专利名称：一种多温区群控的温室环境与灌溉控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新的温室环境与灌溉控制系统，特别是涉及多温区群控技术，实现对多达ioo个以上温区进行各自独立的环境气候与水肥灌溉的实时控制、管理，以满足各温区温室作物栽培的要求。
背景技术：
温室生产作为一种新的高效、优质、大规模农业生产方式，已在国内 外得到应用，并已愈来愈成为世界各国农业发展的一种趋势。然而，纵观温室生产关键技术一_温室计算机控制系统的发展，现有 系统普遍存在结构复杂、布局不合理的现象。目前温室控制系统多采用两级计算机分散控制结构，下级计算机控制 器可以有一至多台，每台完成对各自温室小区的实时控制，上级计算机则负责整个温室群的集中监控和搡作；上下级计算机之间釆用传统的RS485 串行网络或以太网进行通信连接，这种结构既要求下级计算机具有很强的 实时计算、实时控制的能力，又要求上下级之间具备大容量、复杂的数据 通信能力。而且因为温室环境控制与灌溉控制，其要求互不相同，需专门 分别开发温室环境控制器和灌溉控制器。由此，造成温室控制系统开发制 造成本高、安装使用和维护不方便等问题，影响了温室生产的发展。因此，开发一种不降低性能而结构简洁可靠，易于操作和维护的新型 温室环境与灌溉控制系统，是温室技术推广和进步的必由之路。
发明内容
为了克服现有温室控制系统在结构上和通讯能力上的不足，本发明提供
一种新的两级计算机控制系统结构，以使其结构布局更合理，操作维护更 方便，并且价格成本降低。
本发明提出的多温区温室环境与灌溉控制系统的技术方案是该温室 环境与灌溉控制系统釆用两级集散型计算机控制系统结构。上级计算机作为集中监控机，釆用奔腾4以上工业控制计算机或商务PC机。其特点是，该上级计算机除了完成对众多温区的温室环境与灌溉控制参数的设定、显 示、记录、报警、操作页面管理等集中监控功能，更重要的是，还要负责完成多达100个以上各自独立运行温区的环境与灌溉控制策略调度、控制 算法计算等任务，并以简捷高效的CAN现场总线通信协议，将计算的控制 量传递给下级计算机温室单元控制器，将下级温室单元控制器釆集所得的 各温区环境信息和灌溉信息，传取至上级计算机。
上述多温区环境与灌溉控制系统，其特点在于，下级计算机为嵌入式 温室单元控制器，仅用作智能I/O之用。用于完成现场信号的釆集并上传 至上级计算机，以及忠实接收上级计算机输出的控制量，驱动相关执行机 构。由于该控制器功能简单、成本也降低、可靠性却提高。
上述多温区环境与灌溉控制系统，其特点在于引入了 io余种环境信息 和植物生理信息釆集，如温度、湿度、C02浓度、光照、风速、风向、雨量、 灌溉水量、肥液PH/EC值、根系水势、植株水势、叶面温度、植株茎粗、 果实膨大等，用于植物生长监测和水肥灌溉调控制。
上述多温区环境与灌溉控制系统，其特点在于，嵌入式温室单元控制 器，采用PIC系列的精简指令集(RISC)微控制器，自带40路标准I/0接 口通道(其中6路模拟量输入通道，34路数字量输入输出通道)，通过接口 扩充，每台嵌入式温室单元控制器可扩展到100点以上I/O接口。
上述多温区环境与灌溉控制系统，其特点在于，上下两级计算机之间 釆用高速可靠的CAN现场通信连接，上级计算机内置CAN现场总线网卡， 采用双绞线并联连接方式组成CAN总线网络，可连接多达110个温室单元 控制器。 上述多温区环境与灌溉控制系统，其特点在于，嵌入式温室单元控制器的主控芯片PIC18F6585内集成了 CAN总线控制器，通过外扩的 MCP2551CAN总线驱动,形成CAN总线端口 CANH、 CANL。该CAN总线端口 采用插入自锁式接线端子，保证各温室单元控制器之间方便可靠的连接。上述多温区环境与灌溉控制系统，其特点在于，嵌入式温室单元控制 器的软件为通用软件，上级计算机的多温区监控软件为组态化的软件。通 过上级计算机监控软件的组态设置页面，可自由设置众多单元控制器的连 接，选择每个温区的传感器和执行机构，并根据各温区设备的不同，灵活改变其端口定义。 本发明的优点在于充分利用上级计算机强大的数据计算和软件处理能力，将多温区温室 环境与灌溉控制系统的主要控制、监控、操作任务划归由上级计算机实现, 使下级机温室单元控制器的软件任务大大减少，并形成一个可对温室设备 与I/O接口灵活组态的通用的组态化软件系统。并且，使嵌入式温室单元控制器的硬件得以简化，整个控制系统结构更合理，性能更可靠，以更低 的开发成本与产品价格成本，满足多温区温室环境与灌溉的控制要求，构 成了一种新型的温室控制系统。下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明
图1为"多温区群控的温室环境与灌溉控制系统结构框图"图2为"多温区群控的温室环境与灌溉控制系统电路模块连接框图"图3为"多温区群控的温室环境与灌溉控制系统软件组态程序流程图"具体实施方式
如图1本发明多温区群控的温室环境与灌溉控制系统由集中监控计算 机、智能气象站、多个嵌入式温室单元控制器、CAN现场总线实现及和温室 群中各温区的环境控制系统与灌溉系统的接口组成。集中监控计算机实现
了温室监控和管理人机界面、温室控制策略与控制算法的实现。智能气象站负责采集温室外面气象数据，通过RS232和集中监控计算机通信连接。 温室单元控制器分布在温室群各温区，采集温区的环境和植物生理信息并 实现和温室控制设备和灌溉系统接口，控制驱动温室设备和灌溉。单元控 制器对温室环境和植物生理信息只是进行简单处理，对温室设备的控制驱 动也不实现复杂的控制算法，这样单元控制器可以采用低廉的微控制器实 现，控制系统对整个温室群的所有温区的复杂的信号处理、控制模型实现 和控制算法运算都在集中监控计算机实现。通过开发实现系统应用层的通 信协议，控制系统通过CAN现场总线实现集中计算机和各单元控制器间实时高速分布式通信并开发实现。如图2所示，从硬件角度，多温区群控的温室环境与灌溉控制系统包括多个互相连接的电路模块。电路模块中的1为集中监控计算机，通过以 太网网关(图中4)可以连接Internet/Intranet，用户可以远程访问集中监 控计算机；通过和搡作台(图中3)相连，提供了一个温室控制系统的数据 显示、温室控制操作、软件组态设置、历史数据分析和统计报表的给用户 界面；通过RS232通讯和室外气象站(图中5)相连，可以获得室外气象站中 各种气象传感器(图中6)提供的室外气象数据(包括温度、湿度、风向、 风速、光辐射、雨量等)；集中监控计算机通过连接CAN现场总线板卡和现 场总线网络(图中7)相连。现场总线网络将集中监控计算机和多个的智能单 元控制器(图中8)连接在一起构成系统通信网络。每个单元控制器(图中8)由CAN现场总线通信模块(图中9)、微控制器 (图中10，采用PIC18F6585芯片)、输入模块(图中ll)、输出模块(图中 12，用达林顿管驱动电路或双向可控硅电路驱动连接继电器电路实现)组 成。单元控制器的输入模块(图中ll)和各种传感器(图中13)相连，环境 参数传感器可以采集温室内的温度、湿度、C02浓度、光照度等，植物生理 信息传感器可以采集植物根系水势、果实膨大率、茎粗变化率等，结合多 种传感器信息，可以通过植物模型计算得到植物生长情况，从而可以结合 植物生长情况和温室环境因子信息控制温室环境和灌溉。单元控制器的输 出模块可以控制驱动温室各种环境设备(图中14),环境设备有温室天窗、帘幕、加热炉(或加热管道)、C02发生器、灌溉施肥设备等。如图3所示，多温区群控的温室环境与灌溉控制系统实现了自由灵活 的软件组态功能，可以对单元控制器应用连接情况、温室设备选配使用情 况以及实际连接的传感器情况进行组态设置，使得控制系统可以自由灵活 地稍加配置就可以适应不同的温室农业生产需求，也可方便适应同一或温 室群内设备的增加或修改。本控制系统还可以根据需要，经过组态配置对 温室控制策略和控制算法进行选择，针对不同的温室环境、不同的栽培作 物以及不同的生长季节等不同情况可以灵活选择不同的温室控制策略。组 态配置操作在集中监控制计算机上控制用户界面上进行操作，配置参数结 果保存在集中监控制计算机上的数据内，控制系统的显示界面可以根据组 态配置参数来显示，和单元控制器相关的配置参数可以通过CAN现场总线 网络下传到单元控制器并保存到Flash存储器中。
权利要求
1. 一种多温区群控的温室环境与灌溉控制系统，主要包括运行于集中监控计算机温室控制软件系统，基于CAN现场总线通讯网络系统，分布在各个温区的单元控制器组成。单元控制器包含微控制器、CAN现场总线通信模块、数字量和模拟量的输入输出接口模块，输入模块采集温室中包括环境传感器、植物生理传感器等传来的传感信号并做信号处理，输出模块驱动控制温室各种设备运行。集中监控计算机上的温室控制软件集中处理多温区环境和植物生理信息，进行控制算法策略选择和算法运算，将运算结果得出控制执行动作实时传给各个单元控制器控制温室设备运行。多温区群控的温室环境与灌溉控制系统具备组态设置功能，整个系统可以针对温室具体情况对单元控制器、传感器、控制设备、显示界面及温室控制策略等进行软件组态设置以适应不同温室农业生产管理对控制系统的需求。
2. 根据权利要求1所述的多温区温室环境与灌溉控制系统，采用两级 计算机体系结构，应用现场总线实现多节点分布式通信，上位机用奔腾及 其兼容系列CPU的工业计算机或商务PC机，而下位机采用微控制器的应用 模式。
3. 根据权利要求1所述的在温室控制系统中，采用现场总线分布式通 信，单元控制器负责简单的信号釆集和简单控制驱动温室设备，复杂数据 信号处理、控制算法集中在集中监控计算机的监控系统体系结构。
4. 根据权利要求1所述的在温室控制系统中针对多温区温室、温室传 感器采集信号情况、控制设备只要进行组态设置适应温室农业生产管理对 温室控制系统的软件需求。
5. 根据权利要求1所述温室控制系统中针对多温区温室不同温室、不 同生产季节等情况通过组态配置进行温室控制策略和控制算法选择。
全文摘要
本发明是一种多温区群控的温室环境与灌溉控制系统，主要包括运行于集中监控计算机温室控制软件系统，基于CAN现场总线通讯网络系统，分布在各个温区的单元控制器组成。单元控制器包含微控制器、CAN现场总线通信模块、数字量和模拟量的输入输出接口模块，输入模块采集温室中包括环境传感器、植物生理传感器等传来的传感信号并做信号处理，输出模块驱动控制温室各种设备运行。集中监控计算机上的温室控制软件集中处理多温区环境和植物生理信息，进行控制算法策略选择和算法运算，将运算结果得出控制执行动作实时传给各个单元控制器控制温室设备运行。多温区群控的温室环境与灌溉控制系统采用组态软件开发方法，整个系统可以针对温室具体情况对单元控制器、传感器、控制设备、显示界面及温室控制策略等进行软件组态设置以适应不同温室农业生产管理对控制系统的需求。
文档编号G05B19/418GK101211178SQ20061014786
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月25日 优先权日2006年12月25日
发明者强 周, 张侃谕, 沈恩德 申请人:上海都市绿色工程有限公司;上海大学