CN102972261A - 基于fpga的灌溉控制系统 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的灌溉控制系统，包括控制器、控制面板、驱动电路和电磁阀，其中，电磁阀用于管路的打开和关闭，控制器与上位机和控制面板相连，接收来自上位机的灌溉命令和人工输入的控制命令，并进行分析处理，控制驱动电路开启或关闭电磁阀，实施灌溉。本发明采用FPGA模块，通过Verilog HDL实现所有控制逻辑，具有用户可编程性，功能强大且开发便捷；本发明采用FPGA模块，I/O引脚数目多，无需增加外围接口电路就能够同时控制多个大棚或田块的灌溉，易调试，生产成本低；本发明能同时实现自动控制和人工控制。不仅能通过通信模块接收决策，系统发送来的控制命令，同时也能通过控制面板完成人工的手动调整和控制。

Description

基于FPGA的灌溉控制系统

技术领域

本发明属于农业灌溉控制技术领域，涉及一种基于FPGA实现的灌溉控制系统。

背景技术

灌溉是农业生产中很重要的一个环节，是影响生产产量的重要因素，灌溉的自动控制则是提高农业生产的有效手段。随着信息技术在农业生产中的应用，灌溉系统智能化、高效化成为发展的方向。在水资源紧缺和生态环境双重制约下，将信息技术与农业灌溉相结合，开发出一种适合我国农业生产现状的智能灌溉系统具有重要的意义。

2012年国际遥感会议公开了一款基于STC89C52 MCU的智能节水灌溉系统，该系统由于STC89C52引脚数目的限制，一个系统只能控制单个大棚或田块的灌溉；另一方面，该系统只能接受上位机从串口发送来的数据，没有人工控制装置，无法进行人工干预。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA的灌溉控制系统，解决现有技术存在的一个系统只能控制单个大棚或田块灌溉的问题，并实现人工干预。

本发明的目的是这样实现的，基于FPGA的灌溉控制系统,包括控制器、控制面板、驱动电路和电磁阀，其中，电磁阀用于管路的打开和关闭，控制器与上位机和控制面板相连，接收来自上位机的灌溉命令和人工输入的控制命令，并进行分析处理，控制驱动电路开启或关闭电磁阀，实施灌溉。

本发明的特点还在于：

控制器由FPGA模块和通信模块组成，通信模块与上位机相连，FPGA模块与通信模块和控制面板相连。

每个管路设有一个电磁阀，控制不超过16个田块或大棚的灌溉，控制面板由LED显示和键盘控制模块、田块状态模块、键盘输入模块和数码管显示模块组成，LED显示和键盘控制模块与FPGA模块、田块状态模块、键盘输入模块和数码管显示模块)相连，田块状态模块由4×4发光二极管阵列组成，发光二极管对应表示FPGA模块内部存储的田块状态，包括缺水、正在灌溉和正常三个状态，键盘输入模块为4×4小键盘，提供用户指令的输入，通过LED显示和键盘控制模块传输给FPGA模块进行处理，数码管显示模块包括12个共阴极数码管，显示年月日时分秒或用户输入。

LED显示和键盘控制模块由两片HD7279A组成，一片HD7279A连接8位共阴极数码管和4×4小键盘，实现按键识别和低8位数据显示，另一片HD7279A连接4×4发光二极管阵列和4位共阴极数码管，显示田块状态和高4位数据。当有键按下时，连接键盘的HD7279A的key信号变高。控制器接收该信号后，向该HD7279A发送命令读取键值，并发送命令控制HD7279A将按键显示在数码管上。

FPGA模块内部包括数据收发模块、命令接收及日志上传模块、面板控制模块、键盘命令接收模块、键盘命令处理模块、田间管理模块、时间管理模块、用户管理模块和数码管显示模块，数据收发模块实现诊断决策系统与FPGA之间的数据传输，命令接收及日志上传模块通过数据收发模块接收诊断决策系统发送来的灌溉命令并向上位机上传日志文件，田间管理模块根据接收到的灌溉命令对指定区域按照规定的灌水量等进行灌溉，当人工进行干预时，用户首先要通过身份验证后才能输入命令，用户由用户管理模块管理，面板控制模块接收控制面板上键盘输入和控制控制面板上的数据和状态显示，键盘命令接收模块接收键盘输入并将其组装成命令交给键盘命令处理模块，键盘命令处理模块完成命令规定的操作或把命令转交给专门的模块处理，时间管理模块负责系统时间的管理，要显示的数据经过数码管显示模块处理后在数码管上显示。

FPGA模块中的FPGA采用A3P030-VQ100芯片,无需外接存储芯片。

驱动电路由电源电路和电磁阀驱动电路组成，用以提供系统运行所需电压并控制电磁阀开关来实施灌溉。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）本发明采用FPGA模块，通过Verilog HDL实现所有控制逻辑，具有用户可编程性，功能强大且开发便捷。

（2）本发明采用FPGA模块，I/O引脚数目多，无需增加外围接口电路就能够同时控制多个大棚或田块的灌溉，易调试，生产成本低。

（3）本发明能同时实现自动控制和人工控制。不仅能通过通信模块接收决策系统发送来的控制命令，同时也能通过控制面板完成人工的手动调整和控制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的FPGA模块的内部模块关系图；

图3是本发明的FPGA模块电路图；

图4是本发明的一支电磁阀驱动电路图；

图5是本发明的5V电源电路图；

图6是本发明的3.3V电源电路图；

图7是本发明的控制面板的低8位数码管和键盘连接电路图；

图8是本发明的控制面板的高4位数码管和发光二极管阵列连接电路图。

图中，1．控制器，2．控制面板，3．驱动电路，4．FPGA模块，5．通信模块，6．LED显示和键盘控制模块，7．田块状态模块，8．键盘输入模块，9．数码管显示模块，10．电源电路，11．电磁阀驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，基于FPGA的灌溉控制系统由控制器1、控制面板2和驱动电路3三部分组成。控制器中的FPGA模块4与通信模块5和控制面板2相连来实现与上位机和与控制面板之间的通信，控制面板中的LED显示和键盘控制模块6与田块状态模块7、键盘输入模块8和数码管显示模块9相连实现人工控制与显示，驱动电路中的电源电路10和电磁阀驱动电路11均与控制器1相连用以执行灌溉操作。

控制器1由FPGA模块4和通信模块5组成，是整个灌溉控制系统的核心。FPGA模块4如图2所示，内部由数据收发模块、命令接收及日志上传模块、面板控制模块、键盘命令接收模块、键盘命令处理模块、田间管理模块、时间管理模块、用户管理模块和数码管显示模块等组成。数据收发模块通过通信模块5实现诊断决策系统（运行在上位机上）与FPGA之间的数据传输，接收来自诊断决策系统的灌溉指令，向诊断决策系统发送命令确认信息和日志文件。命令接收及日志上传模块接收诊断决策系统发送来的灌溉命令并通过数据收发模块向上位机上传日志文件，FPGA接收到诊断决策系统发送来的灌溉命令后通过田间管理模块对指定区域按照规定的灌水量进行灌溉。

FPGA模块4内部的面板控制模块负责接收控制面板2上键盘输入的命令，通过4×4发光二极管阵列显示小区缺水状况以及在数码管上显示当前时间和输入的内容。时间由专门的时间管理模块进行管理，要显示的数据经过数码管显示模块处理后在数码管上显示。键盘命令接收模块接收键盘按键，根据功能键（即进入、命令、回车等）和命令类型（即参数的多少等）判断输入是否正确，并将其组装成命令交给键盘命令处理模块处理。操作人员使用键盘进行操作控制时，首先按“进入”键，输入用户代码和密码进行身份验证，只有通过身份验证的人员才能进行操作；否则蜂鸣，以防止非法操作。身份验证通过后，按命令键输入命令。命令输入完，按回车键。如果该命令带有参数，依次继续输入各个参数。每个参数输入完毕后都要按回车键。任何时候按退出键，都可以退出命令输入状态。如果输入出错或超时，系统将蜂鸣提示，并退出命令输入状态。键盘命令处理模块根据接收到的键盘命令及其参数判断命令是否正确。如果正确，则完成其规定的操作或转交专门模块处理。否则，当无效命令处理，不做任何操作。

FPGA模块4内部的田间管理模块负责对诊断决策系统发送来的灌溉指令以及键盘输入的灌溉指令分析执行，输出控制信号，通过驱动电路3打开和关闭电磁阀，实现田间灌水。控制器1内部有一个田块状态存储器记录各个田块的状态。控制器1通过通信模块5接收到诊断决策系统发送来的灌溉命令后，根据区号将灌水量记录在相应田块状态中，将该田块状态置为缺水状态，同时将灌溉时间设置为当前时间延迟4小时。人为干预时，可以延时灌溉、设定灌水时间或取消灌溉。控制器接收到延时灌溉命令后，将该田块状态设置为延时灌溉。接收到设定灌水时间命令后，将该命令中的灌水时间记录在相应田块状态中，并修改该田块状态，不再表示延时灌溉。若接收到取消灌溉命令，则将相应田块状态设置为不缺水。田间管理模块不断查询田块状态记录，如果某个田块状态记录是缺水、无延时灌溉，且当前时间与状态记录的灌水时间相匹配，就输出控制信号，通过驱动电路3打开相应田块的电磁阀开始灌溉该田块。使用流量计控制灌水量时，先将其初值与所需灌水量相加，然后每隔1秒钟读取一次流量计数值，该值大于或等于相加值时完成灌水；若不使用流量计，则需要根据流量来确定灌水时间。灌水量除以流量为所需灌水时间，当前时间减去起始灌溉时间大于或等于所需灌水时间时完成灌水。灌水完成后，清除该田块状态记录的缺水状态。FPGA模块4内部的面板控制模块根据田块状态记录控制面板2上的4×4发光二极管阵列显示各个田块的缺水状况。灌水时，对应该田块的发光二极管一亮一暗闪动。

控制面板2是人机交互界面，其电路如图8、9所示，由两片HD7279A(U1、U2)、12个数码管、4×4发光二极管阵列、4×4小键盘和蜂鸣器等组成，4×4发光二极管阵列、键盘和数码管由两片HD7279A驱动和控制。一片HD7279A(U1)完成键盘扫描、接收键盘输入和低8位数据的显示，另一片HD7279A(U2)实现田块状态和高4位数据的显示。HD7279A与控制器相连，接收控制器1的命令，报告识别出的按键，控制数码管和发光二极管显示。当有键按下时，接键盘的HD7279A(U1)的key信号变高。控制器接收该信号后，向该HD7279A(U1)发送命令读取键值，并发送命令控制HD7279A将按键显示在数码管上。没有按键操作时，数码管显示年月日时分秒。4×4发光二极管阵列显示田间管理模块生成的田块状态表里的状态。4×4小键盘为管理人员提供操作手段。管理人员可通过键盘输入控制命令对系统进行干预。发光二极管阵列显示各大棚或田块的缺水状况。蜂鸣器在输入错误时鸣叫，提示操作人员输入出错，或警示管理人员有意外发生。

驱动电路3由电磁阀驱动电路11和电源电路10组成。控制器1通过电磁阀电路11控制电磁阀的开启或关闭，实施灌溉。电源电路10为电路各个部分的正常工作提供所需要的电压。

本发明的FPGA模块4电路如图3所示，其中，A3P030-VQ100是FPGA模块4；R201－R209是电阻。

本发明的一支电磁阀驱动电路如图4所示，其中，U3是光隔离器；J1是继电器；HD1是发光二极管；VD1是二极管；VT1是三极管；R1—R3是电阻。16支这样的电路构成本发明的电磁阀驱动电路11。各支电磁阀驱动电路的一端与FPGA模块4A3P030-VQ100相连，另一端与一个电磁阀相连。控制器1通过电磁阀驱动电路11控制每个电磁阀的开启或关闭。

本发明的5V电源电路如图5所示，其中，N2是三端稳压电源L7805CV；VD95—VD98为二极管，组成整流桥，前面接变压器，将220V变为24V和12V；HD92是发光二极管；C95—C99为电容。

本发明的3.3V电源电路如图6所示，其中，N102是稳压器AMS1117；C104是电解电容；C105和C106是电容。

本发明的控制面板2的低8位数码管和键盘连接电路如图7所示，其中，U1为HD7279A；SA0—SA15为按键；R21—R36为电阻；SA0—SA15、R21—R36构成4×4小键盘；DS1—DS8为七段数码管。

本发明的控制面板2的高4位数码管和发光二极管阵列连接电路如图8所示，其中，U2为HD7279A；DS9—DS12为七段数码管；R37—R44为电阻；HD1—HD16为发光二极管；HD1—HD16构成4×4发光二极管阵列。

图7和图8的DS1—DS12构成数码管显示模块。

图3至图8为本发明的一个实施例的主要电路图，图中相同的信号连接在一起。

Claims (7)

1.基于FPGA的灌溉控制系统，其特征在于:基于FPGA的灌溉控制系统,包括控制器(1)、控制面板(2)、驱动电路(3)和电磁阀，其中，电磁阀用于管路的打开或关闭，控制器(1)与上位机和控制面板(2)相连，接收来自上位机的灌溉命令和人工输入的控制命令，并进行分析处理，控制驱动电路(3)开启或关闭电磁阀，实施灌溉。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的灌溉控制系统，其特征在于：控制器(1)由FPGA模块(4)和通信模块(5)组成，通信模块(5)与上位机相连，FPGA模块(4)与通信模块(5)和控制面板(2)相连。

3.如权利要求1和2所述的基于FPGA的灌溉控制系统，其特征在于：每个管路设有一个电磁阀，控制不超过16个田块或大棚的灌溉，所述控制面板(2)由LED显示和键盘控制模块（6）、田块状态模块(7)、键盘输入模块(8)和数码管显示模块(9)组成，LED显示和键盘控制模块（6）与FPGA模块(4)、田块状态模块(7)、键盘输入模块(8)和数码管显示模块(9)相连，田块状态模块(7)由4×4发光二极管阵列组成，发光二极管对应表示FPGA模块(4)内部存储的田块状态，包括缺水(长亮)、正在灌溉(闪烁)和正常(不亮)三个状态，键盘输入模块(8)为4×4小键盘，提供用户指令的输入，通过LED显示和键盘控制模块（6）传输给FPGA模块(4)进行处理，数码管显示模块(9)包括12个共阴极数码管，显示年月日时分秒或用户输入。

4.如权利要求3所述的基于FPGA的灌溉控制系统，其特征在于：所述的LED显示和键盘控制模块(6)由两片HD7279A组成，一片HD7279A(U1)连接8位共阴极数码管和4×4小键盘，实现按键识别和低8位数据显示，另一片HD7279A(U2)连接4×4发光二极管阵列和4位共阴极数码管，显示田块状态和高4位数据；当有键按下时，连接键盘的HD7279A(U1)的key信号变高。控制器接收该信号后，向该HD7279A(U1)发送命令读取键值，并发送命令控制HD7279A将按键显示在数码管上。

5.如权利要求4所述的基于FPGA的灌溉控制系统，其特征在于：所述的FPGA模块(4)内部包括数据收发模块、命令接收及日志上传模块、面板控制模块、键盘命令接收模块、键盘命令处理模块、田间管理模块、时间管理模块、用户管理模块和数码管显示模块，数据收发模块实现诊断决策系统（运行在上位机上）与FPGA之间的数据传输，命令接收及日志上传模块通过数据收发模块接收诊断决策系统发送来的灌溉命令并向上位机上传日志文件，田间管理模块根据接收到的灌溉命令对指定区域按照规定的灌水量等进行灌溉，当人工进行干预时，用户首先要通过身份验证后才能输入命令，用户由用户管理模块管理，面板控制模块接收控制面板上键盘输入和控制控制面板上的数据和状态显示，键盘命令接收模块接收键盘输入并将其组装成命令交给键盘命令处理模块，键盘命令处理模块完成命令规定的操作或把命令转交给专门的模块处理，时间管理模块负责系统时间的管理，要显示的数据经过数码管显示模块处理后在数码管上显示。

6.如权利要求5所述的基于FPGA的灌溉控制系统，其特征在于：所述的FPGA模块(4)中的FPGA采用A3P030-VQ100芯片,无需外接存储芯片。

7.如权利要求6所述的基于FPGA的灌溉控制系统，其特征在于：所述的驱动电路(3)由电源电路(10)和电磁阀驱动电路(11)组成，用以提供系统运行所需电压并控制电磁阀的打开或关闭来实施灌溉。

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