溫室智能控制器硬件設(shè)計(jì)

近年來，溫室環(huán)境控制在國(guó)內(nèi)外得到了相應(yīng)的研究和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的智能溫室系統(tǒng)硬件大部分從國(guó)外引進(jìn)，國(guó)外的系統(tǒng)是經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，在技術(shù)上是比較成熟與先進(jìn)的。但在我國(guó)的應(yīng)用中出現(xiàn)了一些問題，如體積大、能耗大、溫室降溫較差、在我國(guó)使用不適應(yīng)。從經(jīng)濟(jì)效益上看，因其設(shè)備投資大，運(yùn)行費(fèi)用高，普遍虧損。“林木種苗工廠化生產(chǎn)環(huán)境控制設(shè)備與自動(dòng)化控制集成應(yīng)用研究示范”是我們自主開發(fā)的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細(xì)化、自動(dòng)化生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率與農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量有一定的促進(jìn)作用。

　　系統(tǒng)硬件相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求如下：

　?。?1） 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空氣溫度濕度，土壤基質(zhì)溫度濕度，光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)采集時(shí)延＜ 3min，數(shù)據(jù)精度達(dá)到10 位，根據(jù)農(nóng)作物實(shí)際生長(zhǎng)情況，溫度控制精度＜ 3℃，濕度控制精度＜ 10% RH 。

　?。?2） 建立使用可擴(kuò)展的主從控制器通信機(jī)制，準(zhǔn)確通信距離可達(dá)1. 2km。

　?。?3） 使用可學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)精確控制。

　?。?4） 整套系統(tǒng)可以在0%—100% RH 的濕度范圍內(nèi)可靠使用10 年以上。

　?。?5） 溫度年漂移量＜ 0. 1℃ ，濕度年漂移量＜ 1% RH。

　　1 方案設(shè)計(jì)和器件選型

　　1. 1 方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)項(xiàng)目和具體的技術(shù)指標(biāo)需求，下位通信選用RS － 485 通信協(xié)議，RS － 485 是雙向、半雙工通信協(xié)議，符合真正多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)要求，并且它規(guī)定在一條單總線（ 2 線） 上支持32 個(gè)驅(qū)動(dòng)器和32 個(gè)接收器。有些RS－ 485 收發(fā)器可修改輸入阻抗以便允許將多達(dá)8 倍以上的節(jié)點(diǎn)數(shù)連接到相同總線。由于性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)容易，多站互連時(shí)可節(jié)省信號(hào)線，便于高速、遠(yuǎn)距離傳送。

　　為保證溫室控制系統(tǒng)可靠性，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級(jí)主從控制系統(tǒng)。以ARM 系列單片機(jī)為中間主控制器，模塊化下位的數(shù)據(jù)采集和控制單元以便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。上位服務(wù)器直接面向網(wǎng)絡(luò)，保存下位采集數(shù)據(jù)。選用主控器自帶TCP /IP 功能與服務(wù)器通信，自帶RS485 通信功能連接下位數(shù)據(jù)采集與控制單元。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　1. 1.1 采集器功能

　?。?1） 及時(shí)可靠地采集溫室現(xiàn)場(chǎng)中溫室溫度、濕度，土壤溫度、濕度，光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

　?。?2） 對(duì)數(shù)據(jù)作初步的采集處理以及兩次完全采集存儲(chǔ)。

　?。?3） 接受判別主控制器指令，傳遞數(shù)據(jù)。

　　1. 1.2 控制器功能

　?。?1） 識(shí)別主控制器控制指令。

　?。?2） 執(zhí)行控制指令。

1. 1.3主控制器功能

　?。?1） 測(cè)量數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)

　　通過485 串口與測(cè)量終端通信，收集測(cè)量終端監(jiān)測(cè)的溫室環(huán)境指標(biāo)。如果終端測(cè)量到的數(shù)據(jù)超出了預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，由主控制器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警，提醒觀測(cè)人員注意溫室環(huán)境超出指標(biāo)范圍。

　　（ 2） 測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳送

　　把各終端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于主控制器的外插的SD 卡中，要求能夠存儲(chǔ)一個(gè)月以上的各終端測(cè)量數(shù)據(jù)。也可以通過以太網(wǎng)與任意聯(lián)入局域網(wǎng)的PC 機(jī)通訊，將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳送到PC 機(jī)上保存。

　?。?3） 以太網(wǎng)通信

　　主控制器與服務(wù)器之間利用以太網(wǎng)通信，選擇的主控制器上需要帶有以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，系統(tǒng)具備TCP /IP 協(xié)議棧，能夠在TCP 和UDP 協(xié)議層上構(gòu)建應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)通信，HTTP 網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器功能，TFTP、FTP 文件傳輸功能。

　?。?4） 終端控制

　　主控制器控制測(cè)量終端的測(cè)量特性，設(shè)置環(huán)境參數(shù)采樣間隔，參數(shù)指標(biāo)閾值等。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)和控制目標(biāo)及時(shí)的完成控制理論計(jì)算。向下位控制器發(fā)送控制指令。要求主控制器具備現(xiàn)場(chǎng)操控，和遠(yuǎn)程操控兩種操作方式。既可以由現(xiàn)場(chǎng)操作主控制器查看終端測(cè)量數(shù)據(jù)，又可以以主控制器作為WEB 服務(wù)器，在服務(wù)器提供的網(wǎng)頁(yè)中顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)頁(yè)中加入CGI 功能，用戶可以通過網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　1. 1.4 服務(wù)器功能

　　（ 1） 網(wǎng)絡(luò)示范網(wǎng)站服務(wù)器，存儲(chǔ)下位采集控制數(shù)據(jù)煉化完善專家控制系統(tǒng)。

　?。?2） 與各主控制器的網(wǎng)絡(luò)通信。

　　1. 2 傳感器選型

　　依據(jù)技術(shù)指標(biāo)需求，選取各傳感器件如下所示。

　　（ 1） PTS － 2 環(huán)境濕度傳感器

　　供電電壓4VDC; 濕度范圍0 ～ 100%; 濕度分辨率0. 1% RH; 輸出范圍1 ～ 4VDC; 準(zhǔn)確度± 2% （ T ＞0℃） ; 穩(wěn)定性小于1%RH/年工作電壓：

　?。?2） 環(huán)境、土壤溫度傳感器DS18B20

　　支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為－ 55°C ～ + 125°C，在－ 10 ～ + 85°C 范圍內(nèi)，精度為± 0. 5°C。

　　DS18B20 的精度誤差為± 2°C?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

　　適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如： 環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。

　?。?3） TDR － 3 型土壤水分傳感器

　　TDR － 3 型土壤水分傳感器是一款高精度、高靈敏度的測(cè)量土壤濕度的傳感器。

　　其技術(shù)參數(shù)為： 量程： 0 ～ 100% （ m3 /m3 ） ; 精度： 0 ～ 50% （ m3 /m3 ） 范圍內(nèi)為± 2% （ m3 /m3 ） ; 測(cè)量區(qū)域：

　　90%的影響在圍繞中央探針的直徑3cm、長(zhǎng)為6cm 的圓柱體內(nèi)； 穩(wěn)定時(shí)間： 通電后約10 秒； 響應(yīng)時(shí)間： 響應(yīng)在1 秒內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程； 工作電壓： 4. 5 ～ 5. 5 VDC，典型值5. 0 VDC; 工作電流： 50 ～ 70mA，典型值60 mA; 輸出信號(hào)： 0 ～ 2. 5V; 密封材料： ABS 工程塑料； 探針材料： 不銹鋼； 電纜長(zhǎng)度： 標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度5m，最大長(zhǎng)度20m。

　?。?4） TBQ － 6 型光照強(qiáng)度傳感器

　　TBQ － 6 型室內(nèi)光強(qiáng)度傳感器采用先進(jìn)的電路模塊技術(shù)開發(fā)變送器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光照度的測(cè)量，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓及電流信號(hào)，體積小，安裝方便，線性度好，傳輸距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)。可廣泛用于環(huán)境、養(yǎng)殖、建筑、樓宇等的光照度測(cè)量，量程可調(diào)。

　　其技術(shù)參數(shù)為： 量程： 0 － 200Klux; 供電電壓： 24VDC /12VDC; 波長(zhǎng)測(cè)量范圍： 380nm － 730nm; 輸出信號(hào)：

　　4 － 20mA; 精度： ± 5%; 工作環(huán)境： 溫度﹣30 － 60℃，濕度0 － 90% RH。

　　1. 3 控制器選型

　　1.3.1 采集器選擇

　　下位采集器選用C8051F350，理由如下：

　?。?1） C8051F350 器件是完全集成的混合信號(hào)片上MCU 芯片。內(nèi)部有一個(gè)具有在片校準(zhǔn)功能的全差分24 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC） 。兩個(gè)獨(dú)立的抽取濾波器可被編程到1KHz 的采樣率； 可以使用內(nèi)部的2. 5V 電壓基準(zhǔn)，也可以用差分外部基準(zhǔn)進(jìn)行比率測(cè)量［3］。

　?。?2） C8051F350 包含一個(gè)擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)，支持12 個(gè)中斷源，每個(gè)中斷源有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。中斷源在片內(nèi)外設(shè)與外部輸入引腳之間的分配隨器件的不同而變化。每個(gè)中斷源可以在一個(gè)SFR 中有一個(gè)或多個(gè)中斷標(biāo)志。

　?。?3） C8051F350 系列MCU 內(nèi)部有一個(gè)SMBus /I2C 接口、一個(gè)具有增強(qiáng)型波特率配置的全雙工UART 和一個(gè)增強(qiáng)型SPI 接口。每種串行總線都完全用硬件實(shí)現(xiàn)，都能向CIP － 51 產(chǎn)生中斷，因此需要很少的CPU干預(yù)。便于和RS485 總線接口通信。

　　1.3.2 控制器選擇

　　下位控制器選用C8051F310，理由如下：

　?。?1） C8051F310 具有17 個(gè)端口I /O; 均耐5V 電壓，大灌電流。被選擇作為數(shù)字I /O 的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。有4 個(gè)通用16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，與標(biāo)準(zhǔn)8051 的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器相比，它具有更強(qiáng)的功能并且需要較少的CPU 干預(yù)。每個(gè)捕捉/比較模塊都可以高速輸出或者8 位或16 位脈沖寬度調(diào)制器。這些功能保證了作為控制器的有效輸出控制繼電器［4］。C8051F310 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP － 51 提供14 個(gè)中斷源，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。C8051F310 包含16KB 的FLASH 程序存儲(chǔ)器，滿足使用。

　?。?2） C8051F310 系列MCU 內(nèi)部有一個(gè)SMBus /I2C 接口、一個(gè)具有增強(qiáng)型波特率配置的全雙工UART 和一個(gè)增強(qiáng)型SPI 接口。每種串行總線都完全用硬件實(shí)現(xiàn)，都能向CIP － 51 產(chǎn)生中斷，需要很少的CPU 干預(yù)，便于和RS485 總線接口通信。

　?。?3） C8051F310 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)允許大量的模擬和數(shù)字獨(dú)立工作，在需要時(shí)才中斷控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的MCU 干預(yù)，有更高的執(zhí)行效率。它包含8KB 的FLASH 程序存儲(chǔ)器，滿足使用。

　2 溫室控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好基礎(chǔ)。硬件結(jié)構(gòu)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮，硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是： 軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件實(shí)現(xiàn)來得長(zhǎng)，而且占用CPU 時(shí)間。因此，選擇方案時(shí)，要考慮到這些因素，整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到匹配。

　　2. 1 電源電路設(shè)計(jì)

　　電源電路的主要功能是提供采集模塊和控制模塊的芯片電能供給。需求有單片機(jī)所需數(shù)字電壓3. 3v，傳感器所需電壓5v、12v。以及模擬保護(hù)電壓3. 3av。具體電路如圖2 所示。

圖2 電源設(shè)計(jì)電路圖

　　2. 2 RS －485 通信接口電路設(shè)計(jì)

　　RS － 485 接口電路的主要功能是將來自微處理器的發(fā)送信號(hào)TXD 通過“發(fā)送器”轉(zhuǎn)換成通訊網(wǎng)絡(luò)中的差分信號(hào)，也可以將通訊網(wǎng)絡(luò)中的差分信號(hào)通過“接收器”轉(zhuǎn)換成被微處理器接收的RXD 信號(hào)。任一時(shí)刻，RS － 485 收發(fā)器只能夠工作在“接收”或“發(fā)送”兩種模式之一，因此，必須為RS － 485 接口電路增加一個(gè)收/發(fā)邏輯控制電路。在實(shí)際應(yīng)用中，電路中光耦器件的響應(yīng)速率將會(huì)影響RS － 485 電路的通訊速率。因而，可根據(jù)具體需要選用響應(yīng)速度較快的光耦器件6N136。6N136 是日本東芝公司生產(chǎn)的具有優(yōu)良特性的光電耦合器件，封裝了一個(gè)高度紅外發(fā)光管和光敏三極管。6N136 具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾性強(qiáng)、隔離電壓高、高速度、與TTL 邏輯電平兼容等優(yōu)點(diǎn)。具體電路如圖3 所示。

圖3 RS － 485 接口電路圖

　　3 系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)

　　在硬件電路的干擾主要有信號(hào)線相互之間的串?dāng)_，多點(diǎn)接地造成的電位差，寄生震蕩，元件熱噪聲，觸點(diǎn)電勢(shì)的影響，相鄰回路之間的耦合，數(shù)字地和模擬地的影響等。本系統(tǒng)中主要在以下的幾個(gè)方向進(jìn)行具體的硬件抗干擾設(shè)計(jì)。

　　3. 1 電源

　　電源的抗干擾設(shè)計(jì)是系統(tǒng)硬件抗干擾的關(guān)鍵。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。因采集單元和控制單元的功耗較小，對(duì)于需求的12V、5V、3. 3V 的直流電源都選用高性能的常用直流電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)。且對(duì)三級(jí)電壓需求逐級(jí)串聯(lián)用極性電容穩(wěn)壓，這樣得到的3. 3V 穩(wěn)壓電源性能更好。系統(tǒng)選用的工作電壓需求在2. 7V － 3. 6V 的單片機(jī)提供高質(zhì)量直流電源，以減少電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電源結(jié)構(gòu)圖

　　3. 2 接口電路

　　接口電路的抗干擾，主要是抑制干擾源，即盡可能減少干擾源的du /dt 和di /dt。減小du /dt 最有效的方法是在干擾源的兩端并聯(lián)電容，而減小di /dt 則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管等。

　?。?1） A/D 輸入通道

　　A/D 輸入通道并接RC 吸收電路，以消除干擾源的du /dt 影響。因采集單元的A/D 轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓選用3. 3v。設(shè)計(jì)時(shí)使用二極管分別接通3. 3v 和大地以進(jìn)行限幅保護(hù)。通過接地以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量值。具體電路如圖5 所示。

圖5 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路

　?。?2） 繼電器控制輸出

　　控制繼電器應(yīng)消除線圈斷開時(shí)的反電勢(shì)干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用光耦隔離來抑制繼電器可能引發(fā)干擾的侵入。光電耦合是一種光電結(jié)合器件，輸入端是發(fā)光器件（ 發(fā)光二機(jī)管） ，輸出端由光接受器件（ 光敏三極管）組成。當(dāng)工作電流達(dá)到發(fā)光二極管工作電流時(shí)，二極管將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，光敏三極管接收發(fā)光二極管發(fā)出的光信號(hào)，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，整個(gè)傳輸過程是通過一種電—光—電的轉(zhuǎn)換完成的，在電路上是完全隔離的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)繼電器隔離通道如圖6 所示。

圖6 繼電器隔離通道

　　3. 3 電路板設(shè)計(jì)

　　合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路板，能有效地切斷干擾的傳播途徑和抑制干擾源，同時(shí)還可以提高敏感元件（ 如單片機(jī)、數(shù)字IC、A/D、D/A 等容易被干擾的對(duì)象） 的抗干擾能力［7］。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采取如下措施：

　?。?1） 電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)分區(qū)。盡可能使干擾源遠(yuǎn)離敏感元件。大功率器件盡量布置在電路板的邊緣。

　?。?2） 布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲； 電源線和地線要盡量粗，除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。

　?。?3） 不用的單片機(jī)管腳，一律通過上拉電阻接電源。

　?。?4） 晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。

　　（ 5） 用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地一點(diǎn)匯集，呈“星形”狀。

　?。?6） 信號(hào)線的截面按壓降的原則來選擇。測(cè)控裝置的信號(hào)線中傳輸?shù)亩嗍侨蹼娏餍盘?hào)，信號(hào)線上盡管電流不大，但一般都較長(zhǎng)，如果線徑過細(xì)，勢(shì)必造成壓降過大。利用電路板空間，系統(tǒng)中選擇較大直徑布線。

　　4 結(jié)束語

　　根據(jù)溫室智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)三級(jí)控制結(jié)構(gòu)。依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)選擇合適的溫室參數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)采集器和控制器，分析通信功能選擇RS485 通信協(xié)議。確定硬件電路以及抗干擾措施，確保系統(tǒng)功能。系統(tǒng)自2010 年4 月份在寧夏國(guó)家經(jīng)濟(jì)林木種苗快繁工程技術(shù)研究中心E1 溫室投入運(yùn)行以來，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，效果良好。