基于CAN總線的溫室大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)方案開發(fā)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)基于CAN總線的溫室大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)方案開發(fā)摘 要：以C A N總線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種溫室大棚內(nèi)溫、濕度等參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測與控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，C AN智能節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及軟件的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)在本市農(nóng)業(yè)高科技同試用，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。關(guān)鍵詞：C A N總線；溫室大棚；溫、濕度數(shù)據(jù)采集；溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)0 引言隨著我國新士地政策的實(shí)施，政府鼓勵(lì)農(nóng)民將承包的土地向?qū)I(yè)大戶、合作農(nóng)場和農(nóng)業(yè)園區(qū)流轉(zhuǎn)，發(fā)展規(guī)模農(nóng)業(yè)

2、，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化，并逐步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。在此條件下，溫室大棚種植、養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，特別是無公害蔬菜大棚、花卉、育苗大棚在全國蓬勃發(fā)展，大棚質(zhì)量不斷提高，出現(xiàn)了機(jī)械強(qiáng)度高、抗風(fēng)雪能力強(qiáng)、透光率高，操作管理方便，使用壽命長的玻璃棚、P C板棚等。為了提高管理水平，要求對大棚的管理實(shí)施自動(dòng)化控制，以降低成本，提高生產(chǎn)效率。在對大棚的管理中，需要對棚內(nèi)氣體溫度、濕度、濃度、土壤濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以充分滿足棚內(nèi)作物生長的客觀要求。隨著大棚數(shù)量的增加，跨地區(qū)經(jīng)營現(xiàn)象的增多，需要用傳輸能力強(qiáng)和通信距離遠(yuǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)來有效地對大棚進(jìn)行監(jiān)管。C A N總線技術(shù)具有先進(jìn)的主網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)性好，通訊距離遠(yuǎn)，數(shù)

3、據(jù)傳輸速率快，具有較好的差錯(cuò)控制能力，可靠性高、系統(tǒng)容量大、擴(kuò)充容易、安裝方便、維護(hù)費(fèi)用低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用控制節(jié)點(diǎn)多，分布較散的監(jiān)控場所。因此，本設(shè)計(jì)采用C A N技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)溫、濕度等參數(shù)的監(jiān)控。1 溫室大棚控制系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)在任何測控系統(tǒng)中，都要通過測量裝置獲取被測環(huán)境中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，然后執(zhí)行控制算法，做出相應(yīng)的控制決策，啟動(dòng)執(zhí)行設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。基于C A N總線建立的測控系統(tǒng)將單個(gè)分散的測量裝置和控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，利用總線上的節(jié)點(diǎn)具有總線通信功能、測量和控制功能實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與設(shè)備控制。本系統(tǒng)就是采用這種現(xiàn)場總線分布式數(shù)據(jù)采集與控制方式。系統(tǒng)

4、主要包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、現(xiàn)場控制室、遠(yuǎn)端控制室三部分。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的主要功能是通過采集分布于棚內(nèi)各個(gè)傳感器所采集的實(shí)時(shí)信息，并根據(jù)所得的信息發(fā)送控制命令，控制現(xiàn)場的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警等功能。由于C A N總線的通信距離有限，而遠(yuǎn)端控制室和現(xiàn)場相隔較遠(yuǎn)，所以需對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，這由現(xiàn)場控制室完成?，F(xiàn)場控制室主要由CAN接口適配器以及上位PC機(jī)組成，通過P C機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的監(jiān)控管理機(jī)上，遠(yuǎn)端的控制室主要由客戶終端P C機(jī)、打印機(jī)等組成，P C機(jī)通過Internet以及客戶終端的操作軟件，對CAN節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、打印等基本操作，并對節(jié)點(diǎn)控

5、制系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)控制命令，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。2 硬件電路設(shè)計(jì)21 CAN智能節(jié)點(diǎn)的硬件電路架構(gòu)智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主要包括參數(shù)檢測傳感器、AT89S52單片機(jī)、CAN通信模塊、報(bào)警模塊、暖氣控制電磁閥、冷卻水控制閥、噴水電磁閥及其驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示模塊等。22 CAN通信模塊C AN通信模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，電路主要由四部分組成，即微控制器A T 8 9 S 5 2、獨(dú)立C A N通信控制器sJAl000、CAN總線收發(fā)器82C50和高速光電耦合器6N137。sJA 1 000和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信通過單片機(jī)PO口進(jìn)行，數(shù)據(jù)接收信號采用中斷方式，以提高數(shù)據(jù)處理的

6、實(shí)時(shí)性。CAN控制器SJAl000通過總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250連接在物理總線上。PCA8 2 0C 2 5 0器件提供對總線的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器的差動(dòng)接收能力。SJAl000的TXO和RXO通過高速光耦6N1 37與82C250相連，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，保護(hù)智能節(jié)點(diǎn)核心電路I：作安全，并實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。可在總線入口處并接雙向穩(wěn)壓管，限制線路上可能出現(xiàn)的短時(shí)尖峰過電壓，增加共模抑制線圈，以消除共模信號的干擾。信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的站點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，干擾正常信號的傳輸，可在CAN總線兩端并接2個(gè)1 2 0 Q的電阻，起到匹配總線阻抗和消除反射的雙重作用

7、比。23溫濕度傳感器模塊溫濕度檢測電路采用瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的具有12C總線接口的溫濕度傳感器芯片SHTll，該芯片能夠直接提供溫度在一40+120C范圍內(nèi)，濕度在0100范圍內(nèi)的數(shù)字輸出信號。SHT 1 1具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、一致性好等特點(diǎn)，非常適用于單片機(jī)溫濕度測量與控制系統(tǒng)。圖4為SHT 1 1在該系統(tǒng)中的應(yīng)用電路圖。24土壤濕度的測量模塊如圖5所示，傳感器采用硅濕度敏電阻，它在2 525氣體濃度檢測模塊不同大棚內(nèi)種植的作物不同，對各種氣體濃度的要求略有差異，從安全角度考慮，主要是對可燃?xì)怏w的檢測。在此以可燃?xì)怏w的檢測為例說明。本系統(tǒng)采用L X K一3氣體傳感器，

8、該系列元件是種廣譜性的氣敏元件，適用多種可燃?xì)怏w的檢測和報(bào)警。圖6為L X K一3在該系統(tǒng)中的應(yīng)用電路圖，其差分輸出電壓反映了氣體的濃度變化。LXK一3的輸出電壓范圍為-50+50mv，AD623為集成單電源儀表放大器，當(dāng)R4取典型值256K Q時(shí)，其增益為40，在REF引腳上加28V電壓，其輸出電壓范圍相對于地電平為084V，該電壓經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理。3。26驅(qū)動(dòng)電路模塊驅(qū)動(dòng)電路包括暖氣電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、噴水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、冷卻水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、排氣扇或氣窗驅(qū)動(dòng)電路。受篇幅限制，本文僅簡單介紹暖氣供應(yīng)控制過程。當(dāng)單片機(jī)的I0口輸出高電平時(shí)，經(jīng)光電耦合器隔離，使三極管v T飽和導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼

9、電器吸合，其常開觸點(diǎn)閉合，電磁閥線圈通電而打開，暖氣進(jìn)入大棚內(nèi)，使其溫度升高，當(dāng)溫度升高到設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)I0口輸出低電平，暖氣供給電磁閥關(guān)閉，停止供暖氣。當(dāng)溫度隆低到一定數(shù)值時(shí)，將再次起動(dòng)電磁閥供暖氣，如此反復(fù)自動(dòng)進(jìn)行，保證大棚內(nèi)溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，以滿足作物生長要求。27顯示模塊顯示模塊采用FMl2864l液晶顯示模塊。它是一種圖形液晶顯示器，采用8位數(shù)據(jù)總線與C P U接口，并行輸入輸出。它主要由行驅(qū)動(dòng)列驅(qū)動(dòng)和l 2864全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可顯示84個(gè)(1616點(diǎn)陣)漢字。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用模塊設(shè)計(jì)方式，由數(shù)據(jù)采集與處理模塊、C A N通信模塊、輸出控

10、制模塊等組成。各模塊在監(jiān)控系統(tǒng)的程序調(diào)度下協(xié)調(diào)工作。31數(shù)據(jù)采集模塊主要完成土壤濕度、大棚內(nèi)空氣溫度與濕度、棚內(nèi)氣體濃度等數(shù)據(jù)的采集，并進(jìn)行補(bǔ)償和線性轉(zhuǎn)換等處理，其程序流程如圖7所示。32 CAN通信模塊由初始化程序、報(bào)文發(fā)送程序和報(bào)文接收程序3部分組成。節(jié)點(diǎn)的初始化指系統(tǒng)上電后，對微處理器和C A N控制器SJAl 000進(jìn)行的初始化，以確定工作主頻、波特率和輸出特性等。對C P U初始化主要是對中斷、定時(shí)器的設(shè)置，對SJA 1 000的初始化是通過對CPU進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，SJA 1 000的初始化應(yīng)在復(fù)位模式下進(jìn)行，故要將I：作方式置為復(fù)何模式，之后要設(shè)置驗(yàn)收濾波方式，驗(yàn)收屏蔽寄存器(A M

11、 R)和驗(yàn)收代碼寄存器(A C R)，波特率參數(shù)和中斷允許寄存器(IER)等CAN協(xié)議物理層中的同步跳轉(zhuǎn)寬度和通信波特率的大小由定時(shí)寄存器BRTO和BTRl的內(nèi)容決定，對于一個(gè)系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)寄存器的內(nèi)容必須相同，否則將無法進(jìn)行通信，初始化設(shè)置完成后，將復(fù)位請求位置“0”，sTA l 000就可以進(jìn)入工作狀態(tài)，執(zhí)行通信任務(wù)。發(fā)送程序：c A N接口的發(fā)送程序負(fù)責(zé)在需要時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在CAN與CPU連接的數(shù)據(jù)接口空閑的情況下，向CAN接口控制器SJAl 000的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)。即發(fā)送采用查詢控制方式。數(shù)據(jù)的目的地，用數(shù)據(jù)的信息標(biāo)識來表示，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)的目的地改變時(shí)，只要改變信息的標(biāo)

12、識即可。若發(fā)送的連續(xù)多個(gè)8位組數(shù)據(jù)，是同一個(gè)目的地，則可以保持信息標(biāo)識不變，每次發(fā)送時(shí)，可將數(shù)據(jù)直接寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。接收程序：CAN控制器SJA l 000根據(jù)規(guī)則自動(dòng)接收信息，將接收到的信息放入接收緩沖器，此時(shí)接收緩器狀態(tài)標(biāo)識RB S置為“1”，表示緩沖器中有接收到的信息，當(dāng)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿時(shí)，被中斷調(diào)用執(zhí)行，讀取緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后釋放緩沖區(qū)，允許接收新的數(shù)據(jù)，接收過程即可以通過SJAl000的中斷請求，也可查詢SJAl000的標(biāo)志位來進(jìn)行。4 結(jié)束語本文將cAN總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于溫室大棚內(nèi)濕、濕度等參數(shù)的自動(dòng)檢測與控制中，通過C A N網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)問采集數(shù)據(jù)的傳遞和

13、將數(shù)據(jù)信息快速、準(zhǔn)確上傳，根據(jù)大棚數(shù)量，可隨時(shí)在總線上增刪現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)，而不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。通過多點(diǎn)巡檢系統(tǒng)，上位機(jī)可隨時(shí)檢測各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的工作狀況，并可實(shí)施對現(xiàn)場的控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，這種遠(yuǎn)程監(jiān)控將減少企業(yè)運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)，極大提高企業(yè)的管理效率與經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)C A N總線因其幀短，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，能在惡劣環(huán)境下對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，大大提高了對大棚內(nèi)情況實(shí)施實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和安全性監(jiān)控，經(jīng)本市農(nóng)業(yè)高科技園使用，效果較好。托普物聯(lián)網(wǎng)簡介托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項(xiàng)目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)

14、域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個(gè)層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)

15、了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個(gè)園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)，自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽，自動(dòng)卷簾，自動(dòng)開窗關(guān)窗，自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時(shí)看到作物的實(shí)時(shí)生長狀況。4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)。可以通過聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實(shí)施實(shí)時(shí)信息自動(dòng)記錄，有據(jù)可查，在儲藏、運(yùn)輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術(shù)對各個(gè)階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者拿到農(nóng)產(chǎn)品時(shí)通過終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)就能查看到各類信息，才能放心食用。6、作業(yè)模塊：即中央控制室?？赏ㄟ^總控室對整個(gè)區(qū)域情況進(jìn)行監(jiān)測，包括各個(gè)區(qū)域采集點(diǎn)參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實(shí)時(shí)視頻圖像、施肥噴藥狀況、報(bào)警信息等。參考