基于Lonworks总线技术的温室智能控制器设计

２００８年９月　农机化研究　第９期　基于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ总线技术的温室智能控制器设计　何鹏，孙立君　（齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔　１６１００６）　摘要：随着自动检测技术、通信技术、计算机技术的＿不断发展，推动了温室控制技术的不断提高，温室的环境　控制技术由以前的集中控制与集散控制发展成总线控制，智能化温室控制技术开始在农业生产领域获得应用。　为此，介绍了基于￣ｎｗｏｒｋｓ现场总线的温室环境控制系统的组成和工作原理，给出了一个￣ｎｗｏｒｋｓ现场总线在温　室中的应用实例，并对整个温室控制系统的架构以及主要功能模块的功能进行了详细的描述，包括温湿度系统、　光照系统和二氧化碳系统等。　关键词：温室智能控制器；￣ｎｗｏｒｋｓ；温室控制技术　中图分类号：Ｓ６２５．５　１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—１８８×（２００８）０９－００８４－０３　０引言　线的智能控制系统，它由分布在温室各个角落的智能　节点和控制室中的控制机通过双绞线组网而成。此　农业在中国占有很大的比重，农业发展的好坏始　温室控制系统的结构图，如图１所示。该系统由传感　终是影响我国经济发展和社会和谐的重要因素，作为　器、执行器和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ智能节点组成，智能节点对温　设施农业中的重要内容温室已经成为农业现代化的　室内温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度等资料进行　标志性工程。目前，各类现场总线技术在温室环境控　采集，利用内嵌的模糊控制算法或用户要求进行控　制系统中得到了应用…。其中，Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线是　制，同时还可以接收上位机的命令和参数执行相应的　一种全数字化、双向、多站的通信系统，由它构成的现　操作。基于ＭＳＣ１２１０芯片构造的单片机从Ｉ／Ｏ口采　场总线控制系统易与楼宇控制系统以及互联网集成。　集所需要的温度等信号，经过分析处理后，将数据通　在温室中采用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线技术组成温室控制　过Ｉ／Ｏ口传给智能节点；智能节点收到数据后，通过　系统可以降低系统硬件成本，尤其是针对大面积温室　Ｌｏｎｗｏｒｋｓ总线与主机进行通讯，共同完成控制算法，　群控制，其监控系统建造成本和传统的计算机监控系　得到控制信号后将其回传给单片机系统由单片机系　统相比将大幅度降低，并且简化传感与执行装置的布　统实现控制功能。温室控制系统的从属关系图，如图　线工作量，提高温室建造的工效，可以显著改善和减　２所示。　少运行费用。由于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线具有完全的开　放性和可扩展性，在原有基于现场总线的温室系统的　基础上，增加被控温室的数量以及监控系统扩展的费　用十分低廉。因此，基于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线的温室控　制系统的研究与应用，以及采用合理有效的控制策略　来改善系统的性能就显得非常重要。　１　智能控制器电路设计　温室的控制功能是由相应的部件来实现的，包括　各种传感器、单片机和计算机等　。考虑到温室实际　情况和需求，本文设计并实现了一种基于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ总　收稿日期：２００７一ｌｌ—ｌ３　基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（１１５１ｌ４４３）　作者简介：何鹏（１９７０一），男（蒙古族），黑龙江肇源人，副教授，硕　图１温室控制系统结构图　士，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｈｐｈ￣＠１６３．ｃｏｒｎ。　・８４・　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年９月　６路Ａ／Ｄ　农机化研究　温湿度传感器　光照传感器　第９期　温室内温度的控制。　２）光照度的控制：通过在温室中安装补光灯，由　程序控制补光灯的开启和关闭。当光照弱时就开启　补光灯，光照强时就关闭补光灯，启动遮荫网设备，这　个设备也是由步进电机控制的。　转换电　智　能　节　ＭＳＣ１２１０　Ｙ５　路　点　模　块　４路Ｉ，０　输出电　路　３）二氧化碳浓度的控制：这个控制和对地热管道　的控制一样，也是通过步进电机对二氧化碳输出管道　阀门进行控制，从而可以实现温室内二氧化碳浓度的　控制，使其浓度达到平衡。步进电机驱动电路，如图４　网卡　【．　一计算机　所示。　图２温室控制系统从属关系图　１．１温室信息的采集　在温室中安装ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器、ＬＴ／Ｄ光照　传感器及ＮＤＩＲ二氧化碳传感器，基于ＭＳ　Ｃ１２１０芯片　构造的单片机从Ｉ／Ｏ口采集所需要的温度、光照度等　信号，经过分析处理后，将数据通过Ｉ／０口传给智能　节点；智能节点收到数据后，通过Ｌｏｎｗｏｒｋｓ总线与ＰＣ　机进行通讯，实现了对温室信息的采集。这里说的分　析处理主要指Ａ／Ｄ转换，由于传感器从温室中采集的　信息都是模拟量，需要转化为数字量才能传送，　ＭＳＣ１２１０本身自带Ａ／Ｄ转换电路，可以把从温室中　采集的模拟量转化为数字量，才能在往数据总线上上　传，传给智能节点。其信息采集电路如图３所示。　图４步进电机驱动电路　２智能控制器软件设计　在本设计中，节点间的通信主要通过网络变量完　成，主要用于节点间互相交换传感器资料及开关状态　等。软件主要包括单片机系统控制程序模块和神经　元芯片程序模块。下面是智能控制器的部分控制程　序，通过网络变量从传感器获得当前值。程序的开发　和调试采用ＮｅｕｒｏｎＣ在ＬｏｎＢｕｉｌｄｅｒ平台上完成，软件　设计遵循了软件工程学中“自顶向下，逐层细化”的设　计原则，将软件系统分解为若干功能模块，各个功能　图３温室信息采集电路　模块之间既相互联系，又相互　。　１．２温室信息的控制　部分程序如下：　１）温度的控制：针对黑龙江省的气候条件，冬季　＃ｐｒａｇｍａ　ｅｎａｂｌｅ—ｉｏ—ｐｕｌｌ—ｕｐｓ　寒冷，因此对温室温度的控制主要是加温，在温室中　＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜ＳＮＶＴ—Ｌｅｖ．ｈ＞　添加加温装置是非常必要的。本文选用的是通过热　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＬＡＭＰ＿ＯＮ　１　水管道进行加温，由Ｌ２９８Ｎ驱动的步进电机实现了对　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＬＡＭＰ＿ＯＦＦ　０　热水管道阀门的控制，温度传感器采集的温度信息通　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎｐｕｔ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；／／定义温度网络变量　过单片机进行处理，传到神经元芯片，最后传给控制　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎｐｕｔ　ＳＮＶＴｌｅｖｄｉｓｃ　ｎｖ——＿ｌａｍｐ；　／／定义　机房；当温室内温度低于作物生长需求的温度时，控　光灯开关网络变量　制机房就控制神经元芯片内置的程序控制单片机实　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎｐｕｔ　ＳＮＶＴ—ｌｅｖ—ｄｉｓｃ　ｎｖ—ｈｅａｔ；　／／定义力Ⅱ　现对步进电机的控制，开启热水阀门，从而实现了对　热开关网络变量　・８５・　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年９月　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎｐｕｔ　ＳＮ　ｓｃ　ｎｖｌｅｖｄｉ——农机化研究　ｉｒｒｉｇａｔｅ；／／定义　ｐｏｌｌ（ｎｖ—ｌａｍｐ）；　ｐｏｌｌ（ｎｖ—ｉｒｒｉｇａｔｅ）；　第９期　ＣＯ　供给网络变量　ＩＯ－ｏ　ｏｕｔｐｕｔ　ｂｉｔ　ｏｖｅｒＬＡＭＰ＝ＬＡＭＰ＿ＯＦＦ；　／／定义　｝　超温灯报警　　ｏｕｔｐｕｔ　ｂｉｔ　ＩｏｗＬＡＭＰ＝ＬＡＭＰＩＯ１—一ＯＦＦ；　／／定义　３结论　本文提出并实现了一种基于ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线结构　低温灯报警　ＩＯ－２　ｏｕｔｐｕｔ　ｂｉｔ　ｗｉｎｄ＝０；　／／定义风机开关　ＩＯ＿３　ｏｕｔｐｕｔ　ｂｉｔ　ｈｅａｔ＝０；　／／定义加热开关　１０＿的温室智能控制系统，从硬件、现场总线等方面进行　了系统的研究和探讨，设计了一种基于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现　场总线的智能控制器。它既能完成与ＬｏｎＷｏｒｋｓ网络　的通信，又可作为处理器进行常规的信号采集、分析　处理和实时控制，并通过单片机系统进行功能扩展，　能够满足不同场合的控制需求。这一智能控制器的　设计可为其它多参数多变量控制系统的开发提供一　定的借鉴。　参考文献：　［１］杜尚丰，李迎霞，马承伟，等．中国温室环境控制硬件系统　研究进展［Ｊ］．农业工程学报，２００４，２０（１）：７—１１．　［２］杨卫中，王一鸣，李海健．基于现场总线思想的分布式智　能温室控制系统［Ｊ］．农业工程学报，２００６，２２（９）：１６３—　１６７．　４　ｏｕｔｐｕｔ　ｂｉｔ　ｉｒｒｉｇａｔｅ＝０；　／／定义ＣＯ２供给开　关　１０５　ｏｕｔｐｕｔ　ｂｉｔ　ｌａｍｐ＝０；　／／定义补光灯开关　Ｗｈｅｎ（ｎｖ—ｕｐ　ｌａｔｅ—ｏｃｃｕｒｓ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ））　｛　ｉｆ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ＞２７）　｛ｉｏ—ｏｕｔ（ｏｖｅｒＬＡＭＰ，ＬＡＭＰ＿ＯＮ）；　ｉｏ—ｏｕｔ（ＩｏｗＬＡＭＰ，ＬＡＭＰ＿ＯＦＦ）；｝　ｉｆ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ＜１６）　｛ｉｏ—ｏｕｔ（ＩｏｗＬＡＭＰ，ＬＡＭＰ—ＯＮ）；　ｉｏ＿ｏｕｔ（ＩｏｗＬＡＭＰ，ＬＡＭＰ＿ＯＦＦ）｝　｝　ｗｈｅｎ（Ｒｅｓｅｔ）　［３］　杜辉，胥芳，陈教料．基于ＣＡＮ总线网络技术的温室　控制系统设计［Ｊ］．机床与液压，２００４，４８（６）：１１７—１１８．　｛ｐｏｌｌ（ｎｖ＿ｗｉｎｄ）；　ｐｏｌｌ（ｎｖ—ｈｅａｔ）；　［４］　何黎明，饶家明，田作华．基于现场总线的温室分布式控　制系统［Ｊ］．计算机工程，２００２，２８（４）：２２２—２２３．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ｏｆ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｌｏｎｗｏｒｋｓ　ＨＥ　Ｐｅｎｇ，ＳＵＮ　Ｌｉ—ｉｉｌｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｑｉｈａｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｑｉｈａｒ　１６１００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｕｔｏ—ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｒａｐｉｄｌｙ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｆｒｏｍ　ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｏ　ｉｅｌｄ　ｂｕｓ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｆ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｏｖｅｒｓｅａｓ　ｗｈｉｌｅ　ｉｔ　ｗａｓ　ｄｅｅｐｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎ　ｃｈｉｎａ．Ｉｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｌｏｎｗｏｒｋｓ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｇｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｓｙｓｔｅｍ，ＣＯ２　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｌｏｎｗｏｒｋｓ；ｑｒｅｅｒｈｏｕｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　・８６・