CN103713595A - 一种基于can总线的节水灌溉方法及控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于CAN总线的节水灌溉方法，包括以下步骤：电源模块为节水灌溉控制器供电，人机交互模块显示系统运行状况并实现对控制器的手动操作；通过CAN总线接口模块将节水灌溉控制器的微控制模块与CAN网络连接；传感器信号采集模块以预定时间间隔采样获得灌溉(土壤水分、温度、水源液位等)信息；微控制模块通过CAN网络获取天气信息；微控制模块接收天气信息和灌溉信息，制定出灌溉策略信息；控制信号输出模块接收灌溉策略信息，并根据灌溉策略信息控制电磁阀的通断。本发明从节水灌溉自动控制这一环节出发，将CAN总线技术运用于节水灌溉控制器上，能很好的满足实际要求，具有较大应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于CAN总线的节水灌溉方法及控制器。
背景技术
中国是一个水资源短缺的国家，人均水资源拥有量约为世界平均水平的1/4，被联合国列为13个贫水国家之一。水资源紧张是我国经济社会持续稳定发展长期面临的突出问题，缓解这一问题的根本出路在于节约用水，主要是发展节水灌溉。利用自动控制技术，实现节水灌溉自动化是提高水资源利用率，缓解农业用水紧张的有效途径。
现场总线技术是构建节水灌溉自动控制网络系统的重要手段，目前国内科研机构、高校等单位承担国家或省节水灌溉方面的计划项目时普遍采用RS485总线来架构自控网络系统，一些公司也开发出基于RS485总线的节水灌溉自控系统。
近年来CAN总线在国内开始得到迅速推广，与RS485相比较，CAN总线具有以下优势：1）CAN控制器工作于多主方式，这使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。2）CAN总线组网非常灵活，通信速度最大可达到1Mbps，而RS485总线通信及组网的灵活性不强，通信速度也较低。3）CAN具有完善的通信协议，具有可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低了系统的开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。
而在农田灌溉中，自控系统是工作在野外开阔区域，具有范围大、距离远、系统分点分散、天气多变，野外干扰多、工程量大的特点，CAN总线能够很好的满足这些要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CAN总线的节水灌溉方法及控制器，解决现有技术中存在的上述问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于CAN总线的节水灌溉方法，包括以下步骤：
步骤1：电源模块为节水灌溉控制器供电，人机交互模块显示系统运行状况，并对系统参数进行设置，所述系统参数包括传感器信号采集模块采样的预定时间间隔；
步骤2：通过CAN总线接口模块将所述节水灌溉控制器的微控制模块与CAN网络连接，以实现所述微控制模块与CAN网络各节点之间的实时数据通信；
步骤3：传感器信号采集模块以预定时间间隔采样获得灌溉信息，并将所述灌溉信息向所述微控制模块发送；
步骤4：所述微控制模块通过所述CAN网络获取天气信息；
步骤5：微控制模块根据所述天气信息和灌溉信息，通过模糊控制算法制定出灌溉策略信息，并将所述灌溉策略信息向控制信号输出模块发送；
步骤6：所述控制信号输出模块接收所述灌溉策略信息，并根据所述灌溉策略信息控制电磁阀的通断。
进一步，还包括步骤7：传感器信号采集模块以预定时间间隔采样获得管道信息，并将所述管道信息向所述微控制模块发送，所述管道信息包括管道流量信息和管道压力信息；所述微控制模块接收所述管道信息，并将所述管道信息与所述灌溉策略信息进行比对，验证所述灌溉策略信息的准确度；所述灌溉信息包括土壤水分信息、土壤温度信息和水源液位。
进一步，还可以通过所述人机交互模块对所述电磁阀进行手动控制。
进一步，当CAN总线通信发生错误时，通信故障显示模块点亮红色LED。
一种基于CAN总线的节水灌溉控制器，包括电源模块、CAN总线接口模块、微控制模块、传感器信号采集模块和控制信号输出模块，所述电源模块、CAN总线接口模块、传感器信号采集模块和控制信号输出模块均与所述微控制模块电连接；
所述电源模块用于为所述节水灌溉控制器供电；
所述CAN总线接口模块用于将所述微控制模块与CAN网络连接，以实现所述微控制模块与CAN网络各节点之间的实时数据通信；
所述传感器信号采集模块用于以预定时间间隔采样获得灌溉信息，并将所述灌溉信息向所述微控制模块发送；
所述微控制模块用于接收天气信息和所述灌溉信息，通过模糊控制算法制定出灌溉策略信息，并将所述灌溉策略信息向所述控制信号输出模块发送，所述天气信息通过所述CAN网络获取；
所述控制信号输出模块用于接收所述灌溉策略信息，并根据所述灌溉策略信息控制电磁阀的通断。
进一步，所述电源模块包括外接电源模块和备用电池模块，所述外接电源模块和备用电池模块通过电源切换电路实现两种方式的自动切换。
进一步，所述电源模块采用两级防雷、防浪涌保护电路，所述电源模块采用隔离性DC/DC模块。
进一步，所述CAN总线接口模块包括CAN总线控制器和CAN总线收发器，所述CAN总线控制器采用独立的CAN控制器SJA1000，所述CAN总线收发器采用CAN总线驱动器82C250，所述微控制模块为高性能微控制器P87C554，所述CAN控制器SJA1000通过高速光耦6N137与所述CAN总线驱动器82C250相连。
进一步，还包括人机交互模块和通信故障显示模块，所述人机交互模块和通信故障显示模块均与所述微控制模块电连接；
所述传感器信号采集模块还用于以预定时间间隔采样获得管道信息，并通过将所述管道信息向所述微控制模块发送，所述灌溉信息包括土壤水分信息、土壤温度信息和水源液位，所述管道信息包括管道流量信息和管道压力信息；
所述微控制模块还用于接收所述管道信息，并将所述管道信息与所述灌溉策略信息进行比对，验证所述灌溉策略信息的准确度；
所述人机交互模块用于显示系统运行状况，并对系统参数进行设置，所述系统参数包括所述预定时间间隔；所述人机交互模块还用于对所述电磁阀进行手动控制；
所述通信故障显示模块用于在CAN总线通信发生错误时，点亮红色LED。
进一步，所述电磁阀两端并联一个续流二极管；所述传感器信号采集模块以A/D转换芯片ADC0809为核心。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于CAN总线的节水灌溉方法及控制器，从节水灌溉自动控制这一环节出发，将CAN总线技术运用于节水灌溉控制器上，设计一套适合我国国情的灌溉控制器，具有价格低廉、性能可靠，开发扩展方便等优点，能很好的满足实际要求，具有较大应用前景。
附图说明
图1为本发明一种基于CAN总线的节水灌溉控制器的系统结构示意图；
图2为本发明一种基于CAN总线的节水灌溉控制器的电源模块的结构示意图；
图3为本发明一种基于CAN总线的节水灌溉控制器的CAN总线接口模块的结构示意图；
图4为本发明一种基于CAN总线的节水灌溉控制器的控制信号输出模块的原理示意图；
图5为本发明一种基于CAN总线的节水灌溉控制器的两级防雷、防浪涌保护电路的示意图；
图6为本发明一种基于CAN总线的节水灌溉控制器的电源切换电路的示意图；
图7为本发明一种基于CAN总线的节水灌溉控制器的DC/DC稳压电路的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种基于CAN总线的节水灌溉方法，包括以下步骤：
步骤1：电源模块为节水灌溉控制器供电，人机交互模块显示系统运行状况，并对系统参数进行设置，所述系统参数包括传感器信号采集模块采样的预定时间间隔；
步骤2：通过CAN总线接口模块将所述节水灌溉控制器的微控制器与CAN网络连接，以实现所述微控制模块与CAN网络各节点之间的实时数据通信；
步骤3：传感器信号采集模块以预定时间间隔采样获得灌溉信息，并将所述灌溉信息向所述微控制模块发送，所述灌溉信息包括土壤水分信息、土壤温度信息和水源液位，所述土壤水分信息和土壤温度信息直接发送到所述微控制模块，所述水源液位发送到CAN网络上，所述微控制模块通过所述CAN网络获取水源液位；
步骤4：所述微控制模块通过所述CAN网络获取天气信息；
步骤5：微控制模块根据所述天气信息和灌溉信息，通过模糊控制算法制定出灌溉策略信息，并将所述灌溉策略信息向控制信号输出模块发送；
步骤6：所述控制信号输出模块接收所述灌溉策略信息，并根据所述灌溉策略信息控制电磁阀的通断。
步骤7：传感器信号采集模块以预定时间间隔采样获得管道信息，并将所述管道信息向所述微控制模块发送，所述管道信息包括管道流量信息和管道压力信息，所述微控制模块接收所述管道信息，并将所述管道信息与所述灌溉策略信息进行比对，验证所述灌溉策略信息的准确度。
当CAN总线通信发生错误时，通信故障显示模块点亮红色LED；用户还可以通过所述人机交互模块对所述电磁阀进行手动控制。
如图1所示，一种基于CAN总线的节水灌溉控制器，包括电源模块、CAN总线接口模块、微控制模块、传感器信号采集模块、控制信号输出模块、人机交互模块和通信故障显示模块，所述电源模块、CAN总线接口模块、传感器信号采集模块、控制信号输出模块、人机交互模块和通信故障显示模块均与所述微控制模块电连接；
所述电源模块用于为所述节水灌溉控制器供电；所述CAN总线接口模块用于将所述微控制器与CAN网络连接，以实现所述微控制模块与CAN网络各节点之间的实时数据通信；所述传感器信号采集模块用于以预定时间间隔采样获得灌溉信息和管道信息，并通过所述CAN网络将所述灌溉信息和管道信息向所述微控制模块发送，所述灌溉信息包括土壤水分信息、土壤温度信息和水源液位，所述管道信息包括管道流量信息和管道压力信息；
所述微控制模块用于接收天气信息和所述灌溉信息，通过模糊控制算法制定出灌溉策略信息，并将所述灌溉策略信息向所述控制信号输出模块发送；所述微控制模块还用于接收所述管道信息，并将所述管道信息与所述灌溉策略信息进行比对，验证所述灌溉策略信息的准确度，所述天气信息通过所述CAN网络获取；
所述控制信号输出模块用于接收所述灌溉策略信息，并根据所述灌溉策略信息控制电磁阀的通断；
所述人机交互模块用于显示系统运行状况，并对系统参数进行设置，人机交互模块包括LCD屏和键盘，所述系统参数包括所述预定时间间隔；所述人机交互模块还用于对所述电磁阀进行手动控制；
所述通信故障显示模块用于在CAN总线通信发生错误时，点亮红色LED；
如图2所示，所述电源模块包括外接电源模块和备用电池模块，所述外接电源模块和备用电池模块通过电源切换电路实现两种方式的自动切换，正常情况下采用外接电源供电，当外接电源出现故障时，由电源电路自动切换到后备电池供电，而在外接电源恢复供电后，又可以自动恢复外接电源供电；电源切换电路如图6所示。
电源模块采用两级防雷、防浪涌保护电路，两级防雷、防浪涌保护电路如图5所示，第一级防雷电路利用防雷管构成差模和共模保护电路，释放雷击产生的大电流；第二级防雷电路利用TVS二极管和压敏电阻对电压进行限制，将电压控制在控制器各电路环节的承受范围以内。电源模块采用隔离性DC/DC模块，DC/DC稳压电路如图7所示，防止不同模块电源之间相互串扰，提高各模块工作稳定性，降低通信错误发生概率。
如图3所示，所述CAN总线接口模块包括CAN总线控制器和CAN总线收发器，所述CAN总线控制器采用独立的CAN控制器SJA1000，所述CAN总线收发器采用CAN总线驱动器82C250，所述微控制模块为高性能微控制器P87C554，微控制器P87C554通过中断方式访问CAN控制器SJA1000，为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，所述CAN控制器SJA1000的TX0和RX0不直接与CAN总线驱动器82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137与所述CAN总线驱动器82C250相连，这样可以很好地实现总线上各节点间的电气隔离。微控制器P87C554自带A/D输入通道，实现对电池电压的测量，并显示在人机交互模块上。
所述传感器信号采集模块以A/D转换芯片ADC0809为核心，具有8个A/D采样通道，外加微控制器P87C554自带A/D采样通路，总共可采集16路模拟信号，形成强大的数据采集功能。
控制信号输出模块输出两种类型的信号：一种是4-20mA模拟信号，用于控制可调蝶阀的开度等连续调节装置；另外通过微控制器P87C554的一个并行口作为数字输出信号的控制I/O口，如图4所示，具体来讲，就是使用微控制器P87C554的P1口提供8个驱动控制口，通过光隔器件TLP521连接三极管C9013，形成开关以控制电磁阀的通断并起到电流放大作用驱动电磁阀，所述电磁阀两端并联一个续流二极管。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于CAN总线的节水灌溉方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：电源模块为节水灌溉控制器供电，人机交互模块显示系统运行状况，并对系统参数进行设置，所述系统参数包括传感器信号采集模块采样的预定时间间隔；
步骤2：通过CAN总线接口模块将所述节水灌溉控制器的微控制模块与CAN网络连接，以实现所述微控制模块与CAN网络各节点之间的实时数据通信；
步骤3：传感器信号采集模块以预定时间间隔采样获得灌溉信息，并将所述灌溉信息向所述微控制模块发送；
步骤4：所述微控制模块通过所述CAN网络获取天气信息；
步骤5：微控制模块根据所述天气信息和灌溉信息，通过模糊控制算法制定出灌溉策略信息，并将所述灌溉策略信息向控制信号输出模块发送；
步骤6：所述控制信号输出模块接收所述灌溉策略信息，并根据所述灌溉策略信息控制电磁阀的通断。
2.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的节水灌溉方法，其特征在于，还包括步骤7：传感器信号采集模块以预定时间间隔采样获得管道信息，并将所述管道信息向所述微控制模块发送，所述管道信息包括管道流量信息和管道压力信息；所述微控制模块接收所述管道信息，并将所述管道信息与所述灌溉策略信息进行比对，验证所述灌溉策略信息的准确度；
所述灌溉信息包括土壤水分信息、土壤温度信息和水源液位。
3.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的节水灌溉方法，其特征在于，还可以通过所述人机交互模块对所述电磁阀进行手动控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的节水灌溉方法，其特征在于，当CAN总线通信发生错误时，通信故障显示模块点亮红色LED。
5.一种基于CAN总线的节水灌溉控制器，其特征在于，包括电源模块、CAN总线接口模块、微控制模块、传感器信号采集模块和控制信号输出模块，所述电源模块、CAN总线接口模块、传感器信号采集模块和控制信号输出模块均与所述微控制模块电连接；
所述电源模块用于为所述节水灌溉控制器供电；
所述CAN总线接口模块用于将所述微控制模块与CAN网络连接，以实现所述微控制模块与CAN网络各节点之间的实时数据通信；
所述传感器信号采集模块用于以预定时间间隔采样获得灌溉信息，并将所述灌溉信息向所述微控制模块发送；
所述微控制模块用于接收天气信息和所述灌溉信息，通过模糊控制算法制定出灌溉策略信息，并将所述灌溉策略信息向所述控制信号输出模块发送，所述天气信息通过所述CAN网络获取；
所述控制信号输出模块用于接收所述灌溉策略信息，并根据所述灌溉策略信息控制电磁阀的通断。
6.根据权利要求5所述的一种基于CAN总线的节水灌溉控制器，其特征在于，所述电源模块包括外接电源模块和备用电池模块，所述外接电源模块和备用电池模块通过电源切换电路实现两种方式的自动切换。
7.根据权利要求6所述的一种基于CAN总线的节水灌溉控制器，其特征在于，所述电源模块采用两级防雷、防浪涌保护电路，所述电源模块采用隔离性DC/DC模块。
8.根据权利要求5所述的一种基于CAN总线的节水灌溉控制器，其特征在于，所述CAN总线接口模块包括CAN总线控制器和CAN总线收发器，所述CAN总线控制器采用独立的CAN控制器SJA1000，所述CAN总线收发器采用CAN总线驱动器82C250，所述微控制模块为高性能微控制器P87C554，所述CAN控制器SJA1000通过高速光耦6N137与所述CAN总线驱动器82C250相连。
9.根据权利要求5所述的一种基于CAN总线的节水灌溉控制器，其特征在于，还包括人机交互模块和通信故障显示模块，所述人机交互模块和通信故障显示模块均与所述微控制模块电连接；
所述传感器信号采集模块还用于以预定时间间隔采样获得管道信息，并通过将所述管道信息向所述微控制模块发送，所述灌溉信息包括土壤水分信息、土壤温度信息和水源液位，所述管道信息包括管道流量信息和管道压力信息；
所述微控制模块还用于接收所述管道信息，并将所述管道信息与所述灌溉策略信息进行比对，验证所述灌溉策略信息的准确度；
所述人机交互模块用于显示系统运行状况，并对系统参数进行设置，所述系统参数包括所述预定时间间隔；所述人机交互模块还用于对所述电磁阀进行手动控制；
所述通信故障显示模块用于在CAN总线通信发生错误时，点亮红色LED。
10.根据权利要求5所述的一种基于CAN总线的节水灌溉控制器，其特征在于，所述电磁阀两端并联一个续流二极管；所述传感器信号采集模块以A/D转换芯片ADC0809为核心。
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