专利名称：两线制灌溉测控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及测控技术领域，尤其涉及一种两线制灌溉测控方法及其实现系统。
背景技术：
节水灌溉自动化控制设备已从最早的水力控制、机械控制及机械电子混合协调式控制发展到当前的融合有计算机控制、模糊控制、神经网络、专家系统决策等技术的先进的灌溉控制系统。同时，当前的灌溉控制技术还嵌入了先进的节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉方向发展，对灌区用水进行监测预报，实现动态管理，并监测土壤墒情和作物生长，开发了一系列控制精度高、功能强大的数字式灌溉采集控制器，并取得了广泛的应用。当前主流灌溉控制工程大都采用将采集控制器分别连接泵阀、传感器的方式，这种方式需要为每个泵阀和传感器分别设置电源线和通讯线，这给诸如大田灌溉、园林、高尔夫场地灌溉的大工程带来很多不便。如果试图利用高成本采集控制器之间的RS485、以太网或无线方式来降低施工布线的成本，相应地，也需要在灌溉系统中增加高成本灌溉采集控制器，反而会导致灌溉系统整体成本上升。因此，减少灌溉施工过程中的施工量和维护量成为节水灌溉控制设备急需解决的问题。在此需求的基础上，国外提出了基于两线制编解码的灌溉控制方法和设备，通过对连接电磁阀的供电电线进行编码和解码来实现两根线对多区域和多电磁阀的控制管理。 但该技术在国内的应用很少，其原因包括1、国内灌溉现场供电环境比较恶劣，农户用电杂波较多，雷电、泵、电机等大功率设备对通讯环境产生很大的干扰；2、国外的相关技术集中于末端的研究，缺少对前端处理，直接导致两线解码技术并没有达到理论的距离和效果； 3、灌溉工程对阀门的需求量比较大，但进口阀门价格高昂，国内电磁阀装备技术较落后，相应控制需求功耗比较大，国外成熟产品标准能够控制四个阀门的解码器在国内只能控制两个、甚至一个电磁阀，很多控制两个和单个阀门的解码器在国内不能够工作，这将导致整体成本上升和资源浪费；4、国外在传感器通讯方面投入的研究较少，节水灌溉过程中所需的环境信息、土壤墒情信息不能够通过两线制的模式进行通讯。国内的两线制解码技术还处于空白状态，大都使用进口产品，类似研究集中于将智能家居、远程抄表行业的低压电力载波技术应用在灌溉控制通讯中。国内无两线制解码技术相关研究报告，比较接近的电力载波技术在智能家居中应用比较多。具体应用到灌溉过程中的通讯和供电，该技术主要体现在控制器与控制器、控制器与上位机之间的相互通讯，电力载波集中于220V交流电压上，在较长通讯距离上的容易受到干扰，缺少直接与灌溉阀门的应用模式，已提出的方案电力载波应用于通信控制器之间，在24V交流载波技术方面国内还未成熟，其载波方式是在24V波形上增加更高频率的信号，大规模应用中通讯距离不能满足实际应用，并没有减少田间控制器，该技术在灌溉过程中的深入应用还有很长的路要走。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何改变传统灌溉工程每个阀门都需要一定数量电缆连接控制器的方式，以减少田间控制器和大幅度降低工程布线和维护成本，以及如何将雷电等现场干扰降至最低。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种两线制灌溉测控系统，其包括灌溉采集控制模块、控制端编码/解码模块和终端编码/解码模块；其中，所述终端编码/解码模块与所述控制端编码/解码模块连接，且所述终端编码/ 解码模块还连接有灌溉控制执行装置和/或传感器；所述终端编码/解码模块用于将传感器采集的信号传输至所述控制端编码/解码模块，以及接收所述控制端编码/解码模块的灌溉控制信号并传输至所述灌溉控制执行装置；所述控制端编码/解码模块还与所述灌溉采集控制模块连接，用于将接受到的、 由传感器采集的信号传输至所述灌溉采集控制模块，以及接收所述灌溉采集控制模块发出的灌溉采集控制信号并将其传输至所述终端编码/解码模块；所述灌溉采集控制模块用于接收并处理传感器采集的信号，以及发送灌溉采集控制信号；其中，所述控制端编码/解码模块与终端编码/解码模块之间采用双绞线连接组成主从式通信网络，通过对低压交流9-24V编码/解码进行信号传输，并对所述灌溉控制执行装置或传感器供电。其中，所述编码及通信协议包括，以双绞线载的一个完整周期的交流电信号表示一个二进制代码，并根据所述一个完整周期的交流电信号不同的缺相信息表示不同的二进制代码。其中，所述编码及通信协议还包括标准正弦交流电代表二进制代码“0”，单正半正弦交流电代表二进制码“1”，且单负正弦交流电为信号的停止位。其中，所述编码及通信协议还包括寻址应答机制，以实现双绞线上的双向通讯。其中，在所述两线制灌溉测控系统与外部供电装置之间还包括滤波模块和变压模块，以提供干净可靠低压交流电源。其中，所述编码/解码模块采用混合模拟数字FPGA芯片构建相应逻辑结构、数字模拟信号采集及微控制器，以实现编码、解码、驱动、信息采集传输一体化。其中，所述编码/解码模块采用线路侦听逻辑模块对所述低压交流9-24V进行检测侦听，以判断所述主从式通信网络情况。(三)有益效果与现有技术相比，本发明的技术方案具备以下优势1、通过对电力线上低压交流9-24V直接进行编码/解码来传输信息和电能，增加了抗干扰性能，减少了田间控制的数量，大幅度节省线缆量，降低了施工难度和维护成本， 并易于扩展；2、对电力通讯编码进行了优化，包括数字信号、地址位、命令位进行优化，避免过多0电平，确保编码/解码模块能够提供充足持续电流给电磁阀或传感器，通讯协议增加应答机制，硬件增加侦听、解析部分，进一步提高通讯的可靠性；3、编码/解码芯片采用可编程片上系统FPGA单颗芯片，集成模拟、数字、控制、逻辑、时钟功能模块构建二线制解码编码芯片，改变了国外分立元件得方式，较少了外围器件，进一步提高了可靠性、抗干扰能力，同时内部集成的数字模拟模块实现了不同种传感器信号的两线制采集传输。
图1为根据本发明的两线制灌溉测控系统的结构框图；图2为根据本发明的两线制灌溉测控系统的低压电力线编码及通信协议示意图；图3为根据本发明的两线制灌溉测控系统的编码/解码模块逻辑内部结构示意图；图4为根据本发明的两线制灌溉测控系统的编码/解码模块的应用内部结构图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明的目的，但不用来限定本发明的范围。本发明的核心思想在于，通过对低压交流9-MV电力进行合理编码，采用一根双绞电线实现灌溉现场的电磁阀开关控制和关键传感器的数据获取。如图1所示，根据本发明的两线制灌溉测控系统包括内嵌编码/解码模块的灌溉采集控制装置、灌溉控制执行装置和/或传感器、以及由至少一个编解码器(由编码/解码模块构成)构成的远端采集控制终端；其中，灌溉采集控制装置与远端采集控制终端之间通过双绞线连接，组成主从式通信网络；灌溉采集控制装置通过其内的编解码模块发送灌溉控制信号和/或参数采集信号，并接收由采集控制终端返回的传感器信号；采集控制终端将灌溉采集控制装置的灌溉采集控制信号传送给指定的灌溉控制执行装置和/或传感器，以及，将传感器的采样数据返回给灌溉采集控制装置。其中，灌溉采集控制装置和远端采集控制终端采用相同的编码/解码模块。由图1可以看出，根据本发明的两线制灌溉测控系统通过在双绞线上连接多个编码/解码模块，以模块化的方式安装在灌溉控制执行装置(例如电磁阀或电磁头的喷头) 附近，并能够连接多种现场传感器；通过灌溉采集控制装置设置激活每个编码/解码模块地址和传感器参数；这种设计使得整个测控系统的抗干扰性能增加，减少了田间控制的数量，大幅度节省了线缆量，降低了施工难度和维护成本，并易于扩展。更具体地，编码/解码模块对双绞线上载有的低压交流9-24V进行编码/解码以进行信号传输，同时为灌溉控制执行装置(例如电磁阀或电磁头的喷头阀门)或传感器供电，以实现灌溉控制执行装置的控制及关键传感器信息的获取，达到以较少的投资成本实现节水灌溉的目的。如图2所示为根据本发明的两线制灌溉测控系统的低压电力线编码及通信协议示意图。由图2可以看出，低压电力通讯波形及协议通过对低压交流9-24V编码/解码来实现信息的传输。具体地，正常正弦波指示为空闲状态，此时线路主要为模块提供电源；当编码/解码模块侦听到单正波形周期时，即表示当前为信号的起始位，随后为地址位(8位)、 指令位(8位)和寄存器地址位(8位)；其中标准正弦波为二进制代码“0”，单正半正弦波代表二进制码“1”，随后单负正弦波为信号的停止位，即完成信号的传输。由此可知，与现有技术领域内的编码及通信协议中以“0”作为低电平、“1”作为高电平不同的是，本发明的技术方案采用正弦信号的波峰作为高电平、波谷作为低电平，避免了过多0电平，确保了编码/解码模块能够提供充足持续电流给电磁阀或传感器。更具体地，协议方式地址为用于识别模块的地址，指令位共分为两种写控制器指令用于修改控制寄存器，实现相关控制功能；读传感器数据指令用于实现传感器数据的获取(包括传感器数据和控制状态)。本发明的编码及通信协议还包括寻址应答机制，以实现电力线上的双向通讯，方便查询阀门状态和读取传感器数据。相关应答与发送命令类似，由“起始位+主机地址位+ 从机地址位+寄存器值+停止位”组成。图3为根据本发明的两线制灌溉测控系统的编码/解码模块逻辑内部结构示意图。由图3可知，通过电力耦合电路获得芯片接受电压范围内的交流信号，该交流信号通过线路侦听模块来判断当前网络情况，提高通讯可靠性，同时为lin2分路开关提供传输路线选择。如果当先需要发送编码信息，则需要侦听网络情况。如果网络空闲既电源正弦波不缺相时，编码信息通过触发器发送。如果获得相关信号，便切换到信号解析模块，将有效信息通过串口转并行寄存器，通过内部的划分的地址寄存器、数据寄存器、控制寄存器获取相关信息并通过协议逻辑模块进行解析，通过微处理器核完成相关工作。时钟发生器及计数器和时序控制模块可以为整个逻辑模块提供运行时序，以确保编码/解码过程有序进行。图4为根据本发明的两线制灌溉测控系统的编码/解码模块的的应用内部结构图。由图4可知，可以以编码/解码逻辑为核心集成先前结合图2所描述过的低压编码及通讯协议，通过基于S0PC(System On a Programmable Chip，可编程片上系统)的 FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)构建两线制编码/解码芯片， 在外围芯片和电路辅助下实现在9-24V交流双绞线上编码与解码，并任意挂接模块控制电磁阀和传感器数据获取。如图4所示，编码/解码芯片的核心采用Actel公司Fusion系列 FPGAM1AFS250集成编码逻辑模块、解码逻辑模块、电力通讯协议逻辑模块，并通过芯片片上资源构建模拟信号采集/处理模块、数字信号处理模块、控制信号处理模块、通讯、时钟、编程模块以及电源监控与处理模块。这些模块功能通过内嵌的51内核进行控制实现，逻辑模块功能通过VHDL语言编程实现，整体嵌入式集成形成两线制编码/解码芯片，通过外围辅助电路实现灌溉采集控制功能。仍如图4中所示，模块芯片可通过多级防雷并对220V交流电滤波来获得干净可靠的电源，通过密闭式变压器隔离并获得9-24V交流信号，其中变压器规格可根据现场功耗和供电需求进行选择。低压交流源通过线路缺项及过零检测等处理电路，为编码/解码芯片提供可靠交流信号检测信息，其中该220V交流处理部分作为灌溉的中央测控而存在。电力耦合滤波、驱动电路及供电处理分别实现9-24V交流线信号的耦合提取、编码和模块的供电等功能。相关模拟信号调理、隔离、防护电路用于处理模拟信号输出传感器的信息获取并通过编码/解码芯片的模拟信号处理模块进行转换。数字信号隔离、防护用于数字、开关量、脉冲量传感器信息的获取与防护。继电器、晶闸管、防雷、驱动、隔离等电路用于电磁阀控制的驱动和防护。外围系统扩展部分与芯片内部通讯、时钟和编程模块连接，可以外接成熟灌溉控制器、中央计算机实现节水灌溉、智能决策等诸多功能，同时也能够进行二次开发将以芯片为核心构建独立二线制灌溉测控系统。
如上所述，采用可编程片上系统FPGA单颗芯片，集成模拟、数字、控制、逻辑、时钟功能模块构建二线制解码编码芯片，改变了国外分立元件得方式，较少了外围器件，进一步提高了可靠性、抗干扰能力，同时内部集成的数字模拟模块实现了不同种传感器信号的两线制采集传输。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种两线制灌溉测控系统，其特征在于，所述系统包括灌溉采集控制模块、控制端编码/解码模块和终端编码/解码模块；其中，所述终端编码/解码模块与所述控制端编码/解码模块连接，且所述终端编码/解码模块还连接有灌溉控制执行装置和/或传感器；所述终端编码/解码模块用于将传感器采集的信号传输至所述控制端编码/解码模块，以及接收所述控制端编码/解码模块的灌溉控制信号并传输至所述灌溉控制执行装置；所述控制端编码/解码模块还与所述灌溉采集控制模块连接，用于将接受到的、由传感器采集的信号传输至所述灌溉采集控制模块，以及接收所述灌溉采集控制模块发出的灌溉采集控制信号并将其传输至所述终端编码/解码模块；所述灌溉采集控制模块用于接收并处理传感器采集的信号，以及发送灌溉采集控制信号；其中，所述控制端编码/解码模块和所述终端编码/解码模块采用相同的编码和通信协议。
2.如权利要求1所述的两线制灌溉测控系统，其特征在于，所述控制端编码/解码模块与终端编码/解码模块之间采用双绞线连接组成主从式通信网络，通过对低压交流9-24V 编码/解码进行信号传输，并对所述灌溉控制执行装置或传感器供电。
3.如权利要求2所述的两线制灌溉测控系统，其特征在于，所述编码及通信协议包括， 以双绞线载的一个完整周期的交流电信号表示一个二进制代码，并根据所述一个完整周期的交流电信号不同的缺相信息表示不同的二进制代码。
4.如权利要求2所述的两线制灌溉测控系统，其特征在于，所述编码及通信协议还包括标准正弦交流电代表二进制代码“0”，单正半正弦交流电代表二进制码“ 1”，且单负正弦交流电为信号的停止位。
5.如权利要求2所述的两线制灌溉测控系统，其特征在于，所述编码及通信协议还包括寻址应答机制，以实现所述双绞线上的双向通讯。
6.如权利要求1所述的两线制灌溉测控系统，其特征在于，在所述两线制灌溉测控系统与外部供电装置之间还包括滤波模块和变压模块，以提供干净可靠的低压交流电源。
7.如权利要求1所述的两线制灌溉测控系统，其特征在于，所述编码/解码模块采用混合模拟数字FPGA芯片构建相应逻辑结构、数字、模拟信号采集及微控制器，以实现编码、解码、驱动、信息采集传输一体化。
8.如权利要求2所述的两线制灌溉测控系统，其特征在于，所述编码/解码模块采用线路侦听逻辑模块对所述低压交流9-24V进行检测侦听，以判断所述主从式通信网络情况。
全文摘要
本发明公开了一种两线制灌溉测控系统，包括灌溉采集控制模块、控制端编码/解码模块和终端编码/解码模块；其中，终端编码/解码模块与控制端编码/解码模块和灌溉控制执行装置和/或传感器连接，用于将传感器采集的信号传输至控制端编码/解码模块，以及接收控制端编码/解码模块的灌溉控制信号并传输至灌溉控制执行装置；控制端编码/解码模块还与灌溉采集控制模块连接，用于将传感器信号传输至灌溉采集控制模块，以及接收灌溉采集控制信号并将其传输至终端编码/解码模块；灌溉采集控制模块用于接收并处理传感器采集的信号，以及发送灌溉采集控制信号；其中，控制端编码/解码模块和所述终端编码/解码模块采用相同的编码和通信协议。
文档编号H04B3/54GK102524029SQ20111044860
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者乔晓军, 张馨, 王克武, 田洪武, 申长军, 闫华, 鲍峰 申请人:北京农业智能装备技术研究中心