CN101013321A - 基于以太网和无线传感器网络的温室智能执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于以太网和无线传感器网络的温室智能执行器，它包括通用化温室控制模块、以太网网适配器和ZigBee无线通讯模块。通用化温室控制模块的内部连接关系为：PIC16F877单片机分别与5V直流电源隔离器、串口隔离器、LED通讯指示灯、LED电源指示灯、蜂鸣器、光耦相接串口隔离器与RS232收发器相接，RS232收发器分别与DB9插座1和DB9插座2相接，光耦与固态继电器相接，固态继电器分别与LED指示灯和开关量输出接线柱相接。本发明能实现执行器对以太网和ZigBee无线网的即插即用，结构简单，成本低，操作和维护方便，同时具有通用性、模块化和标准化的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于以太网和无线传感器网络的温室智能执行器。
背景技术
目前市场上的温室控制系统主要采用基于现场总线方式，作为温室控制系统重要组成部分的温室执行器存在着一些不足：1、现场总线标准繁多、互不兼容，不同类型的执行器不能通用，执行器的扩展和维护困难。2、通讯模式单一，没有无线传输功能，通讯线路布线复杂。3、结构复杂，没有采用模块化设计，故障率高，实用性不强，只能在一些科研院所和示范园区的温室中作为演示使用。4、设备成本高，多数为国外进口产品，很难满足农户的实际使用需求。
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。
ZigBee是一种低速率、低成本、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、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、适用性好的特点，将能够满足我国设施农业发展的迫切需要。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提供一种基于以太网和无线传感器网络的温室智能执行器。
基于以太网和无线传感器网络的温室智能执行器包括通用化温室控制模块、以太网网适配器和ZigBee无线通讯模块，通用化温室控模块与以太网网络适配器组合，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；通用化温室控模块与ZigBee无线通讯模块组合，构成基于ZigBee协议的温室无线测控系统的无线执行器；通用化温室控制模块的内部连接关系为：PIC16F877单片机分别与5V直流电源隔离器、串口隔离器、LED通讯指示灯、LED电源指示灯、蜂鸣器、光耦相接串口隔离器与RS232收发器相接，RS232收发器分别与DB9插座1和DB9插座2相接，光耦与固态继电器相接，固态继电器分别与LED指示灯和开关量输出接线柱相接。
所述的以太网网适配器的内部模块连接关系为：DB9插座1与RS232收发器、PIC16F877单片机、通信控制器、以太网控制器、网络变压器、RJ45插座相接，通信控制器与外部存储器相接。
ZigBee无线通讯模块的内部模块连接关系为：DB9插座2与RS232收发器、JN5121无线模块、外置天线相接。
本发明能够工作在两种不同的温室测控系统中，针对基于IEEE1451.2标准的以太网，设计了网络适配器，通过RS232接口与通用化温室控制模块的DB9插座1相接，实现执行器对以太网的即插即用；针对ZigBee协议的无线网，设计了ZigBee无线通讯模块，通过RS232接口与通用化温室控制模块的DB9插座2相接，实现执行器对ZigBee无线网的即插即用。同时采用模块化设计，结构简单，成本低，操作和维护方便，具有通用性和标准化的特点。
附图说明
图1是基于IEEE1451.2和ZigBee协议的温室智能执行器连接框图；
图2是本发明的通用化温室控制电路框图；
图3是本发明的以太网网适配器电路框图；
图4是本发明的ZigBee无线通讯模块电路框图；
图5是本发明的通用化温室控制模块软件流程图；
图6是本发明的以太网网适配器软件流程图；
图7是本发明的ZigBee无线通讯模块软件流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，基于以太网和无线传感器网络的温室智能执行器包括通用化温室控制模块、以太网网适配器和ZigBee无线通讯模块，通用化温室控模块与以太网网络适配器组合，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；通用化温室控模块与ZigBee无线通讯模块组合，构成基于ZigBee协议的温室无线测控系统的无线执行器；通用化温室控制模块的内部连接关系为：PIC16F877单片机分别与5V直流电源隔离器、串口隔离器、LED通讯指示灯、LED电源指示灯、蜂鸣器、光耦相接串口隔离器与RS232收发器相接，RS232收发器分别与DB9插座1和DB9插座2相接，光耦与固态继电器相接，固态继电器分别与LED指示灯和开关量输出接线柱相接。
通用化温室控模块的控制和输出两部分。控制部分以美国Microchip公司的PIC16F877单片机为核心搭建外围电路，包括复位电路、RS232收发器电路、串口隔离器电路、5V直流电源隔离器电路、电源及通讯指示电路、光电隔离输出电路和蜂鸣器报警电路等。控制部分的串口隔离器分别与DB9插座1和DB9插座2相接，DB9插座1与以太网网络适配器相接，使通用化温室控制模块和以太网适配器组合成为工作于以太网的温室测控系统的网络执行器，DB9插座2与ZigBee无线通讯模块相接，使通用化温室控制模块和ZigBee无线通讯模块组合成为工作于ZigBee无线网的温室测控系统的无线执行器，以上两种连接方式可任选其一，通用化温室控模块的软硬件均无需改动，同时通用化温室控模块的串口隔离器电路可以防止强电设备的电磁干扰对以太网或ZigBee无线网的影响。输出部分由固态继电器SSR输出电路和LED指示电路组成。控制部分与输出部分实现在电气上的隔离，防止输出部分受到强电设备的干扰影响到控制部分。控制部分接受到以太网或ZigBee无线网的控制指令，经分析处理后，将PIC16F877单片机相应的I/O口置高或置低电平，这些I/O口的开关量控制信号经P521光耦隔离后输出到输出模块。这些开关量控制信号，在输出模块经放大后，驱动固态继电器输出端导通或断开，固态继电器输出端与开关量输出接线柱相接，而开关量输出接线柱接入强电设备的交流接触器线圈电路，固态继电器输出端导通或断开控制交流接触器线圈电路的得失电，进而控制强电设备的工作与否。在固态继电器工作的同时，输出模块的LED指示灯会根据相应的指令指示温室强电设备的工作情况。本系统设计的温室智能执行器具有8路的输出驱动能力，能够控制温室的天窗、侧窗开合电机、内外遮阳网开合电机、灌溉水泵电机、加热器、降温风机等各种温室设备，满足一般温室的控制需求。
如图3示，以太网网络适配器的内部模块连接关系为：DB9插座1与RS232收发器、PIC16F877单片机、通信控制器SX52BD、以太网控制器RTL8019AS、网络变压器、RJ45插座相接，通信控制器与外接存储器24LC256相接。
以太网网络适配器采用美国Microchip公司的PIC16F877单片机，结合通信控制器SX52BD与10M以太网控制芯片RTL8019AS以及网络变压器和RJ45插座组成的网络通信模块，RJ45插座通过网线接入以太网，DB9插座1与通用化温室控制模块的DB9插座1相接，使网络适配器和通用化温室控制模块组合成为网络执行器，从而使温室智能执行器拥有对以太网的即插即用功能。
如图4示，ZigBee无线通讯模块的内部模块连接关系为：DB9插座2与RS232收发器、JN5121无线模块、外置天线相接。
ZigBee无线通讯模块采用英国Jennic公司的JN5121无线模块为核心。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18X30mm的模块上，并集成了所有的射频组件，而JN5121芯片内置的ROM存储器集成了ZigBee点对点通讯与网状网通讯的完整协议栈。ZigBee无线通讯模块结构简单，对于温室中的ZigBee无线网络具有即插即用的能力。DB9插座2与通用化温室控制模块的DB9插座2相接，使ZigBee无线通讯模块和通用化温室控制模块组合成为无线执行器，从而使温室智能执行器拥有对ZigBee无线网的即插即用功能。
如图5示，通用化温室控制模块软件流程分成主程序和串口中断服务程序两部分。程序流程：程序开始运行，系统软硬件初始化，设置看门狗定时器WDT，程序正常执行期间，WDT将不断的被重置，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，确保整个系统的安全，设置串口中断使能，然后进入循环等待状态，等待串口中断的发生。当串口接受到以太网或ZigBee无线网的指令，就进入串口中断服务程序；首先设置中断断点保护，然后读取串口数据，判断所接受的指令格式是否正确，如果指令的格式不符合预先设定的格式，则出错报警，然后退出中断服务程序；否则，程序继续执行，比较本次所接收的指令是否与上次接收的相同，如果指令相同，不需要再输出控制，设置标志位后，退出中断服务程序；若前后两次指令不相同，设置标志位后，程序进入控制程序，根据指令设定相应的设备开启或关闭，并点亮或熄灭相应的LED。控制结束，返回中断服务程序，然后返回主程序，进入主程序循环等待状态，等待下个指令的到来。
如图6示，以太网网络适配器程序流程为：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。出错信息也被送入以太网。然后程序继续读取来自以太网的命令，如此循环往复。
如图7示，ZigBee无线通讯模块软件流程为：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，然后进入休眠等待状态。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。
Claims (3)
1.一种基于以太网和无线传感器网络的温室智能执行器，其特征在于：包括通用化温室控制模块、以太网网适配器和ZigBee无线通讯模块，通用化温室控模块与以太网网络适配器组合，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；通用化温室控模块与ZigBee无线通讯模块组合，构成基于ZigBee协议的温室无线测控系统的无线执行器；通用化温室控制模块的内部连接关系为：PIC16F877单片机分别与5V直流电源隔离器、串口隔离器、LED通讯指示灯、LED电源指示灯、蜂鸣器、光耦相接串口隔离器与RS232收发器相接，RS232收发器分别与DB9插座1和DB9插座2相接，光耦与固态继电器相接，固态继电器分别与LED指示灯和开关量输出接线柱相接。
2.根据权利要求1所述的一种基于以太网和无线传感器网络的温室智能执行器，其特征在于，所述的以太网网适配器的内部模块连接关系为：DB9插座1与RS232收发器、PIC16F877单片机、通信控制器、以太网控制器、网络变压器、RJ45插座相接，通信控制器与外部存储器相接。
3.根据权利要求1所述的一种基于以太网和无线传感器网络的温室智能执行器，其特征在于，所述的ZigBee无线通讯模块的内部模块连接关系为：DB9插座2与RS232收发器、JN5121无线模块、外置天线相接。
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