0 COMIN7ABCB1B4 INPOLOR UR键盘4067液晶控控制器KS0066LCM1602A型液晶显示器传感器变送器ICL71354051AT89S8252报警报警驱动传感器变送器nRF401收发器 图2 测控仪表结构框图被放于某一固定的隐蔽处作为固定检测点。它所检测到的数据既能被随身携带者观察记录同时又以无线通信的方式通过中继站传输到了中央检测室。211 仪表硬件结构检测仪表硬件结构框图如图2所示。本设计的一个显著特点是使用了高性能的单片机AT89S8252，它除了具有高性能价格比的单片机AT89C523所有性能外，它还有2KB的EEPROM和硬件“看门狗” 4 ，前者对于仪表的标定1是非常宝贵的资源，后者为系统的可靠运行进一步加大了保险系数。这两者使系统省下了原本需要扩展的硬件电路。为了提高性能价格比，在设计中最大限度地利用单片机本身四个I/O接口而不另扩展。此外，多路模拟开关4051使系统的多路传感器、变送器共用一个A/D转换器ICL7135，并不是每个系统都需检测所有物理量，同一参量不同系统检测点数也各不相同，可根据需要选择模板组合。承担无线通信的器件是nRF4015收发器等，其他器件多种文献都有介绍234，在这里重点介绍nRF401收发器的工作原理及其与单片机的连接方法。212 nRF401收发器的基本工作原理及其与单片机的连接方法nRF401无线收发芯片是挪威Nordie公司新推出的一种集发射与接收于一体的无线数传芯片，可以工作在433.92MHZ和434.33MHZ两个频段，发送数据采用FSK调制解调技术，最高工作速率20K bit/s。典型的收发电路如图3所示，TXEN发射/接收控制端，PWR_UP正常/待机控制端，CS频率选择端，TXD数据接收端，RXD数据发送端，与单片机连接时TXD和RXD可以直接连接单片机的串口。22中继站的设计从图1可以看到，中继站是整个系统信息流的咽喉要道，它以无线通信的方式主动收集所辖各检测仪表的数据，以有线通信和中断的方式将它所收集到的所辖各检测仪表的数据传送给工控机，它与工控机和检测仪表的通信都需要串行口。而每一个AT89C2051仅一个串行接口，比较几种方案之后3，选用二片AT89C2051是合适的。如图4所示。由于中继站与终端机采用分时异步传输，为了提高无线通讯的可靠行，在发送有效的数据前加入了前导标志55H+FFH，当收到前导标志正确的前提下，有效数据才被接收，数据帧格式为55H+FFH+终端机编码+有效数据。终端机与中继站通过数字地址编码进行分时通讯，每一个终端机都有一个自身的地址编码，若采用8位编码则每一个中继站下可以连接256个终端机，平时终端机处于巡回检测各参数状态，当串行口接收到的数据帧中的地址数据与本机相同，则以中断的形式向中继站回复采集到的数据，中继站对其链接的终端机巡回接收数据。考虑到矿井中环境比较恶劣，终端机故障率可能比较高，若中继站几次没有收到终端机的信号时，则会向上级工控机发出报告，工控机在显示屏上既可以看到出故障的终端机位置。备用电源对于中继站显得相当重要，在突发事故中，矿井的供电系统可能会受到影响，备用电源在这样的情况下启动，系统切换到节电模式，即使在没有外部供电的情况下仍然可以提供矿井中的环境数据，为事故的恢复和挽救提供安全保证。221中继站与工控机串行通信接口的设计 工控机内一般都有RS-232串行标准接口，但其所传送的距离不超过15m6，这对于矿井安全参数检图3 nRF401收发器的外围电路及其与单片机的连接电路b) 数据接受流程图a) 数据发送流程图测与报警系统来说显然是不够的，通信距离一般较远，所以本系统为工控机设计一个RS-485串行通信卡，从而实现由RS-232串行接口标准到RS-485串行接口标准的转换7。中继站的AT89C2051（）的串行口加上驱动电路SN75176芯片可以实现RS-485串行通信，进行远距离传送。在发送和接收端都进行协议转换后，RS-485协议对数据传送来说是相对透明的，所以依然可以使用工控机中的RS-232串行接口进行远距离的数据传送和控制。222中继站与检测仪表串行通信接口的设计 同212 nRF401收发器与单片机的连接方法一样，以中继站的AT89C2051（）的串行口进行无线通信。223 中继站中二个CPU的并行通信接口的设计 组成中继站的二个AT89C2051用各自的P1口以并联的方式通信，电路如图4所示。3。系统的软件设计系统软件主要由三部分组成：检测仪表运行程序；通讯程序；工控机运行程序。31 检测仪表的检测程序设计该仪表的应用程序在结构上与硬件配置相适应，采用模块化结构。软件的重点和难点就在于主程序如何把不同的硬件配置的系统子程序协调组成完整的完成确定功能的系统测控程序。它主要由主程序、数据巡回采集及处理（包括报警）子程序、显示子程序、键盘扫描子程序及通信中断服务程序等组成8。其主程序是周而复始地检测与显示各参数值和越限报警9。在这里就不赘述。32 主从工作模式的软件设计无论是工控机与中继站还是中继站与检测仪表都是以主从工作模式进行通信，上位机（在有线通信中的工控机和无线通信中的中继站）作为主机，下位机（在有线通信中的中继站和无线通信中的检测仪表）作为从机。在通信中，尽管在硬件上它们有无线通信和有线通信的差别，但软件流程却是一样的。主机在主程序中以主动的方式按照固定顺序周而复始地索要从机数据，而从机以中断的方式应答主机的索要，其程序流程图如图5所示。33工控机的程序设计 图5 主从工作模式流程图工控机采用Visual Basic(简称VB)编程10。目前，VB已成为WINDOWS系统开发的主要语言之一，以其高效、简单易学及功能强大的特点越来越为广大程序设计人员及用户所青睐。VB支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式，提供了可视化设计工具，开发人员不必为界面设计而编写大量程序代码，只需要按设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，在屏幕上画出各种“部件”，即图形对象，并设置这些图形对象的属性，Visual Basic便自动产生界面设计代码，从而可以十分简便地作出良好的人机界面，并通过串行口将所需的各种予置信号(数字信号)以有线通信的方式传给中继站，再由中继站以无线通信的方式传给检测仪表现场。予置数值可以分别显示在工控机软件窗口和单片机系统的予置数字表头上。同时，现场实测信号，也可以实时显示在本系统的检测数字表头上和工控机的界面上。如此设计界面直观，而且利于对现场信号进行实时监测与声光报警。采用本系统，对实验操作人员来说人机界面良好，简单易懂。 5结论矿井安全参数（主要包括瓦斯等有害气体的含量、温湿度、通风等）检测与报警系统虽然目前还处于研发阶段，但它各项优势已经突显出来：它的硬软件及各层次均采用模块化结构使其灵活地组成系统以适应不同规模、不同情况、不同要求的矿井；它针对矿井特点采用有线通信与无线通信相结合的通信方式使系统工作可靠、层次清晰、管理方便；将各个环节在可靠的前提下设计成最小系统、选用低功耗器件使系统便携、节能、价格低廉。这些优势将使它有广阔的应用前景。参考文献1 杜尚丰，李迎霞，马承伟等中国温室环境控制硬件系统研究进展J. 农业工程学报,2004(1).712.1孙廷才，王杰，孙中键工业控制计算机组成原理M，北京：清华大学出版社，2001，51103.2 JIN Ren-chang,YAN Dong-liang,LI Guo-fang et al.New metheod of orientation and calibration for gas detectorJ COAL SCIENCE &ENGINEERINGCHINA 2004 10(2):111-1133余永权. ATMEL89系列单片机应用技术M北京：北京航天航空大学出版社，2002，7，31326.4 潘新民，王燕芳. 单片微型计算机系统设计M北京：人民邮电出版社，1993，472.5 Nordie公司, nRF401开发