CN202565866U - 一种基于fpga和无线射频rf的温室智能控制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置，包括室外FPGA控制器、室内FPGA控制器、温室环境控制执行机构、上位机监控系统和温室环境控制柜，室外FPGA控制器连接室外环境参数检测传感器，室内FPGA控制器连接室内环境参数监控传感器；室外FPGA控制器和室内FPGA控制器分别通过RF无线射频模块连接上位机监控系统，上位机监控系统和温室环境控制柜连接，温室环境控制执行机构通过执行机构驱动电路与室内FPGA控制器、上位机监控系统和温室环境控制柜中的至少一种连接。本实用新型采用FPGA和RF无线射频技术结合，实现数据无线传输方式的温室智能控制装置，改善传统大型多栋温室环境监控设备的缺陷。

Description

一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置

技术领域

本实用新型涉及温室环境智能控制，为一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置。

背景技术

现有技术中，温室环境控制装置多数采用可编程控制器PLC和单片机等控制单元，通过有线方式连接，实现温室环境参数采集与控制。大型温室要实现智能控制，需实时采集温室室内外的环境参数，所以在温室室内外合理布置各种传感器，实时采集相应环境参数，为实现智能控制提供控制依据。通过控制单元控制各种输出设备，如遮阳网、天窗等，实现对温室环境的智能控制。

在大型温室中需使用很多传感器以及外围执行机构，如果各种输入设备和输出设备，均采用有线方式连接，那么在温室室内和室外，需要使用大量的连接线，给温室环境智能控制的设备安装带来很大的不便，并且提高了温室环境监控的成本，以及设备后期维护与位置调整带来不便。传统控制单元采用PLC和单片机较多，由于其IO接口有限，已不适合现代大型多栋温室环境智能控制。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：现有温室环境控制系统接线复杂，不易维护，不能满足大型多栋温室环境智能控制。

本实用新型的技术方案为：一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置，包括室外FPGA控制器、室内FPGA控制器、温室环境控制执行机构、上位机监控系统和温室环境控制柜，室外FPGA控制器连接温室室外环境参数检测传感器，室内FPGA控制器连接温室室内环境参数监控传感器以及温室环境控制柜；其中室外FPGA控制器和室内FPGA控制器分别通过RF无线射频模块连接上位机监控系统，上位机监控系统和温室环境控制柜之间数据连接，温室环境控制执行机构通过执行机构驱动电路与室内FPGA控制器、上位机监控系统和温室环境控制柜中的至少一种连接。

所述温室室外环境参数检测传感器包括温度传感器、湿度传感器、太阳总辐射传感器、风速传感器和风向传感器，各传感器的信号经A/D模数转换器，通过有线或无线方式输出至室外FPGA控制器，各传感器检测范围分别为：温度传感器0～80℃，湿度传感器0～100％，太阳总辐射传感器0～2000W/m²，风速传感器0～30m/s，风向传感器0～360°，正北向为0°。

所述温室室内环境参数监控传感器包括温度传感器、湿度传感器、光照度传感器和土壤湿度传感器，所述各传感器位于温室内，通过RF无线射频模块连接室内FPGA控制器，各传感器检测范围分别为：温度传感器0～80℃，湿度传感器0～100％，光照度传感器0～60000Lux，土壤湿度传感器0～100％。

室外FPGA控制器、室内FPGA控制器与上位机监控系统连接的RF无线射频模块天线增益倍数为14DB，室内FPGA控制器与温室室内环境参数监控传感器连接的RF无线射频模块天线增益倍数为5DB。

所述温室环境控制执行机构包括：外遮阳网开电机、外遮阳网关电机、内遮阳网开电机、内遮阳网关电机、天窗开电机、天窗关电机、滴灌设备、通风设备、增温设备和喷淋设备。

本实用新型创造的有益效果是：

(1)无线数据传输方式：本实用新型改善传统温室环境控制方式，温室环境参数数据传输采用无线方式，为大型多栋温室环境智能控制设备安装带来便利，节约温室环境监控设备成本，为设备维护与位置调整带来便利。

(2)温室环境控制模式：本实用新型温室环境控制装置具有三种控制模式：智能控制模式、远程手动控制模式和现场手动控制模式；室内FPGA控制器根据实时采集的各传感器数值，调用预先编写的智能控制模式程序，自动控制调节执行机构的动作状态，从而实现温室环境自调节功能；温室管理人员可通过上位机监控系统，实现远程手动控制执行机构的动作状态；温室管理人员也可以通过温室环境控制柜手动控制执行机构。

(3)上位机监控系统：在上位机监控系统中，可实时显示各温室中环境参数，可分别设置各传感器信号采集频率，并将采集的各传感器数值保存到数据库中，以便后期的查询与分析使用。

(4)采用FPGA控制器：本实用新型采用FPGA控制器，具有IO接口丰富、运行速度快以及内部程序可并行运行等优点。

本实用新型特别适用于大型多栋温室环境智能控制以及温室离监控室较远的场合。

附图说明

图1为本实用新型温室环境智能控制装置整体结构示意图。

图2为本实用新型温室室外环境参数检测部分结构示意图。

图3为本实用新型温室室内环境参数监控部分结构示意图。

图4为本实用新型上位机监控系统结构示意图。

图5为本实用新型温室环境控制柜面板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型进一步的描述，但其不代表为本实用新型的唯一实施方式。

如图1所示，温室智能控制装置包括以下几部分：温室室外环境参数检测、温室室内环境参数监控、上位机监控系统和温室环境控制柜。温室室外环境参数检测部分，由室外FPGA控制器通过温度传感器、湿度传感器、太阳总辐射传感器、风速传感器和风向传感器，采集室外环境参数，并实时更新室外FPGA控制器中的数值。由于室外环境参数分布均匀，通常各传感器仅使用一个即可，所以各传感器可以通过有线方式直接连到FPGA控制器上，也可采用RF无线射频模块将数据传给FPGA控制器。温室室内环境参数监控部分，由室内FPGA控制器通过温度传感器、湿度传感器、光照度传感器和土壤湿度传感器，采集温室室内环境参数，并实时更新当前温室中室内FPGA控制器中的数值。由于大型温室室内部环境参数通常不是均匀分布的，为实现精准控制温室环境，所以需在温室中主要位置合理布置各种传感器，因此大型多栋温室中布置传感器数量较多，所以采用传统有线方式连接，布线复杂以及后期位置调整和设备维护带来不便。本实用新型中温室室内各传感器采用RF无线射频技术，将数据无线传输给室内FPGA控制器。上位机监控系统主要实现温室室内和室外的环境参数采集、显示、存储和远程手动控制温室环境控制执行机构。在上位机软件中可分别设置各传感器信号采集频率，将实时采集的环境参数现在监控界面中，并保存到数据库中。温室环境控制柜，通过室内FPGA控制器实现在温室现场手动控制温室环境控制执行机构。

本实用新型是针对大型多栋温室环境控制，各温室中FPGA控制器与室外FPGA控制器均通过大功率天线将数据传到与监控系统连接的RF无线模块中。室外环境参数检测装置数据传输格式为：FPGA设备号/节点号/温度/湿度/太阳总辐射/风速/风向，其中除太阳总辐射为双字节，其他参数均为单字节，共8个字节。温室室内环境参数监控装置数据传输格式为：FPGA设备号/节点号/温度/湿度/光照度/土壤湿度传感器/执行机构状态符，其中除光照度为双字节，其他参数均为单字节，共8字节。温室室内和室外的FPGA控制器都是通过大功率RF无线射频模块每次发送8字节数据到上位机RF无线射频接收模块中。

温室室内各传感器节点采用小功率RF无线射频模块，将数据发送到当前温室中的室内FPGA控制器中。因为各节点发送数据到室内FPGA控制器时，数据中包含相应的FPGA设备号，所以各温室室内FPGA控制器能够识别接收到的数据是否为该温室中的节点，如果是该温室中节点，则更新各环境参数，否则不做处理。

如图2，温室室外环境参数检测传感器主要包括温度传感器、湿度传感器、太阳总辐射传感器、风速传感器、风向传感器，室外FPGA控制器设有RF无线射频模块与上位机监控系统通讯。各传感器通过A/D转换，将模拟量转换为数字量，实时更新室外FPGA控制器中数值，并等待上位机监控系统采样查询。RF无线射频模块采用大功率天线，实现远距离数据传输，其中各传感器检测范围分别为：温度传感器0～80℃，湿度传感器0～100％，太阳总辐射传感器0～2000W/m²，风速传感器0～30m/s，风向传感器0～360°(正北向为0°)，RF无线射频模块天线增益倍数14DB。

如图3，温室室内环境参数监控传感器主要包括温度传感器、湿度传感器、光照度传感器和土壤湿度传感器，室内FPGA控制器设有RF无线射频模块与上位机监控系统通讯，并通过执行机构驱动电路连接温室环境控制执行机构。温室内各传感器节点设有采用小功率天线的RF无线射频模块，实时更新当前室内FPGA控制器中数值，并等待上位机监控系统采样查询。室内FPGA控制器的RF无线射频模块采用大功率天线，实现远距离数据传输。各传感器检测范围分别为：温度传感器0～80℃，湿度传感器0～100％，光照度传感器0～60000Lux，土壤湿度传感器0～100％，所述小功率RF无线射频模块天线增益倍数：5DB，大功率RF无线射频模块天线增益倍数：14DB。

执行机构主要包括：外遮阳网开电机、外遮阳网关电机、内遮阳网开电机、内遮阳网关电机、天窗开电机、天窗关电机、滴灌设备、通风设备、增温设备、喷淋设备。执行机构共有三种控制方法：(1)室内FPGA控制器根据实时环境参数，调用预先编写的环境智能控制程序，控制执行机构状态，实现温室环境自调节功能；(2)通过上位机监控系统，实现远程手动控制执行机构状态；(3)通过温室内设备控制柜实现现场手动控制执行机构。

执行机构驱动电路根据FPGA控制器输出状态，控制各继电器接通或断开，实现各执行机构开与关。外遮阳网、内遮阳网和天窗具有极限状态，在控制电路中包含极限位置保护。当电机达到极限位置时自动切断电源，起到保护作用。

如图4，上位机监控系统主要实现功能包括：温室室内与室外环境参数采集、显示、存储以及远程手动控制执行机构。数据采集通过RF无线射频模块实现，RF无线射频模块天线采用大功率天线，能够实现远距离读取分布于室外或室内的FPGA控制器上的实时环境参数。可设置不同的信号采集频率，并将各传感器数值保存到数据库中，以便后期的查询与分析使用。室外环境参数显示包括：温度、湿度、太阳总辐射、风速和风向；室内环境参数显示包括：温度、湿度、光照度和土壤湿度，可通过选择温室号和节点号，显示相应温室中室内FPGA控制器中的实时数据，其中温室号与FPGA设备号是一一对应关系；采集频率设置：监控软件按设置的信号采集频率，获取各温室中室内FPGA控制器中的数据，并将数据按温室号分别存入数据库中，以备后期查询与分析。远程手动控制执行机构：可通过控制界面实现远程手动控制执行机构，主要包括：执行机构总电源开关、外遮阳网电机开关停、内遮阳网电机开关停、天窗电机开关停、滴灌设备开关、通风设备开关、增温设备开关、喷淋设备开关。

如图5，本实用新型温室环境控制柜主要实现温室现场手动控制功能，包括总电源停、总电源开、外遮阳网开关停、内遮阳网开关停、天窗开关停、喷淋开关、滴灌开关、增温开关、通风开关。

FPGA控制器外围IO接口丰富，并且FPGA运行速度快以及内部程序可并行运行，所以采用FPGA控制器和RF无线射频技术结合，实现大型多栋温室环境智能控制，将大大改善传统温室环境控制存在的局限性。本实用新型采用FPGA和RF无线射频技术结合，实现数据无线传输方式的温室智能控制装置，改善传统的大型多栋温室环境监控设备存在的缺陷：控制器IO接口有限，需添加外围IO接口电路，设备使用的稳定性降低；温室环境监控传感器均采用有线方式连接，连线多、布线复杂、设备维护和位置调整困难等缺点。

Claims (6)

1.一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置，其特征是包括室外FPGA控制器、室内FPGA控制器、温室环境控制执行机构、上位机监控系统和温室环境控制柜，室外FPGA控制器连接温室室外环境参数检测传感器，室内FPGA控制器连接温室室内环境参数监控传感器以及温室环境控制柜；其中室外FPGA控制器和室内FPGA控制器分别通过RF无线射频模块连接上位机监控系统，上位机监控系统和温室环境控制柜之间数据连接，温室环境控制执行机构通过执行机构驱动电路与室内FPGA控制器、上位机监控系统和温室环境控制柜中的至少一种连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置，其特征是所述温室室外环境参数检测传感器包括温度传感器、湿度传感器、太阳总辐射传感器、风速传感器和风向传感器，各传感器的信号经A/D模数转换器，通过有线或无线方式输出至室外FPGA控制器，各传感器检测范围分别为：温度传感器0～80℃，湿度传感器0～100％，太阳总辐射传感器0～2000W/m²，风速传感器0～30m/s，风向传感器0～360°，正北向为0°。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置，其特征是所述温室室内环境参数监控传感器包括温度传感器、湿度传感器、光照度传感器和土壤湿度传感器，所述各传感器位于温室内，通过RF无线射频模块连接室内FPGA控制器，各传感器检测范围分别为：温度传感器0～80℃，湿度传感器0～100％，光照度传感器0～60000Lux，土壤湿度传感器0～100％。

4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置，其特征是室外FPGA控制器、室内FPGA控制器与上位机监控系统连接的RF无线射频模块天线增益倍数为14DB，室内FPGA控制器与温室室内环境参数监控传感器连接的RF无线射频模块天线增益倍数为5DB。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置，其特征是所述温室环境控制执行机构包括：外遮阳网开电机、外遮阳网关电机、内遮阳网开电机、内遮阳网关电机、天窗开电机、天窗关电机、滴灌设备、通风设备、增温设备和喷淋设备。

6.根据权利要求3所述的一种基于FPGA和无线射频RF的温室智能控制装置，其特征是所述温室环境控制执行机构包括：外遮阳网开电机、外遮阳网关电机、内遮阳网开电机、内遮阳网关电机、天窗开电机、天窗关电机、滴灌设备、通风设备、增温设备和喷淋设备。

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