基于电力载波的温室大棚分布式监控系统设计Word格式.docx
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基于电力载波的温室大棚分布式监控系统设计Word格式.docx
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造成了温室大棚温度系统具有非线性,大惯性,大滞后,时变等特性。
温室是一个复杂系统,是一个非线性、大延时的系统,PID又需要精确的数学模型,这就使温室大棚的控制进入到智能控制领域,智能控制算法有效地解决了此问题[5-6]。
控制器研究方面,最初采用单片机控制,而后是工控机控制器,随着技术的革新,PLC控制器和ARM控制器也随之产生。
现代的温室已经形成了完整的体系,包括无线传感器的运用进行数据采集和传输,嵌入式控制器的运用进行控制器设计等都在大棚中得到成功的运用[7-9]。
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综上所述,针对温室大棚存在的控制系统布线复杂、维护困难以及温室大棚远程监控的需要,提出了基于电力载波的温室大棚分布式监控系统设计酽锕极額閉镇桧猪訣锥顧荭。
2总体方案设计
电力载波的温室大棚分布式监控系统利用物联网技术,可通过独立监控器可以实时获取温室内部的空气温湿度、土壤水分温度、二氧化碳浓度、光照强度,通过采集的参数来实现自动调控湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温补光等设备,从而保证温室内环境最适宜作物生长,为作物高产、优质、高效、生态、安全创造条件。
同时,该系统借助电力载波通信模块经电网将数据发送给集中监控器,集中监控器将信息发送给PC,操作人员可以通过上位机实现温室大棚的远程监控,电力载波的温室大棚分布式监控系统框图如图2-1所示。
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图2-1电力载波的温室大棚分布式监控系统框图
3系统硬件设计
3.1传感器选型
温室大棚农作物生长环境信息检测主要包括:
空气的温湿度、土壤的温室度、二氧化炭浓度、光照强度,检测模块选型时必须满足系统设计的需要,同时考虑检测模块的信号输出接口以及检测模块可以正常工作的温度范围;
具体的温室大棚环境信息检测模块的选型及模块的性能指标如表3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6所示。
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表3-1DS18B20数字温度传感器性能参数
性能指标
工艺要求值
空气温度传感器
量程
-40-100℃
-55-125℃
精度
±
0.5℃
分辨率
.1℃
0.0625℃
供电电压
+3.0V-+5.0V
信号接口
单总线
工作温度
温室大棚空气湿度传感器选用的是USR-SENS-WSD温湿度数据采集模块,性能指标如表3-2所示,传感器如图3-3所示:
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表3-2USR-SENS-WSD湿度数据采集模块性能指标
空气湿度传感器
0-100%RH
2%RH
1%RH
0.1%RH
5.0VDC
RS232/RS485/TTL信号输出
-40-80℃
温室大棚土壤温湿度检测模块采用的是SMS-II-485土壤水分温湿度传感器,该传感器性能指标如表3-3、3-4所示:
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表3-3SMS-II-485土壤温湿度传感器性能指标
土壤温度传感器
-20-90℃
-40-90℃
2℃
1℃
+5V-+24V
RS485/模拟
表3-4SMS-II-485土壤温湿度传感器性能指标
土壤湿度传感器
0-100%
-0-100%
3%
1%
温室大棚空气二氧化炭浓度检测模块采用的是挂壁式二氧化炭浓度检测传感器,如图3-5所示。
表3-5挂壁式二氧化炭浓度传感器
0-10000ppm
40ppm
20ppm
24VDC
模拟
0-70℃
3.2执行器选型
微控制器是整个控制系统的核心,传感器检测温室大棚农作物生长环境信息,检测各项信环境息数据是否在正常范围内,执行器是用来调节农作物生长环境,通过执行器来保证被控变量在控制的范围内,所以执行器的选型也是特别重要的。
执行器选型首先要满足工艺的需要,工作的温度范围以及微控制器的接口。
执行器选型如表3-6所示。
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表3-6执行器选型
执行器类型
数量
电气参数
24V继电器
4
24V
220V继电器
13
220V
电磁阀
3
220V/24V/12V可选
补光灯
换气风机
1
中央空调风阀
2
其他预留执行接口
3.3独立监控器
独立监控器
MSP430F5438
电力载波通信模块
JTAG下载调试接口
状态指示电路
电源电路
按键电路
OLED液晶显示
环境检测传感器
执行电路
预留GPIO接口
继电器
每一个独立温室大棚都有一个独立监控器,独立监控器主要功能:
检测温室大棚农作物生长环境信息,并将环境信息实时显示在OLED液晶显示屏上;
微控制器通过对采集的环境信息进行运算后,控制器控制执行单元的输出来实现温室大棚农作物生长环境的实时调控,给农作物一个适宜的生长环境。
独立监控主要由以下几个部分组成:
JATG下载调试电路、环境检测传感器接口电路、继电器电路、执行电路、OLED液晶显示电路、按键与状态指示电路、电力载波模块、电源电路以及预留的GPIO接口电路。
独立监控器硬件设计框图如图2-4所示:
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图3-1独立监控器硬件设计框图
3.4集中监控器
独立监控器与集中监控器之间通过电网进行数据交换,借助电力载波模块将每个独立温室大棚农作物生长环境信息经电网传输给集中监控器,集中监控器一方面通过串口或者以太网口将接受到的温室大棚农作物生长环境信息发送到上位机,工作人员可以通过组态画面远程监控每一个温室大棚农作物生长环境信息,并可以通过组态给独立监控器发送指令,控制执行器的动作;
另一方面集中监控器可以将接受的温室大棚的环境信息实时的显示在OLED液晶显示屏上。
集中监控器主要包括:
PC监控接口、OLED液晶显示电路、按键及状态指示电路、电源电路、电力载波通信模块、预留串口、预留GPIO接口等;
集中监控器硬件电路设计框图如图2-5所示:
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集中监控器
MK60DN512ZVLL10
OLED液晶显示电路
预留串口接口1
PC监控接口
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图3-2独立监控器硬件设计框图
4系统软件设计
4.1独立监控器软件程序设计
独立监控器主要实现的功能为,检测温室大棚的环境信息,并将检测到的环境信息实时的显示在OLED液晶显示屏上,微控制器对采集的温室大棚环境信息进行处理,判断检测到温室大棚环境信息值是否在设定的目标范围内,若不在设定的范围内,微控制器通过设计好的控制算法控制执行器的输出,调节温室大棚农作物生长环境,保证温室大棚环境的适宜;
借助电力载波通信模块将采集回来的温室大棚环境信息通过电网实时的传送到集中监控器。
如果温室大棚环境信息超出适宜的温室大棚环境,独立监控器将通过声光报警器进行报警,提示工作人员出现异常。
独立监控器工作流程图如图4-1所示:
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开始
系统初始化
数据采集
系统硬件测试程序
环境信息显示电力载波发送
判断环报警条件是否成立
报警
调节阀保持不变
否
是
判断环境参数是否在控制范围内
手动消除报警
继电器电路
调节阀
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图4-1独立监控器程序流程图
4.2集中监控器软件程序设计
集中监控器与独立监控器利用电力载波模块经电网进行数据的交换,集中监控器的主要功能为:
接受独立监控器发送的数据、读取独立监控器的硬件地址、给独立监控器发送指令、将接受到的信息实时的显示在液晶显示屏上、将温室大棚农作生长环境信息以及独立监控器的硬件地址通过串口或者以太网口发送给上位机,工作人员可以通过组态软件对温室大棚进行数据的记录与分析,实现温室大棚的远程监控。
集中监控器软件流程图如图4-2所示:
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接受独立监控器信息
液晶显示实时信息并发送到PC上位机
判断环是否有键按下
按键处理程序
坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚跻馱。
图4-2集中监控器程序流程图
4.3电力载波模块通信协议选择
KQ-130电力载波模块通信接口波特率9600bps,用户与模块通讯请采用9600bps异步方式,格式为1个起始位,8个数据位1个停止位格式。
KQ-130电力载波模块通过MODE脚控制模块通信格式;
当MODE处于高电平时KQ-130电力载波模块使用透明工作方式;
当处于低电平时KQ-130电力载波模块使用自定义工作模式。
MODE引脚处于
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