温室测控系统通用化智能控制模块设计

温室测控系统通用化智能控制模块设计

0温室无线测控系统的主要构成随着科学技术的发展，各种新技术不断被应用于设施农业。基于嵌入式技术、IEEE1451.2及以太网技术的温室专用测控系统具有可靠性高、成本低和简单易用等特点,克服了传统温室测控系统成本高、操作复杂和适用性差等不足,能够真正符合农民的实际需求,具有良好的应用前景。基于ZigBee无线传感器网络技术的温室无线测控系统,将工业界的最新无线技术应用到农业中,具有网络自组织、节点功耗低、成本低和信息传输可靠性高等优点,解决了传统温室测控系统大量布线、成本高、监测点和控制点不易移动等问题,是今后温室测控系统的主要发展方向。执行器是温室测控系统实现其温室环境调控的重要环节,接受上位机或系统主控单元的指令,控制排风扇、加热器、天窗侧窗、湿帘降温系统和喷滴渗灌溉系统等温室基础设施。本论文设计了能够工作在以太网Ethernet和无线传感器网络WSN的通用化温室智能控制模块。该模块与以太网网络适配器NCAP通讯模块组合,可构成基于IEEE1451.2标准的温室以太网专用测控系统的网络执行器;该模块与ZigBee无线通讯模块组合,又可构成基于ZigBee协议的温室无线测控系统的无线执行器,具有通用性和标准化的特点。此外,根据温室现场工作环境比较复杂的情况,采用多种抗干扰技术,提高了控制模块和整个测控系统的可靠性和鲁棒性。为此,详细介绍了两种智能执行器的软硬件设计以及抗干扰技术的实现。1硬件设计1.1抗风险设计模块通用化控制模块的硬件结构如图1所示。该模块包括微处理器(PIC16F877及外围电路)、RS232串口通讯(MAX202及外围电路)、电源和开关量输出等几个子模块。1.1.1精简目令的系统通用化控制模块的微处理器子模块使用PIC16F877单片机。该单片机是美国Microchip公司8位单片机中的中档产品,功能齐全,性价比较高,在工控领域有着广泛的应用。它采用RISC精简指令,只有35条指令,有22个I/O口,8路模拟量输入的10位A/D转换器,8k×14bit的程序寄存器(Flashmemory),368×8bit的数据存储器,256×8bit的EEPROM(用于存储设定的数据和测试数据),3个定时计数器,14个中断源,标准RS232端口设计等。由于它集成了众多的功能,所以使得其在设计上变得简洁,而且驱动能力强,每个I/O引脚的最大拉电流/灌电流达25mA,能够直接驱动光电耦合器或微型继电器等。此外,其可靠性和抗干扰性能较好,带有看门狗定时器WDT和欠电复位功能,因此非常适用于温室环境的开关量输出控制。1.1.2rs232接口标准通用化控制模块和网络适配器NCAP或ZigBee无线模块之间采用RS232接口通信方式。该接口标准是单端收发,结构简单,传输速率不高(≤20kb/s)、传输距离短(15~20m),现已成为微机串行通信接口中广泛应用的一种标准。由于网络适配器NCAP或ZigBee无线模块直接与通用型控制模块连接,传输距离小于0.5m,而且数据的吞吐量小,通讯时间间隔长,因此采用RS232接口标准完全适用,还可以降低成本,简化系统结构。在RS232接口和外围通讯模块之间加一个光电隔离电路,抑制控制模块的强电干扰信号通过RS232串口对整个测控系统的影响。1.1.3抗波动电源模块电源子模块采用9VDC输入的AC适配器供电。电源输入后分成两路:一路经LM2575稳压集成电路调理后为PIC16F877及外围电路提供5VDC电源(VCC1),LM2575稳压集成电路的电压输入为4.7~40V,能够有效地抑制电网的波动;另一路经DFA5-12S5宽电压输入隔离型DC/DC电源模块(隔离电压可达00VDC,标称输出电流达1A),输出5VDC(VCC2),作为多路继电器驱动电路和LED的电源。采用DFA5-12S5隔离型电源模块,使得多路继电器驱动电路与PIC单片机电路在电源上隔离,从而隔绝强电干扰的影响。1.1.4单路开关量输出电路PIC16F877共有22个通用I/O接口,本设计采用了其中的16个,可直接控制16路输出,能够控制温室的天窗开合电机、遮阳网电机、水泵电机、加热器和风机等各种温室设备,满足一般温室的控制需求。如果加以扩展I/O接口电路,则可控制更多。单路开关量输出电路如图2所示。PIC16F877的电源为VCC1(+5V),继电器驱动电路的电源为VCC2(+5V),且两者不共地,光耦TLP521使单片机部分和驱动部分在电气上完全隔离。当PIC16F877接到控制指令,将某一I/O引脚(如RA0)置高,该I/O引脚可直接驱动TLP521工作;TLP521的光敏三极管导通,从而使三极管2N3904导通,继电器HK4100F线圈得电,其触点K1吸合(触点直接与220VAC的市电相连接);然后,交流接触器的线圈得电,交流接触器吸合,强电设备(如风机、电机等)得电运行。当三极管2N3904导通时,点亮LED,表示某一强电设备开始工作。二极管D1可吸收继电器线圈产生的感应电流,起到保护三极管2N3904的作用。1.2网络适配器ncap国际电气电子工程师协会(IEEE)针对多种现场总线网络并存而让变送器制造商无所适从的现状,制定了IEEE1451.2智能化网络传感器/执行器接口标准。该标准的主导设计思想是使现场的智能传感器/执行器成为独立的个体,使得传感器/执行器的安装、拆卸以及信息交互变得更加容易,真正实现现场设备的即插即用。本设计参照IEEE1451.2标准,网络执行器分为两个结构模块:一是通用化控制模块,实现对温室强电设备的控制;二是网络适配器NCAP,其微控制器也是采用PIC16F877,结合通信控制器SX52BD和10M以太网控制芯片RTL8019AS组成的网络通信模块与以太网互联,其RS232串口经光电隔离后与通用化控制模块连接,将从以太网上接收到的控制指令发送到通用化控制模块,可实现通用化控制模块的即插即用,使其方便地加入基于IEEE1451.2以太网技术的温室专用测控系统,在NCAP模块中实现TCP/IP协议栈,使整个温室网络执行器成为一个独立的嵌入式设备。温室网络执行器结构如图3所示。1.3温室无线执行器结构设计ZigBee是一种低速率、低成本和低功耗的短程无线网络协议。在众多无线网络技术中,ZigBee技术具有数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低和电池寿命长等独特的优势;而基于ZigBee技术的温室测控系统将具有低成本、可靠性好、可维护性高和适用性好的特点,能够满足我国设施农业发展的迫切需要。本文设计的温室无线执行器也分成两个结构模块,即通用化控制模块和ZibBee无线通讯模块。无线模块采用英国Jennic公司的JN5121-Z01-M01模块,该模块将兼容IEEE802.15.4/ZigBee的低功耗、低成本无线微型控制器JN5121和外置天线连接端整合到一块18mm×30mm的模块上,并集成了所有的射频组件。而JN5121内置的ROM存储器集成了点对点通讯与网对网通讯的完整协议栈,用户需要做的就是连接电源和外部设备(如执行器或者传感器等),对于系统而言不需要做射频测试。因此,采用该模块可以显著地减小开发的工作量。该模块RS232串口经光电隔离后,与通用化控制模块连接,构成无线执行器。温室无线执行器作为无线网络的一个节点,可与其他节点构成基于ZigBee星形Star或网状Mesh拓扑结构的温室无线测控系统。温室无线执行器结构如图4所示。2软件方案的设计网络执行器和无线执行器的软件都分成两部分,即通用化控制模块程序(通用)和网络适配器NCAP程序或ZigBee无线模块程序。2.1控制器主机主通用化控制模块程序的软件流程如图5所示。主程序开始运行后,设置看门狗定时器WDT,程序正常执行期间,WDT将不断地被重置。一旦程序跑飞或单片机死机,WDT将超时溢出,将使单片机产生复位,以确保整个系统的安全。来自测控系统主机的控制指令以串口中断的方式被执行。在串口中断程序中,如果前后两次收到的指令相同,控制程序将不会执行,强电设备将保持现有状态,而控制程序实现对强电设备的开关量控制。2.2控制指令网络适配器NCAP主程序流程如图6所示。程序开始运行,系统软硬件初始化,开启RS232串口,读取来自以太网的命令。然后,判断接收到的指令是否可用,若可用,将控制指令发送给通用化控制模块,并将其反馈信息发送到以太网;若不可用,则设置出错息,并送入以太网,程序继续读取来自以太网的命令,如此循环往复。2.3聚酯系统的通讯ZigBee无线模块主程序流程如图7所示。程序开始运行,系统软硬件初始化,开启RS232串口;然后开始扫描可用的通讯信道,查找ZigBee无线传感器网络中的汇聚节点(组织和管理整个网络),一旦找到,发出加入现有网络的请求;请求被批准后,实现与汇聚节点的绑定,进入休眠等待状态。当汇聚节点与其通讯时,无线模块被唤醒,产生MCPS中断或MLME中断,这两者是与ZigBee底层通讯协议栈相关的命令和数据的中断;中断处理程序将控制指令以RS232串口的方式发送给通用化控制模块,并将其反馈信息发送给汇聚节点。3通讯模块的设计为了确保智能执行器及测控系统的稳定可靠,在软硬件设计上采用了多种抗干扰技术:——控制模块采用了抗干扰能力强的PIC16F877芯片;——单片机电源与继电器电源隔离,防止强电干扰由电源串入单片机系统;——I/O口输出与继电器驱动电路的光电隔离,防止强电干扰由继电器电路串入单片机系统;——单片机RS232串口与通讯模块的光电隔离,防止强电干扰对通讯模块产生不良的影响;——PIC单片机外围欠电复位电路,防止电源波动对智能执行器产生不良的影响;——软件中采用看门狗技术,防止系统程序跑飞或死机。4温室网络智能执行器在温室温室网络智能执行器和无线智能执行器分别是基于IEEE1451.2标准的温室专用测控