CN2879257Y - 基于多主通讯机制的多个温室群控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属现代农业领域，具体涉及一种基于多主通讯机制的多个温室群控装置。由控制室、EC传感器、温室环境控制器、温室执行机构、温室环境传感器、室外气象站、PH传感器、灌溉营养液控制阀、灌溉营养液控制泵组成，控制室由监控管理计算机和嵌入式数据集中器组成，两者通过RS232数据总线相联，嵌入式数据集中器通过模拟信号线分别与EC、PH传感器、灌溉营养液控制阀相联，同时通过三相交流接触器与灌溉营养液控制泵相联，并通过RS485总线分别与温室环境控制器、室外气象站相联；温室环境控制器通过模拟信号线与温室环境传感器相联，同时通过三相交流接触器与温室执行机构相联。本实用新型利用环境控制设备对温室内的环境条件进行有效控制，采用连续生产、管理方式，不受地点和气候影响，有效改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，提高经济效益。

Description

基于多主通讯机制的多个温室群控装置

技术领域

本实用新型属现代农业工程领域，具体涉及一种低成本、高可靠性的基于多主通讯机制的多个温室群控装置。

背景技术

设施农业是依靠科技进步而形成的高新技术产业，是农业工程学科中最具典型的分支学科。它是传统农业走向现代农业的重要基础，是农业实现大规模商品化、现代化的集中体现，是农业实现高产、优质、高效的有效措施，也是提供新鲜农产品的重要技术措施。在21世纪，设施农业将成为最具活力的农业新产业。

我国目前除一些大城市近郊外，蔬菜设施一般都是因地制宜、就地取材建立的简易保护设施，抵御自然灾害能力和耐久性差，在低温、霜冻、台风、高温期间栽培作物常受伤害，在一定程度上仍受制于自然环境的影响，安全性、增产、增收的稳定性得不到保障。设施内作业以手工为主，按照传统的作业方式和经验进行管理。一些自动化、机械化、智能化环境调控技术等现代高新技术还刚刚起步，工作效率低，作业环境差，产量水平低，产品质量满足不了市场的需求。与发达国家相比，我国的现代设施农业水平还有较大差距，尤其是在高、中档温室中，能真正达到温室环境综合控制要求的计算机控制系统基本上靠引进。

目前所使用的基于计算机的温室环境的控制系统主要有：集中式控制系统、现场总线控制系统、集散式控制系统等。

集中式控制系统就是用一台计算机直接控制调节阀等执行机构，使被调量保持在给定值。它主要由被控对象、监测仪表、执行器和工业控制机组成，具有运算速度快、运算能力强和节能降耗等优点，但对计算机的可靠性要求高。在温室控制中适合于控制点数集中、规模小、控制机房和温室距离近的情况。控制计算机完成对各温室环境因子以及室外气象的信息采集，然后根据相应的控制算法，操作各执行机构完成温室环境的自动调控。各温室与中央控制单元采用直接电缆连接。当温室数量少时可以采用这种方案，而温室数量较多时就会有明显的局限性，主要表现在：当计算机发生故障时，整个系统就会发生瘫痪，在温室控制对象增加的情况下，用于数字I/O信号、模拟量信号传输的信号线将大大增加，由于所有的控制线及信号线都要接到中央控制室，使得安装、调试和维护很困难，且成本也将大幅度上升。如果需要在系统中添加温室数量，则工控板卡如I/O板卡、模拟量采样板卡等，以及系统软件都需要作较大的调整，其扩展能力较差。

现场总线控制系统[Jose 1999，Carlos 2001，Editorial 2001，Editorial 2000A，Murali 1999，Editorial 2000B]

现场总线是用于现场仪器与控制系统之间的一种全分散、全数字化的双向、多变量、多站通讯系统，按ISO的OSI标准提供网络服务，具有很高的可靠性、实时性和稳定性。现场总线控制系统是在集散控制系统基础上发展起来的一种新型的控制系统。它的主要特点是采用了国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(OSI)模型，从而使得系统有很好的开放性、互换性和互操作性。另外，现场总线大幅度提高了总线通讯的能力，使之能够适应更为复杂的工业控制系统的需要。在设施农业发达国家，现场总线技术已广泛应用于温室环境控制。

现场总线控制系统完全是分散式的体系，体系总线一直延伸到现场仪表，构成现场体系网络。每台现场仪表是网络上的一个节点，节点之间可采用各种通信方式，即具有多功能的现场仪表可以相互交换数据、相互操作和相互取代，很多控制与运算功能可直接在现场仪表中完成，构成分散I/O、分散控制和分散运算的分布网络，其控制全部分散到现场，控制回路由现场设备实现。在我们的低成本温室环境调控系统中，几乎所有的现场仪表都不是智能仪表且都没有提供现场总线的网络接口。如果采用现场总线控制系统，必须为各个现场设备配置现场总线的网络接口，这将大大增加整个系统的成本。如果只是利用高性能的现场总线构成一个集散控制系统，又没有真正发挥现场总线系统的优势。

本系统中，每一个温室对应一个采集站点和一个调控站点，各采集站点构成数据采集子系统，各调控站点构成环境调控子系统。数据采集子系统完成各温室环境因子的数据采集，通过射频(Radio Frequency)等无线传输的方式将数据发送到控制计算机。当需要增加系统的智能等级时，就要测量和控制许多参数，这意味着要增加传感器的数量，如果采用直接电缆连接就会受到严重限制，而传感器网络采用无线连接可避免此问题。另一方面，可以根据环境和作物的不同限制，方便地把传感器放置于适宜的位置，这就增加了系统的灵活性，减少农事作业(如收割)带来的干扰。

环境调控子系统与控制计算机通过CAN总线连接，每个温室节点上都有一个CAN总线控制器，接收控制计算机发来的命令，完成对各执行机构的控制。控制计算机上装有CAN总线接口板，在获取温室内外环境信息后，根据控制算法的计算结果，向环境调控子系统发出控制指令，完成对整个温室群的控制。另外，控制计算机通过无线连接或电话线与远端的管理计算机相联接，管理计算机又连接在互连网上。这样，远程管理者在获取温室内外的气象信息后，可以进行远程控制，如改变传感器的配置、设置点数和控制策略。此外，还可以进行远程系统维护，某种程度上可以减少维护成本。但其造价昂贵，且对数据交换网络有很高的要求，不适合我国现阶段的国情。

集散式控制系统

集散控制系统又称分布式控制系统，可以实现多层次功能如控制层、监督控制层、决策管理层和计划调度层等，它采用一个或多个控制单元对回路进行控制，其控制回路分散到一些控制板一级的节点上，每个控制节点又有多个回路。因而具有控制分散和信息集中、高度的灵活性和可扩展性、较强的数据通信能力、友好而丰富的人机联系、极高的可靠性等优点，这使其在工业测控领域得到了广泛的应用。

传统的现场控制方案存在着一些缺陷，其物理层一般采用EIA RS-485规范的主从式结构，网络上只能有一个主节点，其余均为从节点。其潜在的危害是无法构成多主结构或冗余(容错)结构的系统，系统的工作可靠性、稳定性对主节点的依赖性较强。其通讯方式一般为命令响应型，网络上任一次数据传输都是由主节点发出命令开始，从节点接到命令后，以响应的方式传给主节点。这一特点使得网络上的数据传输效率大大降低，且主节点通讯工作量很大，通讯方式不够灵活。

在RS485总线构筑的半双工通讯系统中，一般采用主从通讯模式，即整个系统中只有一个节点为主节点，总线上的所有其它节点都是从节点。通讯方式一般是主节点循环轮询(POLL)各个从节点。各个从节点都有自己的网络通讯识别号，当主节点的轮询信息中包含自己的网络通讯识别号时，此从节点则对此帧进行应答，其它节点则忽略此帧，不做任何处理。这种软件模式一般不会引起总线数据冲突，但其也存在着一些局限性：

主节点通讯负担较重。在系统工作的整个流程中，主节点都担负着循环轮询各个从节点的通讯工作，其CPU通讯负担较重。一定意义上讲，会对其完成其它系统工作造成一定的影响。

整个系统“危险”集中。在整个系统中，主节点的工作可靠性和稳定性是整个系统稳定、可靠工作的前提和保证。一旦主节点发生故障，将导致整个系统的崩溃。

系统通讯效率较低。因为无论某一个从节点是否需要发送数据，或需要使用总线，都要等到主节点循环轮询到自身，从而使得系统的通讯效率较低，总线的利用率也较低。

系统实时性较差。因其通讯的效率较低，使得从节点有实时性要求的帧信息得不到及时发送，从而使得系统的实时性能力较差。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种结构简单、通讯速率高、传输距离远、使用的传输线较少的基于多主通讯机制的多个温室群控装置。

本实用新型提出的的基于多主通讯机制的多个温室群控装置，由控制室、EC传感器4、温室环境控制器3、温室执行机构6、温室环境传感器7、室外气象站8、PH传感器9、灌溉营养液控制阀10、灌溉营养液控制泵5等组成，其结构如图1所示。控制室由监控管理计算机1和嵌入式数据集中器2(滴灌首部控制器)组成，监控管理计算机1和嵌入式数据集中器2通过RS232数据总线相联，嵌入式数据集中器2通过模拟信号线分别与灌溉营养液管道的EC传感器4和PH传感器9相联，嵌入式数据集中器2通过模拟信号线连接灌溉营养液控制阀，嵌入式数据集中器2通过三相交流接触器11与灌溉营养液控制泵5相联；嵌入式数据集中器2通过RS485总线分别与温室环境控制器3、室外气象站8相联；温室环境控制器3通过模拟信号线与温室环境传感器7相联，温室环境控制器3通过三相交流接触器11与温室执行机构6相联。

本实用新型中，温室环境控制器3为n个，n为1-128。

本实用新型中，各个温室环境控制器3是并联。

本实用新型中，温室执行机构6由热风机加热装置18、内外喷淋装置19、湿帘风机装置20、二氧化碳施放装置21、天窗、侧窗三相电机22、内外膜三相电机23组成，热风机加热装置18、内外喷淋装置19、湿帘风机装置20、二氧化碳施放装置21、天窗、侧窗三相电机22、内外膜三相电机23分别通过三相交流接触器11连接温室环境控制器3，其结构如图2所示。

本实用新型中，温室环境传感器由温度传感器12、湿度传感器13、二氧化碳浓度传感器14、天窗行程开关15、侧窗行程开关16、内外膜行程开关17组成，温度传感器12、湿度传感器13、二氧化碳浓度传感器14、天窗行程开关15、侧窗行程开关16、内外膜行程开关17分别通过模拟信号线连接温室环境控制器3，其结构如图2所示。

本实用新型中，室外气象站为购买的一个监测室外气象信息的一个设备，相当于一个带数据通讯功能的传感器，主要负责采样室外光照强度、室外风速、室外风向、室外雨量、室外温度、室外湿度。

本实用新型采用集散控制系统架构构成温室环境计算机控制系统，物理层用半双工的EIA RS485规范。在多种串行接口标准中，RS485接口以其结构简单、通讯速率高、传输距离远、使用的传输线较少，在长距离通讯时比较经济等诸多优点，在集散式工业控制系统中得到了广泛应用。采用集散式控制系统可以有效地克服集中式控制系统的局限性。一方面，温室控制器中可以存贮控制算法，当中央计算机出现故障时，则启动该算法，完成对各执行机构的必要控制，以达到分散风险的目的；另一方面，RS485采用差分电平传输，只需两根信号线，同时可以方便地增加温室控制节点数目。

监控和管理计算机通过RS232全双工通讯接口与嵌入式数据集中器进行数据交换，嵌入式数据集中器、室外气象站装置与各个温室的嵌入式控制器通过RS485半双工差分数据总线构成集散控制系统。

本实用新型中，嵌入式数据集中器和各嵌入式温室控制器都具有一定的数据处理和存储能力，这样可以保证在监控和管理计算机短期失效的情况下，整个装置仍然可以正常工作，保证了装置的可靠性和稳定性。由此，本实用新型可以采用普通的PC机代替工业控制机，从而进一步降低成本。监控和管理计算机在装置中完成用户和温室控制的人机交互、参数设定、数据统计管理以及需要高速运算的数据处理等功能。

嵌入式数据集中器需要完成RS485总线数据与监控和管理计算机数据交换的功能。同时还承担着滴灌首部的控制功能。嵌入式数据集中器的引入，能对发往监控和管理计算机的数据进行预处理，缓解了PC机的通讯压力，提高了数据交换的效率。

室外气象站装置为整个温室环境控制装置提供外部环境六大因子的实时参数，它们包括：室外光照、室外温度、室外湿度、室外风速、室外风向、室外雨量。它在RS485总线上是唯一一个从机，装置中只有其它节点向它申请数据发送，它不向其它节点申请数据。

嵌入式温室控制器完成各个相对独立温室的环境调控任务，并将各个时间点的运行帧数据上传监控和管理计算机。

本实用新型工作过程如下：

当需要启动整个系统对温室环境进行计算机自动控制管理时，将温室环境控制的理想值(如：期望温室温度为25摄氏度，期望温室相对湿度为80％，期望二氧化碳浓度为580ppm)输入计算机装置，然后进入软件系统的自动运行模式。计算机将相关控制参数及控制命令通过RS232通讯接口下发至嵌入式数据集中器中，嵌入式数据集中器将相关命令译码后与温室环境控制器通过RS485通讯总线进行数据交换，将这些相关控制参数及控制命令下传至各个温室环境控制器。温室环境控制器通过同处在RS485总线上的气象站获取温室外部的相关气象信息(包括室外温度、室外湿度、室外风速、室外风向、室外雨量、室外光照强度)，并通过采样各室内传感器获取温室内的相关参数(如室内温度、室内湿度、室内二氧化碳浓度等)，然后依据这些参数以达到用户设定的理想值进行运算协调，并根据运算结果控制驱动温室内的各执行机构，通过各执行机构的协调工作，以达到用户设定的理想控制目标。同时，温室环境控制器也将相关控制信息和传感器信息储存并在总线空闲时上传嵌入式数据集中器，并储存在计算机的数据库中，以便用户进行维护和管理。

本实用新型的RS485通讯引入了多主通讯机制，即使计算机或嵌入式数据集中器发生故障时，温室环境控制器仍可利用总线申请到室外气象站的各室外气象信息，再利用存储在温室环境控制器的控制算法对温室环境进行合理、有效的调节和控制，保证温室环境控制的正常工作，大幅度提高了系统的可靠性和稳定性。

本实用新型在RS485总线构筑的半双工通讯系统中引入多主发送的通讯方式。即在整个装置中，所有节点在总线空闲时都能成为总线上的主节点而向总线发送数据。装置采用了这种工作方式后，装置中已经没有主、从节点之分，各个节点对总线的使用权限是平等的，从而有效避免了个别节点通讯负担较重的情况。总线的利用率和装置的通讯效率都得以大大提高，从而也使装置响应的实时性得到改善。而且即使装置中个别节点发生故障，也不会影响其它节点的正常通讯和正常工作，这样使得装置的“危险”分散了，某种程度上来说增强了装置的工作可靠性和稳定性。

要完成RS485总线中节点的多主功能，首先要解决在同一时间有几个节点同时争用传输介质的问题，需要采用某种介质访问控制方式，以便协调各节点访问介质的顺序，从而在各节点之间传输数据。本实用新型在RS485半双工网络中引入CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)的工作机制。当任何一个节点需要使用总线时，首先需侦听总线，以决定介质上是否存在其它节点的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则需要采用网络退避算法等待一段时间后再重试。

在硬件接口上首先本实用新型将RS485接口芯片的数据接收引脚通过一反相器接至CPU的中断引脚INT0。当总线上有数据正在传输时，RS485接口芯片的数据接收端表现为变化的高低电平。利用其产生的CPU下降沿中断，可以得知此时总线是否正“忙”，即总线上是否有节点正在通讯。如果侦听到总线上在一段时间内(这段时间可以根据装置的通讯协议的应答时间而定)“空闲”，则可以得到对总线的使用权限。如果恰巧此时有不少于2个以上的节点同时使用总线(可以通过发送与接收的数据是否一致侦测出)，则同时让出总线进行避障。然后在一段随机延时后，再重新侦听。这样就能解决因为多主而带来的总线冲突的问题。在此基础上还可以定义各种消息的优先级，使高优先级的消息得以优先发送，从而进一步提高装置的实时性。

本实用新型根据室外气象条件和作物生长发育阶段，利用环境控制设备对温室内的环境条件进行有效的控制，采用连续生产方式和管理方式，高效、均衡地生产各种蔬菜、水果、花卉、药材等。它可以不受地点和气候的影响，设置在包括寒冷地区或不毛之地的各地区。它能够有效地改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，提高土地产出率、劳动生产率和社会、经济效益。

附图说明

图1为本实用新型的结构图示。

图2为本实用新型的温室执行机构及温室环境传感器的结构图示。

图中标号：1为监控管理计算机，2为嵌入式数据集中器(滴灌首部控制器)，3为温室环境控制器，4为EC传感器，5为灌溉营养液控制泵，6为温室执行机构，7为温室环境传感器，8为室外气象站，9为PH传感器，10为灌溉营养液控制阀，11为三相交流接触器，12为温度传感器，13为湿度传感器，14为二氧化碳传感器，15为天窗行程开关，16为侧窗行程开关，17为内外膜行程开关，18为热风机加热装置，19为内外喷淋装置，20为湿帘风机装置，21为二氧化碳施放装置，22为天窗、侧窗三相电机，23为内外膜三相电机。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本实用新型。

实施例1，控制室由监控管理计算机1和嵌入式数据集中器2(滴灌首部控制器)组成，监控管理计算机1和嵌入式数据集中器2通过RS232数据总线相联，进行数据交换，监控管理计算机采用普通商用或个人PC，嵌入式数据集中器(滴灌首部控制器)的型号为WZ-2型；嵌入式数据集中器2通过模拟信号线分别与灌溉营养液管道的EC传感器4和PH传感器9相联，EC传感器型号为EC-40，PH传感器型号为P60C-6；嵌入式数据集中器2通过模拟信号线输出4-20mA的电流信号控制营养液补给控制阀；室外气象站的型号为ZY-3型，温室环境控制器为TJKZ-1型，EC传感器型号为EC-40，PH传感器型号为P60C-6；嵌入式数据集中器2通过三相交流接触器11与灌溉营养液控制泵相联，承担滴灌首部控制器的控制功能；嵌入式数据集中器通过RS485总线分别与室外气象站、温室环境控制器相联，进行数据交换；温室环境控制器通过模拟信号线与温室环境传感器相联，温室环境控制器通过三相交流接触器与温室执行机构相联。三相交流接触器的型号为CJX-12A，温室执行机构包括天窗电机(交流380V电机，可正反转)、侧窗电机(交流380V电机，可正反转)、外遮阴电机(交流380V电机，可正反转)、内膜电机(交流380V电机，可正反转)、内外喷淋装置型号BPW315、湿帘风机装置型号DJF-1250、二氧化碳施放装置型号CPT-90、热风机加热装置型号RFB-2000等；温室环境传感器包括：HD688T温度传感器、HTF3223湿度传感器、TGS4160二氧化碳浓度传感器，以及各执行机构的到位行程开关D5020。将各部件按图1-图2所示的方式连接，该领域的技术人员均能顺利实施。

Claims (5)

1、一种基于多主通讯机制的多个温室群控装置，由控制室、EC传感器(4)、温室环境控制器(3)、温室执行机构(6)、温室环境传感器(7)、室外气象站(8)、PH传感器(9)、灌溉营养液控制阀(10)、灌溉营养液控制泵(5)组成，其特征在于控制室由监控管理计算机(1)和嵌入式数据集中器(2)即滴灌首部控制器组成，监控管理计算机(1)和嵌入式数据集中器(2)通过RS232数据总线相联，嵌入式数据集中器(2)通过模拟信号线分别与灌溉营养液管道的EC传感器(4)和PH传感器(9)相联，嵌入式数据集中器(2)通过模拟信号线连接灌溉营养液控制阀(10)，嵌入式数据集中器(2)通过三相交流接触器(11)与灌溉营养液控制泵(5)相联；嵌入式数据集中器(2)通过RS485总线分别与温室环境控制器(3)、室外气象站(8)相联；温室环境控制器(3)通过模拟信号线与温室环境传感器(7)相联，温室环境控制器(3)通过三相交流接触器(11)与温室执行机构(6)相联。

2、根据权利要求1所述的基于多主通讯机制的多个温室群控装置，其特征在于温室环境控制器(3)为n个，n为1-128。

3、根据权利要求1或2所述的基于多主通讯机制的多个温室群控装置，其特征在于各个温室环境控制器(3)是并联。

4、根据权利要求1所述的基于多主通讯机制的多个温室群控装置，其特征在于温室执行机构(6)由热风机加热装置(18)、内外喷淋装置(19)、湿帘风机装置(20)、二氧化碳施放装置(21)、天窗、侧窗三相电机(22)、内外膜三相电机(23)组成，热风机加热装置(18)、内外喷淋装置(19)、湿帘风机装置(20)、二氧化碳施放装置(21)、天窗、侧窗三相电机(22)、内外膜三相电机(23)分别通过三相交流接触器(11)连接温室环境控制器(3)。

5、根据权利要求1所述的基于多主通讯机制的多个温室群控装置，其特征在于温室环境传感器由温度传感器(12)、湿度传感器(13)、二氧化碳浓度传感器(14)、天窗行程开关(15)、侧窗行程开关(16)、内外膜行程开关(17)组成，温度传感器(12)、湿度传感器(13)、二氧化碳浓度传感器(14)、天窗行程开关(15)、侧窗行程开关(16)、内外膜行程开关(17)分别通过模拟信号线连接温室环境控制器(3)。