专利名称：基于现场总线技术的嵌入式温室控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器。该控制器独立安装在一个温室小区内，小区本地即可显示信息和进行控制设置。多个控制器与中央控制PC机通过CAN总线相连之后，可进行集中的数据存储和生产管理。控制器内嵌的实时操作系统能满足灌溉等对控制的实时性要求很高的子系统。控制器的数据采集模块采用全数字式的有线及无线智能传感器。控制器的硬件设计具有全面的隔离保护、低功耗、宽温及价格低廉的特点。本发明可用于分布式的大型温室群的生产监控，提高了控制系统的实时控制性能、实现了本地和远程的双重控制操作、使系统更加可靠和易于管理维护。
背景技术：
随着数字农业的发展，近年来的计算机温室自动控制系统已广泛应用于温室生产。现有的温室自动控制系统，大部分的控制器还是集中在计算机控制室内，不能在单个温 室进行本地监控，无法适应大型分布式温室群控系统的本地和远程同时监控的需求。其次，大部分温室的数据采集仍旧用模拟量传输，信号传输距离越远、衰减越大、抗干扰能力弱，数据采集模块位置和数量固定、组织方式不灵活。另外，绝大部分温室控制器不能提供实时性很高的控制，不能应用于灌溉配肥等实时性要求高的系统。为了适应温室控制系统的新的发展需求，本发明的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器采用了性能优越的Cortex-M3微处理器、运用了 CAN现场总线技术、ZigBee无线传感技术，嵌入了实时操作系统，硬件设计兼顾了安全可靠性、安装维护便捷性、低功耗低成本等特点，为大型分布式温室群提供了性能优异的控制器及计算机自动控制系统平台。
发明内容
为了克服现有温室系统的不适应分布式应用、数据采集模块灵活性不足、以及不能应用于实时性要求高的系统的这些缺陷，使其能够更好的满足温室控制的新需求，进一步提高温室控制系统的性能，本发明提出一种基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，该控制器的数据采集模块采用RS485总线和ZigBee无线组网通信，控制器本身内嵌实时操作系统，能控制温室的温度、湿度、二氧化碳含量、光照、灌溉等，控制器之间通过CAN总线相互连接，设计的CAN总线的协议适合温室控制，再结合中央控制PC机的监控管理软件，实现大型分布式温室群的实时精准控制。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是控制器嵌入式设计及现场总线设计。控制器的嵌入式设计是指控制器采用精简指令集的ARM Cortex-M3微处理器STM32F103RBT6，移植了经裁剪的超小的uC/OS-II操作系统，设计了与硬件接口对应的板级支持包，编写了适应温室环境控制的多任务调度机制，使得实时性和软件可靠性大幅提升。另外，硬件设计具备嵌入式系统的超低功耗的特点，满负荷工作的最大功耗为4瓦，低负荷的最小功耗为I瓦。控制器按照温室高温高湿环境的特殊要求，选择了宽温(温度范围零下40到85摄氏度)的元器件。控制器的现场总线设计是指多个控制器以及中央控制PC机通过一根电缆相连，该电缆包括给控制器电源供电以及CAN通信总线。该设计不仅使安装维护非常简单，同时CAN总线的数据链路层性能也保证了温室数据传输的可靠性。CAN总线的通信协议是针对温室控制系统的特别需求自行设计的，该协议设计采用了短帧，提高了可靠性。该协议特别设计了标识符自增的优先级竞争机制，该机制能在符合总线负载的限制的前提下，自动、及时、可靠地组织各个控制器之间的数据，传送到中央控制PC机。实验证明该机制能在单个控制器的实时要求范围内完成冲裁失败数据的重发，多个控制器同时发送的数据几乎无丢失。本发明的有益效果I、现场/远程双重控制操作的便捷性通过CAN总线连接各个温室的控制器及中央控制PC机，设计的CAN通信协议能有效、实时地实现现场及远程的环境数据和设置数据 的交换和同步。2、高实时性的控制性能微控制器嵌入经裁剪的实时操作系统，为实时性要求高的控制算法提供了平台。3、全数字智能传感器的数据可靠性及传感器网络的易组织性数字传感器避免了模拟量传感器的信号衰减的缺陷，无线数字传感器使得传感器网络的配置更加灵活方便。4、丰富的具有嵌入式系统特点的硬件性能硬件设计充分满足了温室对象的高温高湿环境的特殊需求，同时也做到了低功耗低成本的要求。5、现场总线的可靠性及易安装维护性整个控制系统只用一根电缆即可相互连接，该电缆中间可拼接，安装和维护都极为方便。即使该总线断路，各个控制器也可独立对温室进行控制，系统可靠性强。
图I是本发明的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器的结构框2是本发明的分布式温室群控系统的系统框3是本发明的控制器的现场总线部分电路框图
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明进一步说明。如图I所示，本发明的控制器结构由微控制器、电源模块、CAN总线通信模块、接收传感器信号模块、输出模块、显示和键盘模块组成。CAN总线通信模块负责与其他控制器以及中央控制PC机的通信，实现双向的显示和控制设置的同步。控制器内有接收有线RS485型以及无线ZigBee型传感器信号的接收模块，实现外部传感器组织灵活并且数据可靠。本发明的控制器采用的微处理器是最新ARMv7架构的、针对传统深嵌入式单片机应用的M3系列的STM32F103RBT6芯片。该芯片采用了 Thumb2指令集，提高了指令执行密度，改善了温室应用程序代码效率；在内核水平上搭载了中断控制器NVIC，大大缩短了中断延迟，提高了控制算法的实时性指标；使用了双堆栈和支持两级特权操作，为操作系统和应用程序的切换提供了安全机制，使所移植的操作系统和所写的温室控制程序更稳定运行；同系列芯片存储器映射相对固定、使程序在相同系列的芯片间容易移植，易于不同规模的温室使用不同引脚数的芯片；内核内嵌了调试模块及串行调试访问接口 SWJ-DP，使调试口的IO 口数量大大减少，实际产品的下载电路面积大大减小。如图2所示，本发明的控制器与中央控制PC机组成大型温室群控制系统，该系统中每个温室可由各自的控制器独立控制，也可在中央控制PC机上集中控制，本地和远程控制同步。该设计提高了系统的使用便捷性和整体可靠性。中央控制PC机还实现大型的生产管理功能，包括用户管理、数据管理、质量安全管理、仓储管理、视频监控等功能。如图3所示，本发明的控制器的CAN、RS485总线电路实现了控制器之间以及控制器和智能传感器之间的通信。微控制器STM32F103RBT6集成了 CAN总线控制器，由ADuM1201电气隔离芯片、SN65HVN230CAN总线收发芯片和其他元件构成CAN总线通信电路。ADuM1201电气隔离芯片具有高传输速率、外围电路简单特点，能够实现MCU与外围设备的电气隔离。高频滤波电路中加了两个30pF陶瓷电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射能力。保护电路中加了 TVS防雷管和限流电阻，当CAN总线两输入端与地之间出现瞬 变干扰时，通过防雷击管的放电可起到一定的保护作用，SN65HVN230芯片的CAN_MP CAN_L引脚串联的电阻起一定的限流作用。微控制器STM32F103RBT6集成了 USART控制器，由ADuMl201电气隔离芯片、MAX485ESA RS485总线驱动芯片和其他元件构成RS485总线通信电路。由于MAX485ESA的检测灵敏度为±2. OOmV，对于该芯片的输出端A、B，当A端比B端高200mV的时候，输出逻辑1，A端比B端小200mV的时候，输出逻辑O。而当A端与B端相差在200mV以内的时候，输出为不确定。所以在A端与B端之间增加了偏置电阻电路，即分别加了上拉与下拉电阻，当485主线无外设进行信息发送的时候，收发器的A端与B端呈现唯一的高电平，这样就避免了不确定的信号被接收。本发明的控制器的电源电路实现了控制器内各个模块的供电。DC12V转5V电路具有高达80%的转换效率，并且带过流保护、电压反接保护。B0505LS-1W电压隔离电路用于ADuMl 201芯片两端的隔离电压供电，具有高达70%的转换效率，并且具有外围电路简单、体积小和良好的屏蔽抗干扰性等特点。
权利要求
1.基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，包括微控制器、CAN总线通信模块、RS485总线通信模块、数字量输出模块、LCD显示模块、LED显示模块和键盘模块。其特征在于，所述温室控制器通过有线RS485型或无线ZigBee型数字智能传感器，接收温室内温度、湿度、二氧化碳含量、光照等环境信号，根据嵌入式实时操作系统的多任务调度和温室控制算法，输出控制信号给RS485总线输出模块或数字量输出模块，控制温室内的执行机构动作；单个温室控制器的控制参数通过键盘模块输入，环境信息及控制器状态由LCD和LED模块显示；同时，多个温室控制器通过CAN总线连接到中央控制PC机，组态配置成温室群控系统，中央控制PC机不仅能同时监控多个温室，还负责数据存储和生产管理。
2.根据权利要求I所述的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，其特征在于，采用的微控制器为ARMv7架构的Cortex-M3系列的STM32F10X微控制器。
3.根据权利要求I所述的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，其特征在于，其微控制器内控制软件由经裁剪的uC/OS-II操作系统、与硬件相匹配的板级支持包、自行设计的温室控制算法共同组成，实现多任务并发的实时温室环境控制。
4.根据权利要求I所述的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，其特征在于，控制器连接的传感器全部为数字智能传感器，按传输方式分为有线的485型和无线的ZigBee型。
5.根据权利要求I所述的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，其特征在于，控制器的CAN、RS485总线通信模块具有全面的电气隔离、过压保护和短路保护功能，能够有效对抗电磁干扰。
6.根据权利要求I所述的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，其特征在于，控制器全部元件采用宽温器件，工作温度范围为零下40到85摄氏度，能够在高温高湿的温室环境下长期稳定工作。
7.根据权利要求I所述的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，其特征在于，控制器的超低功耗，满负荷工作时最大功耗仅4瓦。
8.根据权利要求I所述的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，其特征在于，控制器与中央控制PC机之间采用自行设计的适合温室控制系统的CAN通信协议，该协议采用标识符自增的优先级竞争机制。
9.根据权利要求I所述的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，其特征在于，控制器的电源供电和CAN总线合并为一根电缆，该电缆集成了供电与通讯双重功能，安装便捷。
10.根据权利要求I所述的基于现场总线技术的嵌入式温室控制器，其特征在于，控制器通过CAN总线与中央控制PC相连，使中央控制PC也可远程监控温室，实现本地与远程的共同操作。
全文摘要
本发明是一个基于现场总线技术的嵌入式温室控制器。针对分布式温室的现场远程双监控、温室群集中控制、单个温室内传感器网络组织灵活、控制实时性高、在温室高温高湿环境下长期工作稳定的需求，采用了嵌入式及现场总线技术的设计。控制器内嵌实时操作系统，支撑了实时性高的温室控制算法。同时操作系统的任务调度设计和CAN总线协议设计，共同使得显示与控制信号在多个温室和中央控制PC机之间及时可靠传送、数据一致同步。控制器采用宽温元器件、通信全面隔离、低功耗、低成本。本发明具有现场远程双操作、传感器组织灵活、控制实时性高、硬件稳定可靠、系统易于安装维护的特点，适合各种大型分布式温室群的控制系统应用。
文档编号G05B19/418GK102880121SQ20111019674
公开日2013年1月16日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者张侃谕, 周强, 梁欣婷, 钮旭东, 瞿云锋, 张军 申请人:张侃谕