專利名稱：兩線制灌溉測控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種兩線制灌溉測控方法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
節(jié)水灌溉自動化控制設(shè)備已從最早的水力控制、機(jī)械控制及機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制發(fā)展到當(dāng)前的融合有計(jì)算機(jī)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)決策等技術(shù)的先進(jìn)的灌溉控制系統(tǒng)。同時(shí)，當(dāng)前的灌溉控制技術(shù)還嵌入了先進(jìn)的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉方向發(fā)展，對灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理，并監(jiān)測土壤墑情和作物生長，開發(fā)了一系列控制精度高、功能強(qiáng)大的數(shù)字式灌溉采集控制器，并取得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前主流灌溉控制工程大都采用將采集控制器分別連接泵閥、傳感器的方式，這種方式需要為每個(gè)泵閥和傳感器分別設(shè)置電源線和通訊線，這給諸如大田灌溉、園林、高爾夫場地灌溉的大工程帶來很多不便。如果試圖利用高成本采集控制器之間的RS485、以太網(wǎng)或無線方式來降低施工布線的成本，相應(yīng)地，也需要在灌溉系統(tǒng)中增加高成本灌溉采集控制器，反而會導(dǎo)致灌溉系統(tǒng)整體成本上升。因此，減少灌溉施工過程中的施工量和維護(hù)量成為節(jié)水灌溉控制設(shè)備急需解決的問題。在此需求的基礎(chǔ)上，國外提出了基于兩線制編解碼的灌溉控制方法和設(shè)備，通過對連接電磁閥的供電電線進(jìn)行編碼和解碼來實(shí)現(xiàn)兩根線對多區(qū)域和多電磁閥的控制管理。 但該技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用很少，其原因包括1、國內(nèi)灌溉現(xiàn)場供電環(huán)境比較惡劣，農(nóng)戶用電雜波較多，雷電、泵、電機(jī)等大功率設(shè)備對通訊環(huán)境產(chǎn)生很大的干擾；2、國外的相關(guān)技術(shù)集中于末端的研究，缺少對前端處理，直接導(dǎo)致兩線解碼技術(shù)并沒有達(dá)到理論的距離和效果； 3、灌溉工程對閥門的需求量比較大，但進(jìn)口閥門價(jià)格高昂，國內(nèi)電磁閥裝備技術(shù)較落后，相應(yīng)控制需求功耗比較大，國外成熟產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)能夠控制四個(gè)閥門的解碼器在國內(nèi)只能控制兩個(gè)、甚至一個(gè)電磁閥，很多控制兩個(gè)和單個(gè)閥門的解碼器在國內(nèi)不能夠工作，這將導(dǎo)致整體成本上升和資源浪費(fèi)；4、國外在傳感器通訊方面投入的研究較少，節(jié)水灌溉過程中所需的環(huán)境信息、土壤墑情信息不能夠通過兩線制的模式進(jìn)行通訊。國內(nèi)的兩線制解碼技術(shù)還處于空白狀態(tài)，大都使用進(jìn)口產(chǎn)品，類似研究集中于將智能家居、遠(yuǎn)程抄表行業(yè)的低壓電力載波技術(shù)應(yīng)用在灌溉控制通訊中。國內(nèi)無兩線制解碼技術(shù)相關(guān)研究報(bào)告，比較接近的電力載波技術(shù)在智能家居中應(yīng)用比較多。具體應(yīng)用到灌溉過程中的通訊和供電，該技術(shù)主要體現(xiàn)在控制器與控制器、控制器與上位機(jī)之間的相互通訊，電力載波集中于220V交流電壓上，在較長通訊距離上的容易受到干擾，缺少直接與灌溉閥門的應(yīng)用模式，已提出的方案電力載波應(yīng)用于通信控制器之間，在24V交流載波技術(shù)方面國內(nèi)還未成熟，其載波方式是在24V波形上增加更高頻率的信號，大規(guī)模應(yīng)用中通訊距離不能滿足實(shí)際應(yīng)用，并沒有減少田間控制器，該技術(shù)在灌溉過程中的深入應(yīng)用還有很長的路要走。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何改變傳統(tǒng)灌溉工程每個(gè)閥門都需要一定數(shù)量電纜連接控制器的方式，以減少田間控制器和大幅度降低工程布線和維護(hù)成本，以及如何將雷電等現(xiàn)場干擾降至最低。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種兩線制灌溉測控系統(tǒng)，其包括灌溉采集控制模塊、控制端編碼/解碼模塊和終端編碼/解碼模塊；其中，所述終端編碼/解碼模塊與所述控制端編碼/解碼模塊連接，且所述終端編碼/ 解碼模塊還連接有灌溉控制執(zhí)行裝置和/或傳感器；所述終端編碼/解碼模塊用于將傳感器采集的信號傳輸至所述控制端編碼/解碼模塊，以及接收所述控制端編碼/解碼模塊的灌溉控制信號并傳輸至所述灌溉控制執(zhí)行裝置；所述控制端編碼/解碼模塊還與所述灌溉采集控制模塊連接，用于將接受到的、 由傳感器采集的信號傳輸至所述灌溉采集控制模塊，以及接收所述灌溉采集控制模塊發(fā)出的灌溉采集控制信號并將其傳輸至所述終端編碼/解碼模塊；所述灌溉采集控制模塊用于接收并處理傳感器采集的信號，以及發(fā)送灌溉采集控制信號；其中，所述控制端編碼/解碼模塊與終端編碼/解碼模塊之間采用雙絞線連接組成主從式通信網(wǎng)絡(luò)，通過對低壓交流9-24V編碼/解碼進(jìn)行信號傳輸，并對所述灌溉控制執(zhí)行裝置或傳感器供電。其中，所述編碼及通信協(xié)議包括，以雙絞線載的一個(gè)完整周期的交流電信號表示一個(gè)二進(jìn)制代碼，并根據(jù)所述一個(gè)完整周期的交流電信號不同的缺相信息表示不同的二進(jìn)制代碼。其中，所述編碼及通信協(xié)議還包括標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電代表二進(jìn)制代碼“0”，單正半正弦交流電代表二進(jìn)制碼“1”，且單負(fù)正弦交流電為信號的停止位。其中，所述編碼及通信協(xié)議還包括尋址應(yīng)答機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)雙絞線上的雙向通訊。其中，在所述兩線制灌溉測控系統(tǒng)與外部供電裝置之間還包括濾波模塊和變壓模塊，以提供干凈可靠低壓交流電源。其中，所述編碼/解碼模塊采用混合模擬數(shù)字FPGA芯片構(gòu)建相應(yīng)邏輯結(jié)構(gòu)、數(shù)字模擬信號采集及微控制器，以實(shí)現(xiàn)編碼、解碼、驅(qū)動、信息采集傳輸一體化。其中，所述編碼/解碼模塊采用線路偵聽邏輯模塊對所述低壓交流9-24V進(jìn)行檢測偵聽，以判斷所述主從式通信網(wǎng)絡(luò)情況。(三)有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具備以下優(yōu)勢1、通過對電力線上低壓交流9-24V直接進(jìn)行編碼/解碼來傳輸信息和電能，增加了抗干擾性能，減少了田間控制的數(shù)量，大幅度節(jié)省線纜量，降低了施工難度和維護(hù)成本， 并易于擴(kuò)展；2、對電力通訊編碼進(jìn)行了優(yōu)化，包括數(shù)字信號、地址位、命令位進(jìn)行優(yōu)化，避免過多0電平，確保編碼/解碼模塊能夠提供充足持續(xù)電流給電磁閥或傳感器，通訊協(xié)議增加應(yīng)答機(jī)制，硬件增加偵聽、解析部分，進(jìn)一步提高通訊的可靠性；3、編碼/解碼芯片采用可編程片上系統(tǒng)FPGA單顆芯片，集成模擬、數(shù)字、控制、邏輯、時(shí)鐘功能模塊構(gòu)建二線制解碼編碼芯片，改變了國外分立元件得方式，較少了外圍器件，進(jìn)一步提高了可靠性、抗干擾能力，同時(shí)內(nèi)部集成的數(shù)字模擬模塊實(shí)現(xiàn)了不同種傳感器信號的兩線制采集傳輸。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的兩線制灌溉測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的兩線制灌溉測控系統(tǒng)的低壓電力線編碼及通信協(xié)議示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的兩線制灌溉測控系統(tǒng)的編碼/解碼模塊邏輯內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的兩線制灌溉測控系統(tǒng)的編碼/解碼模塊的應(yīng)用內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明的目的，但不用來限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的核心思想在于，通過對低壓交流9-MV電力進(jìn)行合理編碼，采用一根雙絞電線實(shí)現(xiàn)灌溉現(xiàn)場的電磁閥開關(guān)控制和關(guān)鍵傳感器的數(shù)據(jù)獲取。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的兩線制灌溉測控系統(tǒng)包括內(nèi)嵌編碼/解碼模塊的灌溉采集控制裝置、灌溉控制執(zhí)行裝置和/或傳感器、以及由至少一個(gè)編解碼器(由編碼/解碼模塊構(gòu)成)構(gòu)成的遠(yuǎn)端采集控制終端；其中，灌溉采集控制裝置與遠(yuǎn)端采集控制終端之間通過雙絞線連接，組成主從式通信網(wǎng)絡(luò)；灌溉采集控制裝置通過其內(nèi)的編解碼模塊發(fā)送灌溉控制信號和/或參數(shù)采集信號，并接收由采集控制終端返回的傳感器信號；采集控制終端將灌溉采集控制裝置的灌溉采集控制信號傳送給指定的灌溉控制執(zhí)行裝置和/或傳感器，以及，將傳感器的采樣數(shù)據(jù)返回給灌溉采集控制裝置。其中，灌溉采集控制裝置和遠(yuǎn)端采集控制終端采用相同的編碼/解碼模塊。由圖1可以看出，根據(jù)本發(fā)明的兩線制灌溉測控系統(tǒng)通過在雙絞線上連接多個(gè)編碼/解碼模塊，以模塊化的方式安裝在灌溉控制執(zhí)行裝置(例如電磁閥或電磁頭的噴頭) 附近，并能夠連接多種現(xiàn)場傳感器；通過灌溉采集控制裝置設(shè)置激活每個(gè)編碼/解碼模塊地址和傳感器參數(shù)；這種設(shè)計(jì)使得整個(gè)測控系統(tǒng)的抗干擾性能增加，減少了田間控制的數(shù)量，大幅度節(jié)省了線纜量，降低了施工難度和維護(hù)成本，并易于擴(kuò)展。更具體地，編碼/解碼模塊對雙絞線上載有的低壓交流9-24V進(jìn)行編碼/解碼以進(jìn)行信號傳輸，同時(shí)為灌溉控制執(zhí)行裝置(例如電磁閥或電磁頭的噴頭閥門)或傳感器供電，以實(shí)現(xiàn)灌溉控制執(zhí)行裝置的控制及關(guān)鍵傳感器信息的獲取，達(dá)到以較少的投資成本實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的。如圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的兩線制灌溉測控系統(tǒng)的低壓電力線編碼及通信協(xié)議示意圖。由圖2可以看出，低壓電力通訊波形及協(xié)議通過對低壓交流9-24V編碼/解碼來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。具體地，正常正弦波指示為空閑狀態(tài)，此時(shí)線路主要為模塊提供電源；當(dāng)編碼/解碼模塊偵聽到單正波形周期時(shí)，即表示當(dāng)前為信號的起始位，隨后為地址位(8位)、 指令位(8位)和寄存器地址位(8位)；其中標(biāo)準(zhǔn)正弦波為二進(jìn)制代碼“0”，單正半正弦波代表二進(jìn)制碼“1”，隨后單負(fù)正弦波為信號的停止位，即完成信號的傳輸。由此可知，與現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的編碼及通信協(xié)議中以“0”作為低電平、“1”作為高電平不同的是，本發(fā)明的技術(shù)方案采用正弦信號的波峰作為高電平、波谷作為低電平，避免了過多0電平，確保了編碼/解碼模塊能夠提供充足持續(xù)電流給電磁閥或傳感器。更具體地，協(xié)議方式地址為用于識別模塊的地址，指令位共分為兩種寫控制器指令用于修改控制寄存器，實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制功能；讀傳感器數(shù)據(jù)指令用于實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的獲取(包括傳感器數(shù)據(jù)和控制狀態(tài))。本發(fā)明的編碼及通信協(xié)議還包括尋址應(yīng)答機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)電力線上的雙向通訊，方便查詢閥門狀態(tài)和讀取傳感器數(shù)據(jù)。相關(guān)應(yīng)答與發(fā)送命令類似，由“起始位+主機(jī)地址位+ 從機(jī)地址位+寄存器值+停止位”組成。圖3為根據(jù)本發(fā)明的兩線制灌溉測控系統(tǒng)的編碼/解碼模塊邏輯內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。由圖3可知，通過電力耦合電路獲得芯片接受電壓范圍內(nèi)的交流信號，該交流信號通過線路偵聽模塊來判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)情況，提高通訊可靠性，同時(shí)為lin2分路開關(guān)提供傳輸路線選擇。如果當(dāng)先需要發(fā)送編碼信息，則需要偵聽網(wǎng)絡(luò)情況。如果網(wǎng)絡(luò)空閑既電源正弦波不缺相時(shí)，編碼信息通過觸發(fā)器發(fā)送。如果獲得相關(guān)信號，便切換到信號解析模塊，將有效信息通過串口轉(zhuǎn)并行寄存器，通過內(nèi)部的劃分的地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器獲取相關(guān)信息并通過協(xié)議邏輯模塊進(jìn)行解析，通過微處理器核完成相關(guān)工作。時(shí)鐘發(fā)生器及計(jì)數(shù)器和時(shí)序控制模塊可以為整個(gè)邏輯模塊提供運(yùn)行時(shí)序，以確保編碼/解碼過程有序進(jìn)行。圖4為根據(jù)本發(fā)明的兩線制灌溉測控系統(tǒng)的編碼/解碼模塊的的應(yīng)用內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由圖4可知，可以以編碼/解碼邏輯為核心集成先前結(jié)合圖2所描述過的低壓編碼及通訊協(xié)議，通過基于S0PC(System On a Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng))的 FPGA(Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)構(gòu)建兩線制編碼/解碼芯片， 在外圍芯片和電路輔助下實(shí)現(xiàn)在9-24V交流雙絞線上編碼與解碼，并任意掛接模塊控制電磁閥和傳感器數(shù)據(jù)獲取。如圖4所示，編碼/解碼芯片的核心采用Actel公司Fusion系列 FPGAM1AFS250集成編碼邏輯模塊、解碼邏輯模塊、電力通訊協(xié)議邏輯模塊，并通過芯片片上資源構(gòu)建模擬信號采集/處理模塊、數(shù)字信號處理模塊、控制信號處理模塊、通訊、時(shí)鐘、編程模塊以及電源監(jiān)控與處理模塊。這些模塊功能通過內(nèi)嵌的51內(nèi)核進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)，邏輯模塊功能通過VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)，整體嵌入式集成形成兩線制編碼/解碼芯片，通過外圍輔助電路實(shí)現(xiàn)灌溉采集控制功能。仍如圖4中所示，模塊芯片可通過多級防雷并對220V交流電濾波來獲得干凈可靠的電源，通過密閉式變壓器隔離并獲得9-24V交流信號，其中變壓器規(guī)格可根據(jù)現(xiàn)場功耗和供電需求進(jìn)行選擇。低壓交流源通過線路缺項(xiàng)及過零檢測等處理電路，為編碼/解碼芯片提供可靠交流信號檢測信息，其中該220V交流處理部分作為灌溉的中央測控而存在。電力耦合濾波、驅(qū)動電路及供電處理分別實(shí)現(xiàn)9-24V交流線信號的耦合提取、編碼和模塊的供電等功能。相關(guān)模擬信號調(diào)理、隔離、防護(hù)電路用于處理模擬信號輸出傳感器的信息獲取并通過編碼/解碼芯片的模擬信號處理模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號隔離、防護(hù)用于數(shù)字、開關(guān)量、脈沖量傳感器信息的獲取與防護(hù)。繼電器、晶閘管、防雷、驅(qū)動、隔離等電路用于電磁閥控制的驅(qū)動和防護(hù)。外圍系統(tǒng)擴(kuò)展部分與芯片內(nèi)部通訊、時(shí)鐘和編程模塊連接，可以外接成熟灌溉控制器、中央計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉、智能決策等諸多功能，同時(shí)也能夠進(jìn)行二次開發(fā)將以芯片為核心構(gòu)建獨(dú)立二線制灌溉測控系統(tǒng)。
如上所述，采用可編程片上系統(tǒng)FPGA單顆芯片，集成模擬、數(shù)字、控制、邏輯、時(shí)鐘功能模塊構(gòu)建二線制解碼編碼芯片，改變了國外分立元件得方式，較少了外圍器件，進(jìn)一步提高了可靠性、抗干擾能力，同時(shí)內(nèi)部集成的數(shù)字模擬模塊實(shí)現(xiàn)了不同種傳感器信號的兩線制采集傳輸。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種兩線制灌溉測控系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括灌溉采集控制模塊、控制端編碼/解碼模塊和終端編碼/解碼模塊；其中，所述終端編碼/解碼模塊與所述控制端編碼/解碼模塊連接，且所述終端編碼/解碼模塊還連接有灌溉控制執(zhí)行裝置和/或傳感器；所述終端編碼/解碼模塊用于將傳感器采集的信號傳輸至所述控制端編碼/解碼模塊，以及接收所述控制端編碼/解碼模塊的灌溉控制信號并傳輸至所述灌溉控制執(zhí)行裝置；所述控制端編碼/解碼模塊還與所述灌溉采集控制模塊連接，用于將接受到的、由傳感器采集的信號傳輸至所述灌溉采集控制模塊，以及接收所述灌溉采集控制模塊發(fā)出的灌溉采集控制信號并將其傳輸至所述終端編碼/解碼模塊；所述灌溉采集控制模塊用于接收并處理傳感器采集的信號，以及發(fā)送灌溉采集控制信號；其中，所述控制端編碼/解碼模塊和所述終端編碼/解碼模塊采用相同的編碼和通信協(xié)議。
2.如權(quán)利要求1所述的兩線制灌溉測控系統(tǒng)，其特征在于，所述控制端編碼/解碼模塊與終端編碼/解碼模塊之間采用雙絞線連接組成主從式通信網(wǎng)絡(luò)，通過對低壓交流9-24V 編碼/解碼進(jìn)行信號傳輸，并對所述灌溉控制執(zhí)行裝置或傳感器供電。
3.如權(quán)利要求2所述的兩線制灌溉測控系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼及通信協(xié)議包括， 以雙絞線載的一個(gè)完整周期的交流電信號表示一個(gè)二進(jìn)制代碼，并根據(jù)所述一個(gè)完整周期的交流電信號不同的缺相信息表示不同的二進(jìn)制代碼。
4.如權(quán)利要求2所述的兩線制灌溉測控系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼及通信協(xié)議還包括標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電代表二進(jìn)制代碼“0”，單正半正弦交流電代表二進(jìn)制碼“ 1”，且單負(fù)正弦交流電為信號的停止位。
5.如權(quán)利要求2所述的兩線制灌溉測控系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼及通信協(xié)議還包括尋址應(yīng)答機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)所述雙絞線上的雙向通訊。
6.如權(quán)利要求1所述的兩線制灌溉測控系統(tǒng)，其特征在于，在所述兩線制灌溉測控系統(tǒng)與外部供電裝置之間還包括濾波模塊和變壓模塊，以提供干凈可靠的低壓交流電源。
7.如權(quán)利要求1所述的兩線制灌溉測控系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼/解碼模塊采用混合模擬數(shù)字FPGA芯片構(gòu)建相應(yīng)邏輯結(jié)構(gòu)、數(shù)字、模擬信號采集及微控制器，以實(shí)現(xiàn)編碼、解碼、驅(qū)動、信息采集傳輸一體化。
8.如權(quán)利要求2所述的兩線制灌溉測控系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼/解碼模塊采用線路偵聽邏輯模塊對所述低壓交流9-24V進(jìn)行檢測偵聽，以判斷所述主從式通信網(wǎng)絡(luò)情況。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種兩線制灌溉測控系統(tǒng)，包括灌溉采集控制模塊、控制端編碼/解碼模塊和終端編碼/解碼模塊；其中，終端編碼/解碼模塊與控制端編碼/解碼模塊和灌溉控制執(zhí)行裝置和/或傳感器連接，用于將傳感器采集的信號傳輸至控制端編碼/解碼模塊，以及接收控制端編碼/解碼模塊的灌溉控制信號并傳輸至灌溉控制執(zhí)行裝置；控制端編碼/解碼模塊還與灌溉采集控制模塊連接，用于將傳感器信號傳輸至灌溉采集控制模塊，以及接收灌溉采集控制信號并將其傳輸至終端編碼/解碼模塊；灌溉采集控制模塊用于接收并處理傳感器采集的信號，以及發(fā)送灌溉采集控制信號；其中，控制端編碼/解碼模塊和所述終端編碼/解碼模塊采用相同的編碼和通信協(xié)議。
文檔編號H04B3/54GK102524029SQ20111044860
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者喬曉軍, 張馨, 王克武, 田洪武, 申長軍, 閆華, 鮑峰 申請人:北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心