專利名稱：一種多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，特別是涉及多溫區(qū)群控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對多達(dá)ioo個(gè)以上溫區(qū)進(jìn)行各自獨(dú)立的環(huán)境氣候與水肥灌溉的實(shí)時(shí)控制、管理，以滿足各溫區(qū)溫室作物栽培的要求。
背景技術(shù)：
溫室生產(chǎn)作為一種新的高效、優(yōu)質(zhì)、大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，已在國內(nèi) 外得到應(yīng)用，并已愈來愈成為世界各國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種趨勢。然而，縱觀溫室生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)一_溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)有 系統(tǒng)普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布局不合理的現(xiàn)象。目前溫室控制系統(tǒng)多采用兩級計(jì)算機(jī)分散控制結(jié)構(gòu)，下級計(jì)算機(jī)控制 器可以有一至多臺，每臺完成對各自溫室小區(qū)的實(shí)時(shí)控制，上級計(jì)算機(jī)則負(fù)責(zé)整個(gè)溫室群的集中監(jiān)控和搡作；上下級計(jì)算機(jī)之間釆用傳統(tǒng)的RS485 串行網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)進(jìn)行通信連接，這種結(jié)構(gòu)既要求下級計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的 實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)控制的能力，又要求上下級之間具備大容量、復(fù)雜的數(shù)據(jù) 通信能力。而且因?yàn)闇厥噎h(huán)境控制與灌溉控制，其要求互不相同，需專門 分別開發(fā)溫室環(huán)境控制器和灌溉控制器。由此，造成溫室控制系統(tǒng)開發(fā)制 造成本高、安裝使用和維護(hù)不方便等問題，影響了溫室生產(chǎn)的發(fā)展。因此，開發(fā)一種不降低性能而結(jié)構(gòu)簡潔可靠，易于操作和維護(hù)的新型 溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，是溫室技術(shù)推廣和進(jìn)步的必由之路。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有溫室控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上和通訊能力上的不足，本發(fā)明提供
一種新的兩級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以使其結(jié)構(gòu)布局更合理，操作維護(hù)更 方便，并且價(jià)格成本降低。
本發(fā)明提出的多溫區(qū)溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)的技術(shù)方案是該溫室 環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)釆用兩級集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。上級計(jì)算機(jī)作為集中監(jiān)控機(jī)，釆用奔騰4以上工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或商務(wù)PC機(jī)。其特點(diǎn)是，該上級計(jì)算機(jī)除了完成對眾多溫區(qū)的溫室環(huán)境與灌溉控制參數(shù)的設(shè)定、顯 示、記錄、報(bào)警、操作頁面管理等集中監(jiān)控功能，更重要的是，還要負(fù)責(zé)完成多達(dá)100個(gè)以上各自獨(dú)立運(yùn)行溫區(qū)的環(huán)境與灌溉控制策略調(diào)度、控制 算法計(jì)算等任務(wù)，并以簡捷高效的CAN現(xiàn)場總線通信協(xié)議，將計(jì)算的控制 量傳遞給下級計(jì)算機(jī)溫室單元控制器，將下級溫室單元控制器釆集所得的 各溫區(qū)環(huán)境信息和灌溉信息，傳取至上級計(jì)算機(jī)。
上述多溫區(qū)環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，下級計(jì)算機(jī)為嵌入式 溫室單元控制器，僅用作智能I/O之用。用于完成現(xiàn)場信號的釆集并上傳 至上級計(jì)算機(jī)，以及忠實(shí)接收上級計(jì)算機(jī)輸出的控制量，驅(qū)動相關(guān)執(zhí)行機(jī) 構(gòu)。由于該控制器功能簡單、成本也降低、可靠性卻提高。
上述多溫區(qū)環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于引入了 io余種環(huán)境信息 和植物生理信息釆集，如溫度、濕度、C02濃度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、 灌溉水量、肥液PH/EC值、根系水勢、植株水勢、葉面溫度、植株莖粗、 果實(shí)膨大等，用于植物生長監(jiān)測和水肥灌溉調(diào)控制。
上述多溫區(qū)環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，嵌入式溫室單元控制 器，采用PIC系列的精簡指令集(RISC)微控制器，自帶40路標(biāo)準(zhǔn)I/0接 口通道(其中6路模擬量輸入通道，34路數(shù)字量輸入輸出通道)，通過接口 擴(kuò)充，每臺嵌入式溫室單元控制器可擴(kuò)展到100點(diǎn)以上I/O接口。
上述多溫區(qū)環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，上下兩級計(jì)算機(jī)之間 釆用高速可靠的CAN現(xiàn)場通信連接，上級計(jì)算機(jī)內(nèi)置CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)卡， 采用雙絞線并聯(lián)連接方式組成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，可連接多達(dá)110個(gè)溫室單元 控制器。 上述多溫區(qū)環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，嵌入式溫室單元控制器的主控芯片PIC18F6585內(nèi)集成了 CAN總線控制器，通過外擴(kuò)的 MCP2551CAN總線驅(qū)動,形成CAN總線端口 CANH、 CANL。該CAN總線端口 采用插入自鎖式接線端子，保證各溫室單元控制器之間方便可靠的連接。上述多溫區(qū)環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，嵌入式溫室單元控制 器的軟件為通用軟件，上級計(jì)算機(jī)的多溫區(qū)監(jiān)控軟件為組態(tài)化的軟件。通 過上級計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件的組態(tài)設(shè)置頁面，可自由設(shè)置眾多單元控制器的連 接，選擇每個(gè)溫區(qū)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并根據(jù)各溫區(qū)設(shè)備的不同，靈活改變其端口定義。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于充分利用上級計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算和軟件處理能力，將多溫區(qū)溫室 環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)的主要控制、監(jiān)控、操作任務(wù)劃歸由上級計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn), 使下級機(jī)溫室單元控制器的軟件任務(wù)大大減少，并形成一個(gè)可對溫室設(shè)備 與I/O接口靈活組態(tài)的通用的組態(tài)化軟件系統(tǒng)。并且，使嵌入式溫室單元控制器的硬件得以簡化，整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更合理，性能更可靠，以更低 的開發(fā)成本與產(chǎn)品價(jià)格成本，滿足多溫區(qū)溫室環(huán)境與灌溉的控制要求，構(gòu) 成了一種新型的溫室控制系統(tǒng)。下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明

圖1為"多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖"圖2為"多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)電路模塊連接框圖"圖3為"多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)軟件組態(tài)程序流程圖"具體實(shí)施方式
如圖1本發(fā)明多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)由集中監(jiān)控計(jì)算 機(jī)、智能氣象站、多個(gè)嵌入式溫室單元控制器、CAN現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)及和溫室 群中各溫區(qū)的環(huán)境控制系統(tǒng)與灌溉系統(tǒng)的接口組成。集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)
了溫室監(jiān)控和管理人機(jī)界面、溫室控制策略與控制算法的實(shí)現(xiàn)。智能氣象站負(fù)責(zé)采集溫室外面氣象數(shù)據(jù)，通過RS232和集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信連接。 溫室單元控制器分布在溫室群各溫區(qū)，采集溫區(qū)的環(huán)境和植物生理信息并 實(shí)現(xiàn)和溫室控制設(shè)備和灌溉系統(tǒng)接口，控制驅(qū)動溫室設(shè)備和灌溉。單元控 制器對溫室環(huán)境和植物生理信息只是進(jìn)行簡單處理，對溫室設(shè)備的控制驅(qū) 動也不實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，這樣單元控制器可以采用低廉的微控制器實(shí) 現(xiàn)，控制系統(tǒng)對整個(gè)溫室群的所有溫區(qū)的復(fù)雜的信號處理、控制模型實(shí)現(xiàn) 和控制算法運(yùn)算都在集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。通過開發(fā)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用層的通 信協(xié)議，控制系統(tǒng)通過CAN現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)集中計(jì)算機(jī)和各單元控制器間實(shí)時(shí)高速分布式通信并開發(fā)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，從硬件角度，多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)包括多個(gè)互相連接的電路模塊。電路模塊中的1為集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)，通過以 太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(圖中4)可以連接Internet/Intranet，用戶可以遠(yuǎn)程訪問集中監(jiān) 控計(jì)算機(jī)；通過和搡作臺(圖中3)相連，提供了一個(gè)溫室控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 顯示、溫室控制操作、軟件組態(tài)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)報(bào)表的給用戶 界面；通過RS232通訊和室外氣象站(圖中5)相連，可以獲得室外氣象站中 各種氣象傳感器(圖中6)提供的室外氣象數(shù)據(jù)(包括溫度、濕度、風(fēng)向、 風(fēng)速、光輻射、雨量等)；集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過連接CAN現(xiàn)場總線板卡和現(xiàn) 場總線網(wǎng)絡(luò)(圖中7)相連?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)將集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)和多個(gè)的智能單 元控制器(圖中8)連接在一起構(gòu)成系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)單元控制器(圖中8)由CAN現(xiàn)場總線通信模塊(圖中9)、微控制器 (圖中10，采用PIC18F6585芯片)、輸入模塊(圖中l(wèi)l)、輸出模塊(圖中 12，用達(dá)林頓管驅(qū)動電路或雙向可控硅電路驅(qū)動連接繼電器電路實(shí)現(xiàn))組 成。單元控制器的輸入模塊(圖中l(wèi)l)和各種傳感器(圖中13)相連，環(huán)境 參數(shù)傳感器可以采集溫室內(nèi)的溫度、濕度、C02濃度、光照度等，植物生理 信息傳感器可以采集植物根系水勢、果實(shí)膨大率、莖粗變化率等，結(jié)合多 種傳感器信息，可以通過植物模型計(jì)算得到植物生長情況，從而可以結(jié)合 植物生長情況和溫室環(huán)境因子信息控制溫室環(huán)境和灌溉。單元控制器的輸 出模塊可以控制驅(qū)動溫室各種環(huán)境設(shè)備(圖中14),環(huán)境設(shè)備有溫室天窗、簾幕、加熱爐(或加熱管道)、C02發(fā)生器、灌溉施肥設(shè)備等。如圖3所示，多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自由靈活 的軟件組態(tài)功能，可以對單元控制器應(yīng)用連接情況、溫室設(shè)備選配使用情 況以及實(shí)際連接的傳感器情況進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，使得控制系統(tǒng)可以自由靈活 地稍加配置就可以適應(yīng)不同的溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，也可方便適應(yīng)同一或溫 室群內(nèi)設(shè)備的增加或修改。本控制系統(tǒng)還可以根據(jù)需要，經(jīng)過組態(tài)配置對 溫室控制策略和控制算法進(jìn)行選擇，針對不同的溫室環(huán)境、不同的栽培作 物以及不同的生長季節(jié)等不同情況可以靈活選擇不同的溫室控制策略。組 態(tài)配置操作在集中監(jiān)控制計(jì)算機(jī)上控制用戶界面上進(jìn)行操作，配置參數(shù)結(jié) 果保存在集中監(jiān)控制計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)內(nèi)，控制系統(tǒng)的顯示界面可以根據(jù)組 態(tài)配置參數(shù)來顯示，和單元控制器相關(guān)的配置參數(shù)可以通過CAN現(xiàn)場總線 網(wǎng)絡(luò)下傳到單元控制器并保存到Flash存儲器中。
權(quán)利要求
1. 一種多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，主要包括運(yùn)行于集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)溫室控制軟件系統(tǒng)，基于CAN現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分布在各個(gè)溫區(qū)的單元控制器組成。單元控制器包含微控制器、CAN現(xiàn)場總線通信模塊、數(shù)字量和模擬量的輸入輸出接口模塊，輸入模塊采集溫室中包括環(huán)境傳感器、植物生理傳感器等傳來的傳感信號并做信號處理，輸出模塊驅(qū)動控制溫室各種設(shè)備運(yùn)行。集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)上的溫室控制軟件集中處理多溫區(qū)環(huán)境和植物生理信息，進(jìn)行控制算法策略選擇和算法運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果得出控制執(zhí)行動作實(shí)時(shí)傳給各個(gè)單元控制器控制溫室設(shè)備運(yùn)行。多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)具備組態(tài)設(shè)置功能，整個(gè)系統(tǒng)可以針對溫室具體情況對單元控制器、傳感器、控制設(shè)備、顯示界面及溫室控制策略等進(jìn)行軟件組態(tài)設(shè)置以適應(yīng)不同溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理對控制系統(tǒng)的需求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多溫區(qū)溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，采用兩級 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)分布式通信，上位機(jī)用奔騰及 其兼容系列CPU的工業(yè)計(jì)算機(jī)或商務(wù)PC機(jī)，而下位機(jī)采用微控制器的應(yīng)用 模式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在溫室控制系統(tǒng)中，采用現(xiàn)場總線分布式通 信，單元控制器負(fù)責(zé)簡單的信號釆集和簡單控制驅(qū)動溫室設(shè)備，復(fù)雜數(shù)據(jù) 信號處理、控制算法集中在集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在溫室控制系統(tǒng)中針對多溫區(qū)溫室、溫室傳 感器采集信號情況、控制設(shè)備只要進(jìn)行組態(tài)設(shè)置適應(yīng)溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理對 溫室控制系統(tǒng)的軟件需求。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述溫室控制系統(tǒng)中針對多溫區(qū)溫室不同溫室、不 同生產(chǎn)季節(jié)等情況通過組態(tài)配置進(jìn)行溫室控制策略和控制算法選擇。
全文摘要
本發(fā)明是一種多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)，主要包括運(yùn)行于集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)溫室控制軟件系統(tǒng)，基于CAN現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分布在各個(gè)溫區(qū)的單元控制器組成。單元控制器包含微控制器、CAN現(xiàn)場總線通信模塊、數(shù)字量和模擬量的輸入輸出接口模塊，輸入模塊采集溫室中包括環(huán)境傳感器、植物生理傳感器等傳來的傳感信號并做信號處理，輸出模塊驅(qū)動控制溫室各種設(shè)備運(yùn)行。集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)上的溫室控制軟件集中處理多溫區(qū)環(huán)境和植物生理信息，進(jìn)行控制算法策略選擇和算法運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果得出控制執(zhí)行動作實(shí)時(shí)傳給各個(gè)單元控制器控制溫室設(shè)備運(yùn)行。多溫區(qū)群控的溫室環(huán)境與灌溉控制系統(tǒng)采用組態(tài)軟件開發(fā)方法，整個(gè)系統(tǒng)可以針對溫室具體情況對單元控制器、傳感器、控制設(shè)備、顯示界面及溫室控制策略等進(jìn)行軟件組態(tài)設(shè)置以適應(yīng)不同溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理對控制系統(tǒng)的需求。
文檔編號G05B19/418GK101211178SQ20061014786
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月25日
發(fā)明者強(qiáng) 周, 張侃諭, 沈恩德 申請人:上海都市綠色工程有限公司;上海大學(xué)