CN113093604A - 一种信息采集处理控制装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种信息采集处理控制装置及其应用，包括PCB、微控制器、隔离装置、电源电路、接线端子、指示灯、外围电路、外壳。所述信息采集处理控制装置，可以将不同类型的设备进行分组，主设备采用本装置对从设备进行查询，从设备将查询的结果统一汇总发送给主设备。该装置具有多种工作模式，应用范围广，主控制的稳定性高，主控制的成本低，主控制器损坏的概率低，简化采集数据的结构，可简化控制器设计，具有拓展模式，可连接超出协议数量的传感器；能应用在智能灌溉系统、土壤墒情领域，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种信息采集处理控制装置及其应用，属于电子电路技术领域。
背景技术
在农业领域，智能灌溉系统需要安装大量不同种类的的传感器、执行装置、控制器等。
农业灌溉系统通常需要控制1000亩以上的地块的装置，这些装置的精准控制需要大量的传感器采集控制信息。为方便描述，下文中主设备为主设备，连接在主设备上的传感器、执行装置、控制器等为从设备。
传感器的布置通常采用直连、星型、环型、总线型、树型、网型6种。各连接方式优缺点如表1所示：
表1
农业中常采用基于RS-485总线的MODBUS协议来连接各种传感器。MODBUS协议中仅能有一个主设备，但可具有最多127个从设备。
为方便描述，下文中主控制器为主设备，传感器为从设备。
RS-485半双工模式是常用的采集和控制方案，此方案仅需两根通讯线，大幅度节约连线数量。但RS-485的半双工模式决定了主控制器需要采用轮流查询的方式(轮询)来获取这些节点的数据。在某一个从设备应答之前，或者经过一段超时时间之后认为设备故障，主设备才能发送下一条查询指令。如果超时时间为100ms，查询127个设备的信息至少需要12.7秒。
采用主控制器直接连接传感器具有如下弊端：
1、主设备查询如此多的从设备需要占用大量CPU时间和中断，主设备通信负载高，通信线路利用效率低，也不利于主设备系统的稳定性。
2、主控制连接的传感器数量持续增加至超过127之后，只能采用增加主设备的方式来连接更多设备，成本高。
3、任何一个从设备遭遇浪涌或雷击事故，都有可能导致主设备连带受损，甚至是所有设备的损坏。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种信息采集处理控制装置及其应用，具体技术方案如下：
一种信息采集处理控制装置及其应用，包括：
PCB，用来装配、安装各电子元件与模块；
微控制器，用来接收来自各个端口的数据；向端口发送数据，将接收的数据进行处理、存储；根据接收、存储的数据，改变自身工作方式，进而改变数据处理的方式；控制指示灯，控制电源电路；
隔离装置，用来隔离各个端口，提供任意端口之间的隔离、保护功能；
电源电路，用来接收微控制器的控制命令，对特定端口或特定元件进行电源驱动；
接线端子，用来提供界限功能，用于连接主设备、从设备；
指示灯，用来显示工作状态信息；
外围电路，用来与PCB连接微控制器、电源电路、接线端子、指示灯，构成完整回路；
外壳，用来承载内部元件。
作为上述技术方案的改进，所述信息采集处理控制装置与从设备之间的连接模式为直连模式、星型模式、环型模式、总线型模式、树型模式、网型模式中的一种或数种。
作为上述技术方案的改进，主设备采用所述信息采集处理控制装置对从设备进行查询、控制操作，从设备将查询、控制的结果统一汇总发送给主设备；具体包括如下功能：
采集：所述信息采集处理控制装置将从设备视为传感器，采集来自从设备的数据；
处理：所述信息采集处理控制装置将来自从设备和主设备的信息进行处理；
控制：所述信息采集处理控制装置将从设备视为可控设备，将控制指令发送给从设备；
隔离：所述信息采集处理控制装置通过不同端口隔离主设备和从设备；
驱动：主设备通过所述信息采集处理控制装置驱动不同电气特性的从设备，在控制上统一接口。
作为上述技术方案的改进，所述信息采集处理控制装置的工作模式包括：
S1、透明传输模式：所述信息采集处理控制装置仅转发主设备和传感器的数据，在网络中处于透明状态，主设备和传感器感知不到所述信息采集处理控制装置；
S2、采集处理模式：所述信息采集处理控制装置按照预先配置的数据处理模式，采集并处理所连接设备的数据，并与主设备通信；
S21、转发模式：所述信息采集处理控制装置不做任何处理，将接收的内容立即转发出去；
S22、汇总模式：所述信息采集处理控制装置轮流查询所有已连接设备的信息，将汇总后的信息存储起来，在主设备查询后一次性发送；
S23、算法处理模式：将同组传感器采集到的值，按照指定算法，将传感器采集到的值处理后发给主设备；
S3、处理控制模式：所述信息采集处理控制装置将所连接设备视为接受控制的设备，不再采集信息，而是向所连接设备发送控制信息；
S31、转发模式：转发主设备控制信息，不做任何处理；
S32、拆分模式：将主设备的控制信息，拆分成单条，分别发送至对应的从设备；
S33、算法处理模式：按照指定算法，将主设备的控制信息，进行处理之后，发送至相应的从设备；
S4、复合工作模式：所述信息采集处理控制装置将所连接设备部分视为透明传输部分、部分视为采集处理模式、部分视为处理控制模式，并可实现透明传输模式、采集处理模式、处理控制模式两两组合，或透明传输模式、采集处理模式、处理控制模式全部三种模式；
S5、参数配置模式：主设备或现场操作人员，发送特定数据段对所述信息采集处理控制装置进行配置；
S51、离线设置模式：所述信息采集处理控制装置从系统中断开，在专用的设备上进行配置；
S52、在线设置模式：所述信息采集处理控制装置正常连接在系统中，主设备通过特殊指令在线对所述信息采集处理控制装置进行配置；
S6、备份工作模式：多个所述信息采集处理控制装置共同使用，分为主要装置和备份装置，工作模式有：
S61、多机热备份模式：同时使用多个所述信息采集处理控制装置，连接到同一个网络中，当一台设备故障后，其他设备自动进行替换；主要装置和备份装置没有在主设备中预先设定，主设备认为系统中仅存在一个所述信息采集处理控制装置；
S62、多机冷备份模式：同时使用多个所述信息采集处理控制装置，连接到同一个网络中，当一台设备故障后，由主设备发送控制信息唤醒备用的所述信息采集处理控制装置；
S63、多机在线备份模式：同时使用多个所述信息采集处理控制装置，连接到同一个网络中，主设备分别向多个所述信息采集处理控制装置查询相同的信息，只要有一个所述信息采集处理控制装置可以正常工作，主设备就可以获取对应的信息。
作为上述技术方案的改进，所述信息采集处理控制装置的数据帧处理的模式有：
单站码模式：适用于从设备单一，报文格式相同的情形；
多站码模式：所述信息采集处理控制装置连接的传感器种类不相同时，为不同类型的传感器设置不同的站码，在仅使用一个本装置情况下，主设备通过站码区分不同类型的传感器。
作为上述技术方案的改进，主设备连接485A、485B，一组传感器连接485A1、485B1，另一组传感器连接和485A2、485B2；
主设备可通过多个所述信息采集处理控制装置，连接127个以上的从设备。
作为上述技术方案的改进，当主设备发送查询指令时，所述信息采集处理控制装置将主设备指令不加处理的分别发送到两组传感器；当传感器反馈主设备指令时，所述信息采集处理控制装置将传感器指令不加处理的发送给主设备；主设备和两组传感器感知不到本装置的存在。
作为上述技术方案的改进，主设备连接所述信息采集处理控制装置，所述信息采集处理控制装置采用交换机连接传感器。
作为上述技术方案的改进，所述信息采集处理控制装置在智能灌溉系统中的应用。
作为上述技术方案的改进，所述信息采集处理控制装置在土壤墒情领域的应用。
本发明的有益效果：
所述信息采集处理控制装置，可以将不同类型的设备进行分组，主设备采用本装置对从设备进行查询，从设备将查询的结果统一汇总发送给主设备。本装置具有如下优势：
1)、多种工作模式，应用范围广；
2)、将不同种类的传感器分隔开为不同的区域，简化了主控制器设计，增加了主控制的稳定性，降低了主控制的成本；
3)、将传感器与主控制器分隔开，降低一个区域部分传感器的损坏导致主控制器损坏的概率；
4)、具有投票模式、平均模式等多种采集处理方式，简化采集数据的结构，可简化控制器设计；
5)、具有拓展模式，可连接超出协议数量的传感器；
6)、所述信息采集处理控制装置能够应用在智能灌溉系统、土壤墒情领域，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述信息采集处理控制装置采用总线型连接从设备的示意图；
图2为本发明所述信息采集处理控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
所述信息采集处理控制装置(以下简称本装置)，可支持上述全部6种连接方式(直连、星型、环型、总线型、树型、网型)，可以连接大量从设备，并将不同类型的设备进行隔离、分组。图1为本装置采用总线型连接从设备的示意图。
所述信息采集处理控制装置由PCB、微控制器、隔离装置、电源电路、接线端子、指示灯、外围电路、外壳等组成。
本装置的各部组成的功能如下：
1、PCB：装配安装各电子元件与模块。
2、微控制器：接收来自各个端口的数据；向端口发送数据；将接收的数据进行处理、存储；根据接收、存储的数据，改变自身工作方式，进而改变数据处理的方式；控制指示灯；控制电源电路。
3、隔离装置：隔离各个端口，提供任意端口之间的隔离、保护功能。
4、电源电路：接收微控制器的控制，对特定端口或特定元件进行电源驱动。
5、接线端子：提供界限功能，用于连接主设备、从设备等。
6、指示灯：显示工作状态等信息。
7、外围电路：与PCB等连接上述主要元件，构成一个完整的装置。
8、外壳：承载本装置内部元件，起保护功能。
本装置可以配置成如下模式连接从设备：
1、直连：本装置的一个端口仅连接一个从设备，本装置与从设备的通信延时最低，性能最好。
2、星型：本装置的一个端口连接多个从设备，采用星型结构。
3、环型：本装置的一个端口与多个从设备构成一个环。
4、总线型：本装置的一个端口连接多个从设备，采用总线型结构。
5、树型：本装置一级一级的连接从设备，类似星型与总线型的结合。
6、网型：主设备与多个从设备和本装置组成复杂的网状结构。
主设备采用本装置对从设备进行查询、控制等操作，从设备将查询、控制的结果统一汇总发送给主设备。具体有如下功能：
1、采集：本装置将从设备视为传感器，采集来自从设备的数据。
2、处理：本装置将来自从设备和主设备的信息进行处理。
3、控制：本装置将从设备视为可控设备，将控制指令发送给从设备。
4、隔离：本装置通过不同端口隔离主设备和从设备，提高安全性。
5、驱动：主设备可以通过本装置驱动不同电气特性的从设备，在控制上统一接口，降低主设备程序编写难度。
本装置有以下工作模式：
1、透明传输模式：本装置仅转发主设备和传感器的数据，在网络中处于透明状态，主设备和传感器感知不到本装置；此模式为本装置默认工作模式。
2、采集处理模式：本装置按照预先配置的数据处理模式，采集并处理所连接设备的数据，并与主设备通信。
2.1转发模式：本装置不做任何处理，将接收的内容立即转发出去；此模式为默认工作模式。
2.2汇总模式：本装置轮流查询所有已连接设备的信息，将汇总后的信息存储起来，在主设备查询后一次性发送。
2.3算法处理模式：将同组传感器采集到的值，按照一定算法，将这些值处理后发给主设备。
3、处理控制模式：本装置将所连接设备视为接受控制的设备，不再采集信息，而是向所连接设备发送控制信息。
3.1、转发模式：转发主设备控制信息，不做任何处理；此模式为默认工作模式。
3.2、拆分模式：将主设备的控制信息，拆分成单条，分别发送至对应的从设备。
3.3、算法处理模式：按照一定算法，将主设备的控制信息，进行处理之后，发送至相应的从设备。
4、复合工作模式：本装置将所连接设备部分视为透明传输部分、部分视为采集处理模式、部分视为处理控制模式，并可实现上述(1)(2)(3)模式两两组合，或(1)(2)(3)全部三种模式。
5、参数配置模式：主设备或现场操作人员，发送特定数据段对本装置进行配置；此模式本装置会屏蔽所连接从设备的所有信息。
5.1、离线设置模式：本装置从系统中断开，在专用的设备上进行配置。
5.2、在线设置模式：本装置正常连接在系统中，主设备通过特殊指令在线对本装置进行配置；灵活性更高。
6、备份工作模式：多个本装置共同使用，分为主要装置和备份装置；其工作模式有。
6.1多机热备份模式：同时使用多个本装置，连接到同一个网络中，当一台设备故障后，其他设备自动进行替换；主要装置和备份装置没有在主设备中预先设定，主设备认为系统中仅存在一个本装置。
6.2、多机冷备份模式：同时使用多个本装置，连接到同一个网络中，当一台设备故障后，由主设备发送控制信息唤醒备用的本装置；这些备份装置在主设备中预先设定。
6.3多机在线备份模式：同时使用多个本装置，连接到同一个网络中，主设备分别向多个本装置查询相同的信息，只要有一个装置可以正常工作，主设备就可以获取对应的信息；这些备份装置在主设备中预先设定。
本装置数据帧处理的模式有：
1、单站码模式：适用于从设备单一，报文格式相同的情形；
2、多站码模式：本装置连接的传感器种类不相同时，可以为不同类型的传感器设置不同的站码，在仅使用一个本装置情况下，主设备通过站码区分不同类型的传感器。
本装置具有如下优势：
1、多种工作模式，应用范围广。
2、将不同种类的传感器分隔开为不同的区域，简化了主设备设计，增加了主控制的稳定性，降低了主控制的成本。
3、将传感器与主设备分隔开，降低一个区域部分传感器的损坏导致主设备损坏的概率。
4、具有投票模式、平均模式等多种采集处理方式，简化采集数据的结构，可简化控制器设计。
5、具有拓展模式，可连接超出协议数量的传感器。
实施例2
以上述采用RS-485端口的本装置为例：
本装置由PCB、微控制器、隔离装置、电源电路、接线端子、指示灯、外围电路、外壳等组成；如图2所示。
主设备连接485A，485B，两组传感器连接485A1、485B1和485A2、485B2。
RS-485的半双工模式决定了主设备需要采用轮流查询的方式(轮询)来获取这些节点的数据。在某一个从设备应答之前，或者经过一段超时时间之后认为设备故障，主设备才能发送下一条查询指令。如果超时时间为100ms，查询127个设备的信息至少需要12.7秒。
若主设备采用本装置连接上述127个从设备，则主设备仅需查询一次，即可获得本装置获取到的全部127个传感器的数据，可将获取信息的时间压缩至10ms以内。与此同时，主设备可通过多个本装置，连接127个以上的从设备，突破协议对传感器数量的限制。
实施例3
以透明传输模式为例，当主设备发送查询指令时，本装置将主设备指令不加处理的分别发送到两组传感器；当传感器反馈主设备指令时，本装置将传感器指令不加处理的发送给主设备。主设备和两组传感器感知不到本装置的存在。
实施例4
以工业以太网为例：
主设备连接本装置，本装置采用交换机连接传感器。
在上述实施例中，所述信息采集处理控制装置，可以将不同类型的设备进行分组，主设备采用本装置对从设备进行查询，从设备将查询的结果统一汇总发送给主设备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种信息采集处理控制装置，其特征在于，包括：
PCB，用来装配、安装各电子元件与模块；
微控制器，用来接收来自各个端口的数据；向端口发送数据，将接收的数据进行处理、存储；根据接收、存储的数据，改变自身工作方式，进而改变数据处理的方式；控制指示灯，控制电源电路；
隔离装置，用来隔离各个端口，提供任意端口之间的隔离、保护功能；
电源电路，用来接收微控制器的控制命令，对特定端口或特定元件进行电源驱动；
接线端子，用来提供界限功能，用于连接主设备、从设备；
指示灯，用来显示工作状态信息；
外围电路，用来与PCB连接微控制器、电源电路、接线端子、指示灯，构成完整回路；
外壳，用来承载内部元件。
2.根据权利要求1所述的一种信息采集处理控制装置，其特征在于，所述信息采集处理控制装置与从设备之间的连接模式为直连模式、星型模式、环型模式、总线型模式、树型模式、网型模式中的一种或数种。
3.根据权利要求1所述的一种信息采集处理控制装置，其特征在于，主设备采用所述信息采集处理控制装置对从设备进行查询、控制操作，从设备将查询、控制的结果统一汇总发送给主设备；具体包括如下功能：
采集：所述信息采集处理控制装置将从设备视为传感器，采集来自从设备的数据；
处理：所述信息采集处理控制装置将来自从设备和主设备的信息进行处理；
控制：所述信息采集处理控制装置将从设备视为可控设备，将控制指令发送给从设备；
隔离：所述信息采集处理控制装置通过不同端口隔离主设备和从设备；
驱动：主设备通过所述信息采集处理控制装置驱动不同电气特性的从设备，在控制上统一接口。
4.根据权利要求1所述的一种信息采集处理控制装置，其特征在于，所述信息采集处理控制装置的工作模式包括：
S1、透明传输模式：所述信息采集处理控制装置仅转发主设备和传感器的数据，在网络中处于透明状态，主设备和传感器感知不到所述信息采集处理控制装置；
S2、采集处理模式：所述信息采集处理控制装置按照预先配置的数据处理模式，采集并处理所连接设备的数据，并与主设备通信；
S21、转发模式：所述信息采集处理控制装置不做任何处理，将接收的内容立即转发出去；
S22、汇总模式：所述信息采集处理控制装置轮流查询所有已连接设备的信息，将汇总后的信息存储起来，在主设备查询后一次性发送；
S23、算法处理模式：将同组传感器采集到的值，按照指定算法，将传感器采集到的值处理后发给主设备；
S3、处理控制模式：所述信息采集处理控制装置将所连接设备视为接受控制的设备，不再采集信息，而是向所连接设备发送控制信息；
S31、转发模式：转发主设备控制信息，不做任何处理；
S32、拆分模式：将主设备的控制信息，拆分成单条，分别发送至对应的从设备；
S33、算法处理模式：按照指定算法，将主设备的控制信息，进行处理之后，发送至相应的从设备；
S4、复合工作模式：所述信息采集处理控制装置将所连接设备部分视为透明传输部分、部分视为采集处理模式、部分视为处理控制模式，并可实现透明传输模式、采集处理模式、处理控制模式两两组合，或透明传输模式、采集处理模式、处理控制模式全部三种模式；
S5、参数配置模式：主设备或现场操作人员，发送特定数据段对所述信息采集处理控制装置进行配置；
S51、离线设置模式：所述信息采集处理控制装置从系统中断开，在专用的设备上进行配置；
S52、在线设置模式：所述信息采集处理控制装置正常连接在系统中，主设备通过特殊指令在线对所述信息采集处理控制装置进行配置；
S6、备份工作模式：多个所述信息采集处理控制装置共同使用，分为主要装置和备份装置，工作模式有：
S61、多机热备份模式：同时使用多个所述信息采集处理控制装置，连接到同一个网络中，当一台设备故障后，其他设备自动进行替换；主要装置和备份装置没有在主设备中预先设定，主设备认为系统中仅存在一个所述信息采集处理控制装置；
S62、多机冷备份模式：同时使用多个所述信息采集处理控制装置，连接到同一个网络中，当一台设备故障后，由主设备发送控制信息唤醒备用的所述信息采集处理控制装置；
S63、多机在线备份模式：同时使用多个所述信息采集处理控制装置，连接到同一个网络中，主设备分别向多个所述信息采集处理控制装置查询相同的信息，只要有一个所述信息采集处理控制装置可以正常工作，主设备就可以获取对应的信息。
5.根据权利要求1所述的一种信息采集处理控制装置，其特征在于，所述信息采集处理控制装置的数据帧处理的模式有：
单站码模式：适用于从设备单一，报文格式相同的情形；
多站码模式：所述信息采集处理控制装置连接的传感器种类不相同时，为不同类型的传感器设置不同的站码，在仅使用一个本装置情况下，主设备通过站码区分不同类型的传感器。
6.根据权利要求1所述的一种信息采集处理控制装置，其特征在于：主设备连接485A、485B，一组传感器连接485A1、485B1，另一组传感器连接和485A2、485B2；
主设备可通过多个所述信息采集处理控制装置，连接127个以上的从设备。
7.根据权利要求1所述的一种信息采集处理控制装置，其特征在于：当主设备发送查询指令时，所述信息采集处理控制装置将主设备指令不加处理的分别发送到两组传感器；当传感器反馈主设备指令时，所述信息采集处理控制装置将传感器指令不加处理的发送给主设备；主设备和两组传感器感知不到本装置的存在。
8.根据权利要求1所述的一种信息采集处理控制装置，其特征在于：主设备连接所述信息采集处理控制装置，所述信息采集处理控制装置采用交换机连接传感器。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种信息采集处理控制装置的应用，其特征在于：所述信息采集处理控制装置在智能灌溉系统中的应用。
10.如权利要求1-8任一项所述的一种信息采集处理控制装置的应用，其特征在于：所述信息采集处理控制装置在土壤墒情领域的应用。
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2021
- 2021-03-31 CN CN202110348356.4A patent/CN113093604A/zh active Pending
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