CN105955369B - 农业大棚气候控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业大棚气候控制系统，由小型电话程控交换机和多个数据采集器、多个电器控制器和一个主控器构成。每个数据采集器包含一个或数个温湿度传感器，数据采集器将采集的温湿度信号通过电力线半波通信传送给主控器处理。当气候异常时，管理人员可以通过电话网进行设置和控制。

Description

农业大棚气候控制系统

(一)技术领域：

本发明涉及农业大棚气候控制系统，由小型电话程控交换机和多个数据采集器、多个电器控制器和一个主控器构成。每个数据采集器包含一个或数个温湿度传感器，数据采集器将采集的温湿度信号通过电力线半波通信传送给主控器处理。当气候异常时，管理人员可以通过电话网进行设置和控制。

(二)背景技术：

由电力网提供电源的控制系统，其各电子设备或模块间都是通过专用线路通信，来纠正各电子设备或电子模块的计时时间，达到同步运行目的。由于采用专用线路通信使布线复杂化并增加成本，如果计时时间不通过线路通信纠正，则由于传统计时误差，运行数小时后，其累积计时误差会使系统控制动作不一致，可能造成系统崩溃，在一些经常变更设计，布线工程量大的场合其产品应用受到限制。

(三)发明内容：

本发明涉及农业大棚气候控制系统，由小型电话程控交换机和多个数据采集器、多个电器控制器和一个主控器构成，小型电话程控交换机安装于农业大棚的办公试验室内。每个数据采集器包含一个或数个温湿度传感器，数据采集器将采集的温湿度信号通过电力线半波通信传送给主控器处理，当气候异常时，管理人员可以通过电话网进行设置和控制。当数据采集器检测到温湿度参数超限，电器控制器即启动相应的炉、泵等电器设备的加温、喷灌负载电源，以保持大棚温湿度在控制范围。各数据采集器、电器控制器和主控器，其装置中均安装周波甄别电路，用于产生系统的同步时间保持系统动作一致，同时在其通信电路中各安装一个通信电子开关及其开关驱动模块。上述装置均接于同一电力网线上并设置总开关，在总开关之后安装一个电子开关，该电子开关并联隔离二极管，通信时，主控器关断电子开关并接通其通信电子开关，将市电经隔离二极管送入系统，系统处于经电力线半波通信半波供电状态。电器控制器输出经光电隔离、双向可控硅控制或继电接触电路控制，串接到炉、泵电器设备的电源中，控制其负载通电功率和时间。主控器在设定时间或接收到的手机短信通信指令时，即执行从全波到半波的切换动作。当各数据采集器和电器控制器在设定的半波通信时间或且检测到电力网被隔离二极管阻断的半波没有信号时，即关断其炉、泵电器负载电源，接通通信电子开关，使系统处于半波通信状态；反之，当从半波切换为全波前，主控器先向各数据采集器和电器控制器发送切换指令，关断通信电子开关。

电器控制器面板装3－5个不同颜色的LED灯，在离线单独刚开机后的一段特定时间显示红色时，关机再开机进入编号方式，其面板依序显示1次或2次不同颜色LED灯为一组合(例如第1次或第2次为：红、绿、蓝、红绿、蓝绿、红蓝、红绿蓝等其中之一)，2次显示为一个组合时，第1次显示时间控制在1－2秒，依显示的预置停顿时间作为一个组合的结束识别，各组合均与编号的号码对应，该对应关系贴于面板上。选择一个组合关机，得到与该组合相对应的唯一的编号并保存，贴标识，它是在编号时段当检测不到电网周波信号时，单片机依靠其电源电容的储能将编号数据存入非易失存储器中。所述编号方式易于改变编号号码，不受灰尘、水滴等侵蚀，安全可靠；

各通信电子开关的开关驱动模块是从电力网线经电阻降压后分两路，一路用于各电器控制器，它经反接二极管接于各电器控制器的单片机I/O口，在时钟计时器计时到周波负半波时，扫描该I/O口，如果没有信号即系统处于半波通信状态；另一路用于各数据采集器、各电器控制器和主控器，其间通信是受同步时间控制以保持动作长时期一致，该路经正接二极管进一步隔离周波负半波后，接于比较器输入端，其基准电压为100Mv至200Mv，可利用二极管压降经电阻分压得到，因此比较器的输出端为方波信号，它经正接的二极管整流后产生了对应电力网周波负半波的正方波信号，接于单片机的I/O口，单片机扫描到正方波信号时执行通信操作，该正方波信号还用于驱动通信电子开关，因此通信电子开关在周波正半波时关断，周波负半波时接通。通信电子开关依所采用通信方式接于单片机相应端口，并进行信号调理，通信结束时在主控器控制下，使驱动电路关断通信电子开关。

农业大棚的办公试验室内，安装一台小型电话程控交换机，将其中一个分机号用于遥控。该分机号和指令代码与指令的对照表保存在手机中，并用锁屏密码等方法防止指令代码的数据泄密。通信时，管理人员从座机或手机发送指令代码的数字，交换机在主叫拨号后由双音多频解码器获得该分机主叫电话号码后,模拟摘机，并保持双音多频接收状态，以接收指令代码信号，如用手机可发：“交换机电话号码”P“指令代码的数字”，其中“P”可按住手机模拟键盘的*键得到，有的机子是按*键2-3次得到，或等待交换机固化在芯片中的语音提示后再键入指令代码，通信结束后，交换机将接收指令代码的数字信号传送给主控器，由主控器译码后执行相应操作。

本发明利用电力网周波的正半周上升段，取三个甄别点实现对周波信号的识别判定，再利用周波时间建立同步时间，实现系统中各数据采集器、各电器控制器和主控器的同步运行。

各数据采集器、各电器控制器和主控器的周波甄别电路结构示意图如图2所示，由三个采用滞回比较器的电压比较器组成，每个电压比较器中均包含滤波电路，其电压比较器的基准电压由稳压电路提供。系统设置时钟计时器和同步计时器。如果检测到相临的两个周波信号均为真，则取出该两个相邻的周波信号过零之间的时钟计时器计时时间，按序存入周波时间存储单元中，该周波时间存储单元可存放100个周波时间，存满时每存入一个周波时间，均先移除最先存入的一个周波时间，并计算存入的周波时间的平均值Tz并保存，利用Tz值鉴别待识别周波信号，以降低电力网频率波动的影响，同时采用三个甄别点降低误判可能性。

三个比较器分别用于三个甄别点，即甄别点0、甄别点1、甄别点2，如图1所示。在周波正半周上升段的周波过零处，即甄别点0设置电压过零比较器，由于电力网周波负半周被整流二极管隔离，为了提高检测精度，在电压过零比较器的信号输入端再串接二极管隔离负半周，其基准电压从零提高到10mv至100mv，视比较器的失调电压而定，该基准电压可利用二极管压降经电阻分压得到。其余二个比较器分别设置在周波正半周上升段，峰值电压的35％至50％处的甄别点1和50％至70％处的甄别点2。

周波信号判定：单片机在设定时间开中断后，时钟计时器清零并开始计时，当周波电压过零时，设置在甄别点0的电压过零比较器﹙V0﹚的输出电压翻转，在其电压下降沿产生中断，记录其过零点中断时间Th0并关中断；此后，单片机扫描甄别点1处电压比较器﹙V1﹚的输出电压，当周波电压达到﹙V1﹚的阈值电压时，输出电压从高到低翻转，扫描记录其翻转时间Th1；同样扫描记录甄别点2处电压比较器﹙V2﹚输出电压翻转时间Th2，将Th0与电压过零比较器﹙V0﹚的输出电压翻转时间设定值Ts0作比较；Th1与电压比较器﹙V1﹚的输出电压翻转时间设定值Ts1以及Th2与电压比较器﹙V2﹚的输出电压翻转时间设定值Ts2分别作比较，如果在允许误差范围内，则检测到的该甄别信号为真，否则为假。上述判定甄别信号为真时，计算本次周波信号过零与相邻前一次甄别信号为真时的周波信号过零间的时钟计时器计时时间Tzu，将其与周波时间的平均值Tz作比较，如果不超过设定周波时间误差Tzv则周波信号为真，这时保存Tzu并取20ms与同步计时器计时时间相加，将相加的值存入同步计时器中。

当时钟计时器以周波电压过零开始计时，则计时到16ms至18.5ms间的开中断时间设定值Tk时开中断，时钟计时器计时到25ms至27ms间的关中断时间设定值Tn时关中断。

系统开机后，时钟计时器开始计时，当检测到第一个周波电压过零时，设置在甄别点0的电压过零比较器﹙V0﹚的输出电压翻转，从而产生中断，取出周波电压过零点的时间T0保存，将时钟计时器清零并开始计时，这时周波电压过零时间Th0为0，同时单片机按上述方法扫描并判定甄别信号。由于检测的是第一个周波，时钟计时器是在周波电压过零时开始计时，其Th0、Th1和Th2的值均须加上周波时间20ms减去开中断时间设定值Tk的差值，如果三个甄别信号为真，下一次即第一次开中断时间取Tk。否则为假时，此时时钟计时器时间须加上T0，继续检测。

当检测到第一个和相邻的第二个周波电压过零时，由于未保存检测的周波时间，因此两次周波信号过零间的时钟计时器计时时间是与周波时间20ms作比较，判定周波信号为真时，则取出开中断时的时钟计时器累计时间T1＝T0+Tk作为初始时间存入同步计时器中，开中断后时钟计时器清零，否则判定周波信号为假时，此时时钟计时器时间须加上T1，继续按上述方法重新检测第一个周波。当检测第一个周波信号为真后，恢复以上所述的周波信号判定。

如图1所示，如果检测到周波信号为假，下一次开中断时间均在本次开中断时间后，经延时周波时间的平均值Tz时开中断，并在开中断后延时Tns时关中断，设置关中断时间是当周波信号在甄别点0时没有产生中断，这时须在超过Ts0允许误差范围的设定时间点开始扫描，以及扫描甄别点1和甄别点2时，电压比较器输出电压没有产生翻转，都在关中断时间Tns关中断和停止扫描，Tns为:

Tns＝Tn－Tk

如果检测到周波信号为真，则下一周波开中断时间Tks为:

Tks＝Tk+Th0

即从第一次开中断时间取Tk之后，时钟计时器均是计时到Tks开中断，并清零后重新开始计时，计时到Tns时关中断，从而使同步计时器时间受到周波电压过零时间的纠正。

重复上述过程。如果所述检测到的上一周波信号为真，本周波判定时，甄别信号为假，或检测到的周波时间与周波时间的平均值Tz比较超过设定周波时间误差Tzv，或时钟计时器计时到关中断时间设定值Tns时，电压过零比较器﹙V0﹚输出电压未翻转，没有产生中断，则在时钟计时器计时到Tns时关中断，这时记未计周波数N为1并存储，下一次开中断时间是在上次开中断时间经过Tz后开中断，此后每次判定周波信号真伪，如为假或本次检测甄别信号虽为真但上次为假，则取N，将N+1后回存于存储器，时钟计时器在开中断后不清零继续计时，这时，设定的下一周波开中断时间暂时改用开中断时间临时设定值Tkz：

Tkz＝(N+1)×Tz

同时，下一周波关中断时间暂时改用关中断时间临时设定值Tnz：

Tnz＝Tkz+Tns

当时钟计时器计时到Tkz后，扫描甄别点的时间可通过简单计算获得。如果这时检测到周波信号为真，则取出存储器中N保存，并将存储器中N置零，使时钟计时器计时值Ts为：(Ts－Tkz)→Ts，这时取(N+1)×20ms的值加于同步计时器中，并恢复使用设定值Tks与Tns，恢复时钟计时器在开中断后清零。

系统同步时间为同步计时器的时间，再加上当前正在计时的时钟计时器的时间。

判定甄别点信号真伪时，Th0、Th1、Th2是通过与电压比较器输出电压翻转时间设定值Ts0、Ts1、Ts2作比较看是否超差，来判定甄别点信号真伪，可以选择：Th0、Th1、Th2均为真时该周波甄别信号为真，或者Th0为真，同时Th1、Th2之一为真时，或者Th1、Th2为真时，该周波甄别信号为真，视对判定周波信号真伪不同要求而定。

如果电力网故障，当N大于25至70间的一个设定值时，由于系统中各数据采集器、各电器控制器和主控器，其检测的Tz值和N值可能不同，这时，电力网频率累积误差，可能造成同步计时器时间无法通过检测到真实周波信号时得到纠正，当检测到周波信号为真时，采用时钟计时器在Tkz处的计时值直接加于同步计时器中，以减少系统的不同步时间，电力网正常运营情况下N远小于25。

允许的周波时间误差Tzv和电压比较器输出电压的翻转时间设定值，由试验评估取其平均值获得。

(四)附图说明：

图1是周波甄别数据关系示意图；

图2是周波甄别电路结构示意图；

图3是农业大棚气候控制系统的电路结构方框图确。

(五)具体实施方式：

图3是农业大棚气候控制系统电路结构方框图包括:主控器﹙10﹚、通信电子开关﹙11﹚、开关驱动模块﹙12﹚、接口电路﹙13﹚、小型电话程控交换机﹙14﹚、电器控制器﹙15﹚、周波甄别电路﹙16﹚、数据采集器﹙17﹚、温湿度传感器﹙18﹚、电器设备﹙19﹚、电子开关﹙20﹚。其中通信电子开关﹙11﹚、开关驱动模块﹙12﹚、周波甄别电路﹙16﹚和图2中单片机﹙U0﹚均分别包含在电器控制器﹙15﹚、数据采集器﹙17﹚和主控器﹙10﹚中，其电子开关﹙11﹚、通信电子开关﹙11﹚使用双向可控硅作为开关。

图2是周波甄别电路﹙16﹚的结构示意图，由：输入电路﹙S0﹚、电压过零检测模块﹙V0﹚、电压比较器﹙V1﹚和电压比较器﹙V2﹚构成。单片机﹙U0﹚是指电器控制器﹙15﹚、数据采集器﹙17﹚和主控器﹙10﹚中的单片机。输入电路﹙S0﹚用于将电力网交流电压通过电阻和二极管的分压，转换为电压比较器合适的稳定的输入电压。单片机﹙U0﹚采用89C55WD，电压过零检测模块﹙V0﹚、电压比较器﹙V1﹚、电压比较器﹙V2﹚均使用专用的电压比较器LM339，其基准电压是采用稳压管的稳压电路来稳定电压比较器的阈值电压。

当电力网交流电压周波信号过零时，电压过零检测模块﹙V0﹚的输出电压跳变，单片机﹙U0﹚产生中断，记录中断时间，同时单片机﹙U0﹚还用于扫描电压比较器﹙V1﹚和电压比较器﹙V2﹚的输出电压，当输出电压跳变时记录跳变时间，用于判定电力网周波信号从而产生同步时间。

接口电路﹙13﹚中的单片机AT89C2051设有I2C串行通信模块，用于与主控器之间进行通信，其EEPRAM用于保存数据。通信时，从手机功能界面选择所须代码，通过电话网向小型电话程控交换机发送数据，当主控器接收到相关字符串后，将其译成所对应的功能进行控制或通信。

Claims (2)

1.一种农业大棚气候控制系统,其特征是，各数据采集器、电器控制器和主控器，其装置中均安装周波甄别电路，用于产生系统的同步时间，同时在其通信电路中各安装一个通信电子开关及其开关驱动模块，在总开关之后安装一个电子开关，该电子开关并联隔离二极管，通信时，主控器关断电子开关并接通其通信电子开关，将市电经隔离二极管送入系统，系统处于经电力线半波通信半波供电状态；电器控制器输出经光电隔离、双向可控硅控制或继电接触电路控制，串接到炉、泵电器设备的电源中，控制其负载通电功率和时间；各数据采集器和电器控制器在设定的半波通信时间或且检测到电力网被隔离二极管阻断的半波没有信号时，关断其炉、泵电器的设备负载电源，接通通信电子开关；

电器控制器面板装3－5个不同颜色的LED灯，在刚开机特定时间显示红色时，关机再开机进入编号方式，依序显示1次或2次不同颜色LED灯为一组合，第1次显示时间控制在1－2秒，依显示的预置停顿时间作为一个组合的结束识别，选择一个组合关机，得到与该组合相对应的编号并保存，在编号时段当检测不到电网周波信号时，单片机依靠其电源电容的储能将编号数据存入非易失存储器中；

各开关驱动模块是从电力网经电阻降压后分两路，一路用于各电器控制器，它经反接二极管接于各电器控制器的单片机I/O口，在时钟计时器计时到周波负半波时，扫描该I/O口，如果没有信号即系统处于半波通信状态；另一路用于各数据采集器、各电器控制器和主控器，经正接二极管进一步隔离周波负半波后，接于比较器输入端，其基准电压为100Mv至200Mv，可利用二极管压降经电阻分压得到，因此比较器的输出端为方波信号，它经正接的二极管整流后产生了对应电力网周波负半波的正方波信号，接于单片机的I/O口，单片机扫描到正方波信号时执行通信操作，该正方波信号还用于驱动通信电子开关；小型电话程控交换机的分机号和指令代码与指令的对照表保存在手机中，管理人员从座机或手机发送指令代码的数字，交换机将接收指令代码的数字信号传送给主控器，由主控器译码后执行相应操作；

周波甄别电路是利用电力网周波的正半周上升段，取三个甄别点实现对周波信号的识别判定，再利用周波时间建立同步时间，系统设置时钟计时器和同步计时器，如果检测到相邻的两个周波信号均为真，则取出该两个相邻的周波信号过零之间的时钟计时器计时时间，按序存入周波时间存储单元中，存满100个周波时间时每存入一个周波时间，均先移除最先存入的一个周波时间，并计算存入的周波时间的平均值Tz并保存，利用Tz值鉴别待识别周波信号；

三个比较器分别用于三个甄别点，即甄别点0、甄别点1、甄别点2，在周波正半周上升段的周波过零处，即甄别点0设置电压过零比较器，在电压过零比较器的信号输入端再串接二极管隔离负半周，其基准电压为10mv至100mv，视比较器的失调电压而定，该基准电压可利用二极管压降经电阻分压得到，其余二个比较器分别设置在周波正半周上升段，峰值电压的35％至50％处的甄别点1和50％至70％处的甄别点2；

周波信号判定过程：单片机在设定时间开中断后，时钟计时器清零并开始计时，当周波电压过零时，设置在甄别点0的电压过零比较器的输出电压翻转，在其电压下降沿产生中断，记录其过零点中断时间Th0并关中断；此后，单片机扫描甄别点1处电压比较器﹙V1﹚的输出电压，当周波电压达到电压比较器﹙V1﹚的阈值电压时，输出电压从高到低翻转，扫描记录其翻转时间Th1；同样扫描记录甄别点2处电压比较器﹙V2﹚输出电压翻转时间Th2，如果所述翻转时间Th1及Th2在允许误差范围内，则检测到的甄别信号为真，否则为假，判定甄别信号为真时，计算本次周波信号过零与相邻前一次甄别信号为真时的周波信号过零间的时钟计时器计时时间Tzu，将其与周波时间的平均值Tz作比较，如果不超过设定周波时间误差Tzv则周波信号为真，这时保存Tzu并取20ms与同步计时器计时时间相加，将相加的值存入同步计时器中；

当时钟计时器以周波电压过零开始计时，则计时到16ms至18.5ms间的开中断时间设定值Tk时开中断，时钟计时器计时到25ms至27ms间的关中断时间设定值Tn时关中断；

当检测到第一个周波电压过零时，设置在甄别点0的电压过零比较器的输出电压翻转，从而产生中断，取出周波电压过零点的时间T0保存，将时钟计时器清零并开始计时，这时周波电压过零时间Th0为0，单片机扫描并判定甄别信号，其Th0、Th1和Th2的值均须加上周波时间20ms减去开中断时间设定值Tk的差值，如果三个甄别信号为真，下一次即第一次开中断时间取Tk，否则为假时，此时时钟计时器时间须加上T0，继续检测；

当检测到第一个和相邻的第二个周波电压过零判定周波信号为真时，则取出开中断时的时钟计时器累计时间T1＝T0+Tk作为初始时间存入同步计时器中，开中断后时钟计时器清零，否则判定周波信号为假时，此时时钟计时器时间须加上T1，重新检测第一个周波，当检测第一个周波信号为真后，恢复以上所述的周波信号判定；

如果检测到周波信号为假，下一次开中断时间均在本次开中断时间后，经延时周波时间的平均值Tz时开中断，并在开中断后延时Tns时关中断，设置关中断时间是当周波信号甄别为假时，在关中断时间Tns关中断和停止扫描，Tns为:

Tns＝Tn－Tk

如果检测到周波信号为真，则下一周波开中断时间Tks为:

Tks＝Tk+Th0

即从第一次开中断时间取Tk之后，时钟计时器均是计时到Tks开中断，并清零后重新开始计时，计时到Tns时关中断，重复上述周波信号判定过程，如果所述检测到的上一周波信号为真，本周波判定时，甄别信号为假，则在时钟计时器计时到Tns时关中断，这时记周波数N为1并存储，下一次开中断时间是在上次开中断时间经过Tz后开中断，此后每次判定周波信号真伪，如为假或本次检测甄别信号虽为真但上次为假，则取N，将N+1后回存于存储器，时钟计时器在开中断后不清零继续计时，这时，设定的下一周波开中断时间暂时改用开中断时间临时设定值Tkz：

Tkz＝(N+1)×Tz

同时，下一周波关中断时间暂时改用关中断时间临时设定值Tnz：

Tnz＝Tkz+Tns

当时钟计时器计时到Tkz后，如果这时检测到周波信号为真，则取出存储器中N保存，并将存储器中N置零，使时钟计时器计时值Ts为：(Ts－Tkz)→Ts，这时取(N+1)×20ms的值加于同步计时器中，并恢复使用设定值Tks与Tns，恢复时钟计时器在开中断后清零；

系统同步时间为同步计时器的时间，再加上当前正在计时的时钟计时器的时间；

并选择：Th0、Th1、Th2均为真时周波甄别信号为真，或者Th0为真，同时Th1、Th2之一为真时，或者Th1、Th2为真时，周波甄别信号为真，如果N大于25至70间的一个设定值时，采用时钟计时器在Tkz处的计时值直接加于同步计时器中。

2.根据权利要求1所述的农业大棚气候控制系统,其特征在于包括:

主控器﹙10﹚、通信电子开关﹙11﹚、开关驱动模块﹙12﹚、接口电路﹙13﹚、小型电话程控交换机﹙14﹚、电器控制器﹙15﹚、周波甄别电路﹙16﹚、数据采集器﹙17﹚、温湿度传感器﹙18﹚、电器设备﹙19﹚、电子开关﹙20﹚，其中单片机﹙U0﹚和通信电子开关﹙11﹚、开关驱动模块﹙12﹚和周波甄别电路﹙16﹚均分别包含在电器控制器﹙15﹚、数据采集器﹙17﹚和主控器﹙10﹚中；

周波甄别电路﹙16﹚由：输入电路﹙S0﹚、电压过零检测模块﹙V0﹚、甄别点1处电压比较器﹙V1﹚和甄别点2处电压比较器﹙V2﹚构成，输入电路﹙S0﹚用于将电力网交流电压通过电阻和二极管的分压，转换为电压比较器合适的稳定的输入电压；

接口电路﹙13﹚中的单片机设有I2C串行通信模块，用于与主控器之间进行通信，其EEPRAM用于保存数据。

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