基于物联网的水肥一体化首部控制器的制作方法

本实用新型涉及田间智能控制领域，具体涉及一种基于物联网的水肥一体化首部控制器。

背景技术：

目前，现有的水肥一体化首部控制器大多包含物联网通讯部分、A/D转换模块和继电器开关控制部分，农业物联网水肥一体化系统中所有首部控制设备、田间信息土壤信息采集设备、田间控制设备等集中到一个物联网网络中，通过首部控制器采集首部系统状态信息发送到物联网控制中心，物联网控制中心智能决策系统控制首部控制器，在小区域示范环境中，能达到很好的使用效果。但是，在实际大田水肥一体化园区系统中，园区越大，需要的物联网节点数越多，网络中过多的节点很容易导致深度路由，从而导致控制系统实时性差甚至出现通信堵塞现象，导致系统瘫痪。另一方面，水肥一体化在国内还处于起步阶段，实现土地集中管理的区域较少，大部分地区灌溉施肥主要是农户自己操作完成，而上述系统只能在物联网控制中心控制水肥一体化系统，实用性差。

技术实现要素：

本实用新型要解决的问题是提供一种可实现缓解物联网通讯压力，提高系统实时性，同时实现水肥一体化首部系统脱离物联网控制中心，能够独立工作的基于物联网的水肥一体化首部控制器。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于物联网的水肥一体化首部控制器，包括嵌入式MCU部分以及分别与所述嵌入式MCU部分对应连接的A/D转换部分、继电器开关控制部分、晶体管输出部分、独立按键部分、显示部分、实时时钟部分、数据存储部分、开关量输入部分和通讯部分，还包括为各部分提供电量的电源转换部分。

优选的，所述嵌入式MCU部分包括外部晶振电路和复位电路，组成最小系统。

优选的，所述继电器开关控制部分包括不少于一路的继电器控制电路，所述继电器控制电路包括继电器J和NPN型三极管Q1，继电器J的线圈一端与三极管Q1的集电极电连接，继电器J的线圈另一端与电源转换部分对应连接，三极管Q1的基极通过电阻R1和正接的二极管D1与嵌入式MCU部分对应电连接，三极管Q1的发射集接电源转换部分负极。

优选的，所述显示部分包括LCD显示屏。

优选的，开关量输入部分包括不少于一个的光耦隔离芯片，所述光耦隔离芯片的输入端与外部开关信号连接，输出端与嵌入式MCU部分对应连接。

优选的，所述A/D转换部分包括不少于四路的模拟信号输入接口。

优选的，所述通讯部分包含GPRS通讯模块、不少于一个的zigbee通讯模块、RS232通讯模块和RS485模块。

本实用新型的有益技术效果在于：

1. 既能满足通用水肥一体化首部控制器实现的A/D采集、继电器开关控制、数据通讯等功能，还可以满足小规模农田实行水肥一体化时，农户自行操作灌溉施肥，不需要通过再物联网控制中心控制水肥一体化操作。

2. 包括不少于一个的zigbee通讯，可将物联网上行通讯和下行通讯分割开,极大的缓解了物联网的通讯压力，有效提高控制系统的实时性和可靠性。

3. 具有独立按键部分，可通过独立按键部分直接配置控制器参数、控制控制器工作，更符合当前人们的操作习惯，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型的框架图；

图2为图1中继电器开关控制部分的继电器控制电路电路原理图；

图3为图1中晶体管输出部分的电路原理图；

图4为图1中独立按键部分的电路原理图；

图5为图1中实时时钟部分的电路原理图；

图6为图1中数据存储部分的电路原理图；

图7为图1中开关量输入部分的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明；

实施例1：一种基于物联网的水肥一体化首部控制器，如图1所示，包括嵌入式MCU部分，分别与嵌入式MCU部分对应连接的A/D转换部分、继电器开关控制部分、晶体管输出部分、独立按键部分、显示部分、实时时钟部分、数据存储部分、开关量输入部分和通讯部分，以及为上述各部分提供电量的电源转换部分。嵌入式MCU部分包括外部晶振电路和复位电路。

A/D转换部分外部连接管道压力传感器、管道水流量传感器、管道流速传感器，继电器开关控制部分连接外部交流接触器，晶体管输出部分连接外部报警灯、蜂鸣器，显示部分显示A/D转换部分采集的管道状态数据和继电器开关的状态。开关量输入部分外部连接首部水泵状态反馈电路，数据通讯部分的RS232、RS485通讯部分连接采集设备导出控制器数据，zigbee通讯模块U1负责上行通讯，无线连接到物联网控制中心，zigbee通讯模块U4负责下行通讯，组建物联网控制下级无线设备，GPRS通讯模块通过GPRS网络将控制器数据上传到远程服务器。

A/D转换部分包括四路的模拟信号输入接口AIN1+、AIN2+、AIN3+、AIN4+，A/D转换部分的电源输入端V_SENSOR连接电源转换部分的V_SENSOR输出端，输出端AIN1、AIN2、AIN3、AIN4分别连接到嵌入式MCU部分的输入端；A/D转换部分的信号输入端AIN1+、AIN2+、AIN3+、AIN4+分别接四路外部模拟信号，A/D转换部分将模拟信号经过隔离、信号处理和A/D转换后，输入到嵌入式MCU部分。

如图2所示，继电器开关控制部分包括两路连接方式相同的继电器控制电路，如图2所示，继电器控制电路的输入端均OD连接嵌入式MCU部分的输出端，包括继电器J和NPN型三极管Q1，继电器J的线圈一端与三极管Q1的集电极电连接，继电器J的线圈另一端与电源转换部分对应连接，三极管Q1的基极通过电阻R1和正接的二极管D1与嵌入式MCU部分对应电连接，三极管Q1的发射集接电源转换部分负极。嵌入式MCU部分通过三极管电流放大电路控制流过继电器JDQA线圈，进而控制继电器常开触点的通断。

如图3所示，晶体管输出部分的电源输入端V_SENSOR连接电源转换部分的输出端V_SENSOR，晶体管输出部分的控制输入端ODA、ODB连接嵌入式MCU部分的输出端，经过二极管D3、电阻R3后接入达林顿晶体管Q2的基极，控制流过晶体管Q2的电流。晶体管Q2输出部分的输出端连接外部声光报警设备，晶体管Q2输出部分接收嵌入式MCU部分输出的控制信号，控制晶体管Q2输出部分输出电流，进而控制外部声光报警设备。

如图4所示，独立按键部分经过上拉电阻后连接到嵌入式MCU部分的输入端，独立按键部分的键值输入到嵌入式MCU部分。

如图5所示，实时时钟部分主芯片U10采用DS1302，U10的X1、X2接外部石英晶振，VBAT接外部备份电池电源输出，时钟控制FSCK、数据FI/O、使能EN1302连接到嵌入式MCU部分的输入端，实时时钟部分为水肥一体化首部控制器提供时间。

显示部分包括LCD显示屏，型号为LCD12864，并行数据总线DB0-DB7、地址总线ID1-ID4、使能端ENLCD、读写控制端R/W、数据/指令控制端D/I、背光控制端LED0-LED1连接到嵌入式MCU部分的输出端，显示部分显示来自嵌入式MCU部分的输出信号。

如图6所示，数据存储部分主芯片U11采用EEPROM24C32，U11使用I2C总线方式通讯，通过SDA、SCL、WP连接到嵌入式MCU部分的I2C总线，接收并存储来自嵌入式MCU部分的数据，保护数据掉电不丢失。

如图7所示，开关量输入部分主要是高速光耦隔离芯片TLP281-1，光耦的输入端P24连接到电源转换部分的输出端，DIN6、DIN5输入外部开关信号，输出端ID5、ID6连接嵌入式MCU部分的输入端。

数据通讯部分包含RS232通讯电路、RS485通讯电路、2路zigbee通讯电路、GPRS通讯电路，四个通讯电路的芯片分别是MAX3232、工业级差分信号控制芯片75LBC184、CC2531、SIM900A，它们通过串口连接到嵌入式MCU部分的串行端口，信号为双向传输，数据通讯部分通过通信协议转换，使嵌入式MCU部分可以与外部设备通讯。

外部供电连接到电源转换部分的输入端P24，经过开关电源芯片LM2576/ADJ调压，电阻、电容、电感等元件滤波后输出到V_SENSOR，为A/D转换部分、晶体管输出部分提供电源；另一路经过开关电源芯片LM2576/5V调压，电阻、电容、电感等元件滤波后输出D5V+，再流经线性电源芯片LM1117输出D3.3+，为控制器数字电路部分提供电源，输出的D5+电源连接到UA2，经过DC-DC隔离器隔离后输出COM_5V+，为数据通讯部分的RS485通讯提供电源。

该首部控制器的工作方式为：嵌入式MCU部分通过采集A/D转换部分的模拟量数据，通过独立按键部分获取用户指令，通过实时时钟部分获取外部时间，通过开关量输入部分获取外部设备状态。嵌入式MCU部分通过对上述部分进行处理运算后，通过显示部分将处理后的结果显示到LCD显示屏上，通过继电器开关控制部分和晶体管输出部分控制外部设备，同时将数据写入到数据存储部分。嵌入式MCU部分通过通讯部分的两路zigbee通讯模块将物联网上下通讯和下行通讯分割成两个独立的网络，缓解物联网网络压力，增加物联网的稳定性和实时性。嵌入式MCU部分通过通讯部分的GPRS通讯模块将数据上传到上位机。

上面结合附图和实施例对本实用新型作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本实用新型宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本实用新型的常见变化范围，在此不再一一详述。