CN1318282A - 温室群的智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种温室群的智能控制系统,具有主机、现场总线接口单元、智能变送单元、现场控制单元、传感器、继电器驱动单元。通过该系统自动调整适合各种作物、各种生长期生长的最佳环境条件和最佳营养成分,达到节能、节水、节肥、节省人力、增产、防治病虫害的目的。
Description
本发明涉及一种处理基于现场总线的温室农业计算机管理与控制方法，特别涉及农业温室群的栽培管理、历史数据管理等，以及象温室环境情况下多种传感器可以集中放置的现场传感器的标定、故障诊断、信号处理、信号转换、数据传输以及温室环境调控的方法。
随着我国加入WTO和人们生活水平的日益提高，迫切要求提高农产品质量，增强国际竞争的实力。发展设施农业将满足人们日益增长的绿色食品、环保食品的需求，促进农业产业化的发展，提高国际竞争能力。智能化温室无疑也将日益受到城市和乡村企业家的青睐。将计算机应用于温室农业进行作物栽培管理、环境自动调控、自动配液、自动浇灌是温室农业发展的必然趋势。然而，目前国内市场上尚无针对温室农业的现场总线控制系统及其配套的智能变送单元和控制单元。国外市场上的现场传感器的智能变送单元和控制单元价格昂贵(基金会现场总线的每个智能变送单元约18000.00元)，这种基于现场总线的智能变送单元只是单个传感器，对于集中放置的传感器处理的效率不高，功能单一，而且其价格高得离奇；分布式计算机控制系统的控制单元不是针对集中放置的传感器，而且其中的现场标定、故障诊断、报警等功能一般都放在上位机，加重了上位机的负担。
本发明的目的是为温室农业提供一种基于现场总线的控制系统(FCS)，通过该系统自动调整适合各种作物、各种生长期生长的最佳环境条件和最佳营养成分；通过该系统达到节能、节水、节肥、节省人力、增产、防治病虫害的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：
温室群的智能控制系统，它具有主机、现场总线接口单元、智能变送单元、现场控制单元、传感器、继电器驱动单元，其特征在于：主机用于各温室作物栽培环境参数调控、营养液配方的控制，用于存储、存取各温室作物栽培环境参数的历史数据以及实时显示现在环境参数数据；
现场总线接口单元用于主机与各温室从机连接的PROFIBUS-DP协议芯片的现场总线接口设备；
智能变送单元用于环境参数数据的采集、各传感器的标定、故障诊断以及与总线或PROFIBUS-DP协议芯片通讯的智能变送单元；
现场控制单元用于控制现场设备和与现场总线通讯的现场控制单元；
传感器用于将非电量的温度、湿度、CO2浓度、pH值、EC值、光照强度、液位等转化为可以进行A/D转换的直流信号；
驱动单元用于驱动现场设备的继电器。
在上述技术方案中，根据温室栽培作物的专家知识经验，综合能量最省和作物生长最适宜原则，自动调整温室的环境条件和营养液成分。不同的作物品种、不同的生长期环境参数的上下限和最适宜值，可以由专家设定。所有测量参数和执行结构动作情况都记录在数据库内，查询时可以用图形曲线显示。
本发明中的智能变送单元不同于目前市场上销售的一般的基于现场总线的智能变送单元，也不同于分布式计算机控制系统。不同于前者的是前者针对的只是单个传感器，对于集中放置的传感器处理的效率不高，功能单一，而且其价格昂贵；不同于后者的是：后者主要的不是针对集中放置的传感器，而且其中的现场标定、故障诊断、报警等功能一般都放在上位机，加重了上位机的负担。
本发明选用单片机80C51及其外围电路完成上述功能。首先必须完成传感器的现场的标定，操作者依次输入标定、通道号、标准、斜率，接到标定中断信号后，智能变送单元中断目前进行的一切处理，等待通道号、标准、斜率的输入，根据标准和斜率就可以确定所选通道的传感器的量程、斜率。系统将数据存储在FLASH存储器的一定位置上，直到重新标定为止。程序在每次采集完八路数据以后，就对系统进行故障诊断。如果有故障，智能变送单元将驱动报警器，并将故障诊断结果通过八路指示灯显示出来，同时将故障报告给主机。智能变送单元进行数据采集时，将所采集的传感器的数据进行数字滤波(取中值滤波)后，放入发送缓冲区。程序循环采集八路数据，直到有中断为止。智能变送单元接到主机的轮循后，将当前八路数据和故障报告采用帧处理并将帧数据通过通讯单元传送给主机或现场控制单元。
附图说明图1为本发明结构框图；图2为本发明的程序流程图；图3是智能变送单元的硬件电原理结构图；图4是智能变送单元的程序流程图；图5是现场控制单元的硬件电原理结构图；图6是现场控制单元的程序流程图；
以下结合和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例
参见图1，作物栽培管理系统是安装在主机的应用软件，系统分为三层：底层、中间层、用户层。底层主要是负责系统的底层通讯，包括通讯端口工作方式、波特率的设置、发送的数据的帧处理等。中间层主要是系统资源的管理、作物栽培的知识库、最大最小的推理机制、下位机地址的管理等。用户层主要是为用户设计友好的用户界面，便于用户使用，便于专家知识库的修改等。专家系统根据温室栽培作物的专家知识经验，综合能量最省和作物生长最适宜原则，自动控制天窗、遮阳网等的开关以及通风机和补光灯的启动与停止来调整温室的环境条件；自动报告营养液现在状况，自动控制添加或减少某种营养元素；自动控制营养液的循环。不同的作物品种、不同的生长期环境参数的上下限和最适宜值，可以由专家设定，也可由用户自己设定，可以根据需要随时添加或删除。自动查询智能变送单元、现场控制单元、传感器以及现场总线的故障情况，及时报警。所有测量参数的历史数据和执行结构动作情况都记录在计算机内，可供随时查询、打印。其程序流程图如附图2所示。
智能变送单元和现场控制单元与总线连接可以选择以下方式：一其是通过智能变送单元或现场控制单元的RS-485串行接口和PROFIBUS协议直接接入总线；其二是采用单片包括PROFIBUS协议全部功能的PROFIBUS-DP协议芯片，通过存取智能变送单元或现场控制单元的并行口双端口RAM数据的方式。
智能变送单元的程序流程图如附图4所示。
参见图3，智能变送单元以单片机U1为核心，外围扩展程序存储器U3、数据存储器U4和双端口RAM U8。数据存储器U4用来存放从传感器采集到的数据以及天窗等的状态信息数据，双端口RAMU8用来与现场总线协议芯片PROFIBUS-D交换数据。外围扩展八通道A/D转换器U6。八通道A/D转换器U6与系统总线隔离，在本系统中采用的是光电隔离方式，这样一方面可以使系统内部免受外来干扰的影响，使系统内部正常工作，同时也使外部的模拟电路与数字电路的完全隔离，避免了来自数字电路的干扰。
在系统中通过软件设置并行接口芯片U7的PA、PB、PC口都工作在方式0,PA、PB为输入口分别用作智能变送单元的地址编号和判断传感器是否接入，PC口显示传感器的工作状态。单片机U1用外部I/O口向WATCHDOG周期性地输入高电平和低电平。
智能变送单元针对的是集中放置的传感器，具有现场标定、远程通讯、故障诊断、报警等功能。传感器的现场标定是指如下步骤：操作者依次输入标定、通道号、标准、斜率，接到标定中断信号后，智能变送单元中断目前进行的一切处理，等待通道号、标准、斜率的输入，根据标准和斜率就可以确定所选通道的传感器的量程、斜率。系统将数据存储在FLASH存储器U9的一定位置上，直到重新标定为止；智能变送单元上电复位后，程序从0000H地址开始执行。程序对系统进行初始化，包括如下动作：(1)首先关闭系统的所有中断，设置堆栈，对单片机内部的各种寄存器进行设置。(2)设置并行接口芯片U7的PA、PB、PC口的工作方式为方式0，初始化天窗等的工作状态为停止状态。(3)建立发送数据和接收数据缓冲区。完成全部初始化后，对系统本身和外围扩展的存储器、A/D转换器、并行接口以及通讯接口等器件进行检查，并通过外围的指示灯进行显示或报警。程序在每次采集完八路数据以后，就对系统进行故障诊断。如果有故障，智能变送单元将驱动报警器，并将故障器诊断结果通过指示灯显示出来，同时将故障报告给主机。智能变送单元通过扩展I/O口监测当前传感器工作状态，将其存储在RAM U4中，并将结果通过指示灯显示出来。智能变送单元进行数据采集时，将所采集的传感器的数据进行数字滤波(取中值滤波)后，放入发送缓冲区和双端口RAMU8。程序循环采集八路数据，直到有中断为止。智能变送单元接到主机的轮循后，将当前八路数据和故障报告采用帧处理并将帧数据通过通讯单元传送给主机。
现场控制单元的硬件结构图如图5所示。
现场控制单元的程序流程图如图6所示。
现场控制单元以单片机U1为核心，外围扩展程序存储器U3、数据存储器U4和双端口RAM U10。现场控制单元的通讯部分同智能变送单元的通讯部分。在本单元中通过软件设置并行接口U7、U8的PA、PB、PC口都工作在方式0,PA、PB为输入口，PC为控制口，PA、PB口作为监测执行机构的工作状态和限位状态，PC口作为控制执行机构的启动。PC口光电隔离后通过置位、复位来控制继电器的开关。单片机U1通过锁存器U9读入从站的地址，8位拨动开关按二进制编码，用户可以选用1～254作为从站地址。ON为0,OFF为1。单片机U1通过另一锁存器U11控制指示灯显示故障情况。现场控制单元按如下步骤实现现场监测和现场控制：
上电复位后，系统进行初始化；
80C51读入各执行机构的工作状态、限位状态和故障情况，如果有则显示故障情况并进行报警，存储检测结果并送到双端口RAM，读双端口RAM与主机的握手协议，查是否有命令，如果主机有命令，则执行命令，否则检查是否中断，如果有中断则进行中断处理，否则转入检测。
执行主机命令或进行中断处理，在执行命令后及时检查命令执行结果，如果执行成功，则转入下一步，否则，送执行结果到发送缓冲区。
智能变送单元和现场控制单元之间以及它们和上位机之间的通讯单元采用PROFIBUS-DP协议芯片。通过这种方式就可以按照PROFIBUS协议进行通讯。
传感器包括测量环境参数的传感器(温、湿度，光照、二氧化碳、土壤水分等)以及营养液成分(pH、电导、氮、磷、钾、钙等)，小气象传感器(风速、风向、大气温湿度和大气压等)等，小气象传感器在一个区域只放置一套。
由于执行机构的工作电源为AC220V或AC380，而现场控制单元的输出或输入为0～5V的开关量，因此必须经过继电器驱动单元进行功率驱动或变换为0～5V的开关量。本单元还可以进行手动和自动的切换。在控制同一个天窗的开关、同一个遮阳网的开关时，使正反向动作互相锁定，有效地防止了由于同时启动正反转动作而烧毁电机的事故发生。
每一个温室包括一个测量温室环境参数的智能变送单元、一个测量营养液成分的智能变送单元以及一个智能变送单元，同一地域的温室共用一个气象站和一台PC机。主机程序流程图如图1所示。主机初始化系统后，将主机中设定的该温室作物最适宜值、最大、最小值传给各现场控制单元，读各温室环境参数、小气象参数、营养液各成分含量的数据，并将数据写入数据库。检查数据是否异常，如果有异常进行异常记录并进行报警，如果没有异常则进行参数检查，若参数满足作物正常生长条件，则不进行调控，否则转入调控。现场控制单元接收主站发来的控制参数将其存入到FLASH存储器中，根据现场智能变送单元传来的数据进行现场控制，当接到主站的轮循后，将存储在现场中的执行机构的状态及故障情况等报告上位机。上述调控包括以下内容：
1．温度调控方法分为两种：一种是高于最高温度的情况，另一种是低于最低温度的情况。对于前者，分为几种情况：一种是室外温度低于室内的情况，对于这种情况，卷起四周保温膜，打开天窗，在强光的情况下，拉上遮阳网，启动通风机，如果室外风力足够强但又不至于损坏设施的情况下，则停止通风机利用自然风；另一种室外温度跟室内差不多的情况，对于这种情况，除了前者的措施之外，还必须启动喷淋；对于后者，放下保温膜，关闭天窗，启动热风机，加温范围在最低温度和最适宜值之间，如果是在夜晚，就拉上遮阳网。
2．湿度调控方法可以分为高湿和低湿两种情况。前者有高温高湿和低温高湿两种情况，对于高温高湿情况采取的措施是：卷起四周保温膜，打开天窗，禁止喷淋，启动通风机，如果室外风力足够强但又不至于损坏设施的情况下，则停止通风机利用自然风；对于低温高湿的情况采取的措施是：放下保温膜，关闭天窗，启动热风机，加温范围在最低湿度和最适宜值之间，如果是在夜晚，就拉上遮阳网。对于后者有低湿高温和低湿低温两种情况，对于低湿高温的情况采取喷淋措施；对于低温低湿的情况，除采取保温和增温的措施外，同时采用热水喷淋的措施。
3．光照强度的调控方法分为遮光和补光两种情况。对于强光采取的措施就是拉上遮阳网。对于补光的情况是指持续半天光照度低于30001x以下，如果下半天仍然低于30001x则必须采补光措施。夜晚将禁止补光的操作。
4．CO2浓度的控制方法一般是在11:00～13:00进行CO2施肥，在温度较高的情况下，卷取保温膜，打开天窗，启动通风机，就不需要进行CO2施肥了，如果室外风力足够强但又不至于损坏设施的情况下，则停止通风机利用自然风。
5．对营养液的控制是采用1∶200的母液盛放在三个母液桶里，根据营养液的成分控制母液桶的电磁阀的开关。根据液位传感器计算待调节的营养液的体积，根据设定的浓度来计算需要的母液的量，根据需要母液的量来控制电磁阀开启的时间。
本发明的有益效果是：温室群的智能控制系统自动调整各种作物、各种生长期生长的最佳环境条件和最佳营养成分，达到节能、节水、节肥、节省人力、防治病虫害的目的，满足人们日益增长对绿色食品、环保食品的需求。
Claims (10)
1．一种温室群的智能控制系统，它具有主机、现场总线接口单元、智能变送单元、现场控制单元、传感器、继电器驱动单元，其特征在于：
主机用于各温室作物栽培环境参数调控、营养液配方的控制，用于存储、存取各温室作物栽培环境参数的历史数据以及实时显示现在环境参数数据；
现场总线接口单元用于主机与各温室从机连接的PROFIBUS-DP协议芯片的现场总线接口设备；
智能变送单元用于环境参数数据的采集、各传感器的标定、故障诊断以及与总线或PROFIBUS-DP协议芯片通讯的智能变送单元；
现场控制单元用于控制现场设备和与现场总线通讯的现场控制单元；
传感器用于将非电量的温度、湿度、CO2浓度、pH值、EC值、光照强度、液位等转化为可以进行A/D转换的直流信号；
驱动单元用于驱动现场设备的继电器。
2．根据权利要求1所述的温室群的智能控制系统，其特征在于：主机内安装作物栽培管理系统应用软件，系统分为三层：
其中底层负责系统的底层通讯，包括通讯端口工作方式、波特率的设置、发送数据的帧处理等；
其中中间层是系统资源的管理、作物栽培的知识库、最大最小的推理机制、下位机地址的管理等；
其中用户层是为用户设计友好的用户界面，便于用户使用，提供添加知识库工具等。
3．根据权利要求1所述的温室群的智能控制系统，其特征在于：智能变送单元和现场控制单元与总线连接可以选择以下方式：其一是通过智能变送单元或现场控制单元的RS-485串行接口和PROFIBUS协议直接接入总线；其二是采用单片包括PROFIBUS协议全部功能的PROFIBUS-DP协议芯片，通过存取智能变送单元或现场控制单元的并行口双端口RAM数据的方式。
4．根据权利要求1所述的温室群的智能控制系统，其特征在于：传感器按如下步骤进行现场标定：操作者依次输入标定、通道号、标准、斜率，接到标定中断信号后，智能变送单元中断目前进行的一切处理，等待通道号、标准、斜率的输入，根据标准和斜率就可以确定所选通道的传感器的量程、斜率，系统将数据存储在FLASH存储器的一定位置上，直到重新标定为止。
5．根据权利要求1所述的温室群的智能控制系统，其特征在于：故障诊断、报警是指对系统本身和外围扩展的存储器、A/D转换器、并行接口以及通讯接口等器件进行检查，并通过外围的指示灯进行显示或报警；程序在每次采集完八路数据以后，就对系统进行故障诊断；如果有故障，智能变送单元将驱动报警器，并将故障诊断结果通过八路指示灯显示出来，同时将故障报告给主机；远程通讯是指将所采集的传感器的数据进行数字滤波(取中值滤波)后，放入发送缓冲区和双端口RAM，通过RS-485远程传送或通过PROFIBUS-DP取走双端口RAM；
6．根据权利要求3所述的温室群的智能控制系统，其特征在于：当上电复位程序对现场控制单元进行初始化后，现场控制单元循环检测本单元的各个组成部分，将检测结果放在发送缓冲区或双端口RAM，遇有异常情况，将故障部分通过指示灯显示出来，并报警；之后，读各I/O口将端口字节存入发送缓冲区或双端口RAM，再读双端口RAM查是否有控制或存取命令，循环往复，直到有中断为止。
7．根据权利要求6所述的温室群的智能控制系统，其特征在于：传感器包括测量环境参数的传感器(温、湿度，光照、二氧化碳等)以及营养液成分的传感器(pH、电导等)，小气象传感器(大气温度、湿度和光照强度等)，以及用于控制抽取营养液的液位传感器等。
8．根据权利要求1所述的温室群的智能控制系统，其特征在于：继电器单元采用3～5V直流直接驱动AC220V或AC380V的固态继电器，在控制同一个天窗的开关、同一个遮阳网的开关时，使正反向动作互相锁定，防止由于同时启动正反转动作传感器包括测量环境参数的传感器(温、湿度、光照、二氧化碳等)以及营养液成分的传感器而烧毁电机的事故发生。
9．根据权利要求1或7或8所述的温室群的智能控制系统，其特征在于，其最小系统需要一个智能变送单元、一个现场控制单元、环境参数传感器、(如果有营养液的话还需要营养液传感器)、小气象传感器、三个PROFIBUS-DP芯片(主机一个、智能变送单元一个、现场控制单元一个)、一个继电器驱动单元。
10．根据权利要求9所述的温室群的智能控制系统，其特征在于，在最小系统的基础上，各温室的智能变送单元、现场控制单元都可以挂接在总线上。
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- 2001-03-29 CN CN01108171A patent/CN1318282A/zh active Pending
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