基于CAN总线的温室大棚温湿度监测系统方案开发

托普物联网开创智慧农业新时代！基于CAN总线的温室大棚温湿度监测系统方案开发摘要：以CAN总线通信网络为基础，设计了一种温室大棚内温、湿度等参数的自动监测与控制系统，介绍了系统的网络架构，CAN智能节点的硬件结构、数据采集系统及软件的设计方案，经在本市农业高科技同试用，该系统运行稳定，性能可靠，实现了对现场参数的远程监控。关键词：CAN总线；温室大棚；温、湿度数据采集；温湿度监测系统0引言随着我国新士地政策的实施，政府鼓励农民将承包的土地向专业大户、合作农场和农业园区流转，发展规模农业，实现农业产业化，并逐步调整产业结构。在此条件下，温室大棚种植、养殖业发展迅速，特别是无公害蔬菜大棚、花卉、育苗大棚在全国蓬勃发展，大棚质量不断提高，出现了机械强度高、抗风雪能力强、透光率高，操作管理方便，使用寿命长的玻璃棚、PC板棚等。为了提高管理水平，要求对大棚的管理实施自动化控制，以降低成本，提高生产效率。在对大棚的管理中，需要对棚内气体温度、湿度、浓度、土壤湿度等环境参数进行实时监控，以充分满足棚内作物生长的客观要求。随着大棚数量的增加，跨地区经营现象的增多，需要用传输能力强和通信距离远的监控系统来有效地对大棚进行监管。CAN总线技术具有先进的主网络结构，实时性好，通讯距离远，数据传输速率快，具有较好的差错控制能力，可靠性高、系统容量大、扩充容易、安装方便、维护费用低、性价比高等优点，特别适用控制节点多，分布较散的监控场所。因此，本设计采用CAN技术来实现对大棚内温、湿度等参数的监控。1温室大棚控制系统CAN总线网络的架构在任何测控系统中，都要通过测量装置获取被测环境中的相关数据信息，然后执行控制算法，做出相应的控制决策，启动执行设备来实现对系统的控制。基于CAN总线建立的测控系统将单个分散的测量装置和控制设备变成网络节点，利用总线上的节点具有总线通信功能、测量和控制功能实现对现场数据的采集与设备控制。本系统就是采用这种现场总线分布式数据采集与控制方式。系统主要包括现场数据采集控制系统、现场控制室、远端控制室三部分。其系统总体结构如图1所示。托普物联网开创智慧农业新时代！现场数据采集与控制系统的主要功能是通过采集分布于棚内各个传感器所采集的实时信息，并根据所得的信息发送控制命令，控制现场的设备，实现故障报警等功能。由于CAN总线的通信距离有限，而远端控制室和现场相隔较远，所以需对数据进行预处理，这由现场控制室完成。现场控制室主要由CAN接口适配器以及上位PC机组成，通过PC机将数据发送到远端的监控管理机上，远端的控制室主要由客户终端PC机、打印机等组成，PC机通过Internet以及客户终端的操作软件，对CAN节点传来的数据进行存储、分析、打印等基本操作，并对节点控制系统发出相关控制命令，以实现远程控制…。2硬件电路设计2．1CAN智能节点的硬件电路架构托普物联网开创智慧农业新时代！智能节点系统的硬件结构框图如图2所示。主要包括参数检测传感器、AT89S52单片机、CAN通信模块、报警模块、暖气控制电磁阀、冷却水控制阀、喷水电磁阀及其驱动电路、电平转换电路、液晶显示模块等。2．2CAN通信模块CAN通信模块的硬件设计如图3所示，电路主要由四部分组成，即微控制器AT89S52、独立CAN通信控制器sJAl000、CAN总线收发器82C50和高速光电耦合器6N137。sJA1000和单片机之间的数据通信通过单片机PO口进行，数据接收信号采用中断方式，以提高数据处理的实时性。CAN控制器SJAl000通过总线驱动器PCA82C250连接在物理总线上。PCA820C250器件提供对总线的差动发送能力和CAN控制器的差动接收能力。SJAl000的TXO和RXO通过高速光耦6N137与82C250相连，实现了收发器与控制器之间的电气隔离，保护智能节点核心电路．I：作安全，并实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。可在总线入口处并接双向稳压管，限制线路上可能出现的短时尖峰过电压，增加共模抑制线圈，以消除共模信号的干扰。信号传输到导线的站点时，会发生反射，干扰正常信号的传输，可在CAN总线两端并接2个120Q的电阻，起到匹配总线阻抗和消除反射的双重作用比。托普物联网开创智慧农业新时代！2．3温湿度传感器模块温湿度检测电路采用瑞士SENSIRION公司生产的具有12C总线接口的温湿度传感器芯片SHTll，该芯片能够直接提供温度在一40～+120C范围内，湿度在0～100％范围内的数字输出信号。SHT11具有数字式输出、免调试、免标定、一致性好等特点，非常适用于单片机温湿度测量与控制系统。图4为SHT11在该系统中的应用电路图。2．4土壤湿度的测量模块如图5所示，传感器采用硅湿度敏电阻，它在25℃时响应时间小于5S，检测土壤含水量范围为0～l00％。土壤湿度检测电路由湿敏电阻RH、晶体管VT以及Rl、R2等组成湿度信号放大电路由A1、RPl、RP2、R3、R4、R5、R8、VD3等组成，稳压电源电路为湿度检测电路提供2．5V的稳压电源。将湿敏电阻插托普物联网开创智慧农业新时代！入上壤中，因士壤所含水量不同，使得湿敏传感器的阻值不同，即VT的基极偏置电阻不同，使基极电流也不同，从而改变了VT的发射极电流，在R2上将射极电流转换成电压，并将该电压送到A1的同相输入端，经A1放大，A／D转换，送单片机进行处理。调整时将RH插入水中，调节RP2使A1输出为5V，然后将RH从水中取出并擦干，调节RPl使用A1输出为OV。2．5气体浓度检测模块不同大棚内种植的作物不同，对各种气体浓度的要求略有差异，从安全角度考虑，主要是对可燃气体的检测。在此以可燃气体的检测为例说明。本系统采用托普物联网开创智慧农业新时代！LXK一3气体传感器，该系列元件是‘‘种广谱性的气敏元件，适用多种可燃气体的检测和报警。图6为LXK一3在该系统中的应用电路图，其差分输出电压反映了气体的浓度变化。LXK一3的输出电压范围为-50～+50mv，AD623为集成单电源仪表放大器，当R4取典型值2．56KQ时，其增益为40，在REF引脚上加2．8V电压，其输出电压范围相对于地电平为0．8～4V，该电压经A／D转换后送单片机处理。3。。2．6驱动电路模块驱动电路包括暖气电磁阀驱动电路、喷水电磁阀驱动电路、冷却水电磁阀驱动电路、排气扇或气窗驱动电路。受篇幅限制，本文仅简单介绍暖气供应控制过程。当单片机的I／0口输出高电平时，经光电耦合器隔离，使三极管vT饱和导通，驱动继电器吸合，其常开触点闭合，电磁阀线圈通电而打开，暖气进入大棚内，使其温度升高，当温度升高到设定值时，单片机I／0口输出低电平，暖气供给电磁阀关闭，停止供暖气。当温度隆低到一定数值时，将再次起动电磁阀供暖气，如此反复自动进行，保证大棚内温度控制在设定的范围内，以满足作物生长要求。2．7显示模块显示模块采用FMl2864l液晶显示模块。它是一种图形液晶显示器，采用8位数据总线与CPU接口，并行输入输出。它主要由行驱动／列驱动和l28×64全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可显示8×4个(16×16点阵)汉字。3系统软件设计系统软件采用模块设计方式，由数据采集与处理模块、CAN通信模块、输出控制模块等组成。各模块在监控系统的程序调度下协调工作。3．1数据采集模块主要完成土壤湿度、大棚内空气温度与湿度、棚内气体浓度等数据的采集，并进行补偿和线性转换等处理，其程序流程如图7所示…。3．2CAN通信模块’由初始化程序、报文发送程序和报文接收程序3部分组成。节点的初始化指系统上电后，对微处理器和CAN控制器SJAl000进行的初始化，以确定工作托普物联网开创智慧农业新时代！主频、波特率和输出特性等。对CPU初始化主要是对中断、定时器的设置，对SJA1000的初始化是通过对CPU进行编程实现，SJA1000的初始化应在复位模式下进行，故要将．I：作方式置为复何模式，之后要设置验收滤波方式，验收屏蔽寄存器(AMR)和验收代码寄存器(ACR)，波特率参数和中断允许寄存器(IER)等．CAN协议物理层中的同步跳转宽度和通信波特率的大小由定时寄存器BRTO和BTRl的内容决定，对于一个系统中的所有节点，这两个寄存器的内容必须相同，否则将无法进行通信，初始化设置完成后，将复位请求位置“0”，sTAl000就可以进入工作状态，执行通信任务。发送程序：cAN接口的发送程序负责在需要时发送数据，在CAN与CPU连托普物联网开创智慧农业新时代！接的数据接口空闲的情况下，向CAN接口控制器SJAl000的数据发送缓冲区写入数据。即发送采用查询控制方式。数据的目的地，用数据的信息标识来表示，当发送的数据的目的地改变时，只要改变信息的标识即可。若发送的连续多个8位组数据，是同一个目的地，则可以保持信息标识不变，每次发送时，可将数据直接写入数据缓冲区。接收程序：CAN控制器SJAl000根据规则自动接收信息，将接收到的信息放入接收缓冲器，此时接收缓器状态标识RBS置为“1”，表示缓冲器中有接收到的信息，当接收数据缓冲区满时，被中断调用执行，读取缓冲区内的数据，然后释放缓冲区，允许接收新的数据，接收过程即可以通过SJAl000的中断请求，也可查询SJAl000的标志位来进行。4结束语本文将cAN总线网络应用于温室大棚内湿、湿度等参数的自动检测与控制中，通过CAN网络与以太网的连接，实现了现场智能节点问采集数据的传递和将数据信息快速、准确上传，根据大棚数量，可随时在总线上增删现场节点，而不会影响整个系统的工作。通过多点巡检系统，上位机可随时检测各现场节点的工作状况，并可实施对现场的控制系统进行操作，这种远程监控将减少企业运行中的风险，极大提高企业的管理效率与经济效益。同时CAN总线因其帧短，抗干扰能力强，可靠性高，能在恶劣环境下对现场数据进行采集，大大提高了对大棚内情况实施实时性、准确性和安全性监控，经本市农业高科技园使用，效果较好。托普物联网简介托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、托普物联网开创智慧农业新时代！GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。托普物联网三大系统产品我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）托普物联网模块化智能集成系统托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点