專利名稱：基于fpga的灌溉控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)灌溉控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于FPGA實現(xiàn)的灌溉控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很重要的一個環(huán)節(jié)，是影響生產(chǎn)產(chǎn)量的重要因素，灌溉的自動控制則是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效 手段。隨著信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，灌溉系統(tǒng)智能化、高效化成為發(fā)展的方向。在水資源緊缺和生態(tài)環(huán)境雙重制約下，將信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)灌溉相結(jié)合，開發(fā)出一種適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀的智能灌溉系統(tǒng)具有重要的意義。2012年國際遙感會議公開了一款基于STC89C52 MCU的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于STC89C52引腳數(shù)目的限制，一個系統(tǒng)只能控制單個大棚或田塊的灌溉；另一方面，該系統(tǒng)只能接受上位機(jī)從串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)，沒有人工控制裝置，無法進(jìn)行人工干預(yù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的一個系統(tǒng)只能控制單個大棚或田塊灌溉的問題，并實現(xiàn)人工干預(yù)。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，包括控制器、控制面板、驅(qū)動電路和電磁閥，其中，電磁閥用于管路的打開和關(guān)閉，控制器與上位機(jī)和控制面板相連，接收來自上位機(jī)的灌溉命令和人工輸入的控制命令，并進(jìn)行分析處理，控制驅(qū)動電路開啟或關(guān)閉電磁閥，實施灌溉。本發(fā)明的特點還在于控制器由FPGA模塊和通信模塊組成，通信模塊與上位機(jī)相連，F(xiàn)PGA模塊與通信模塊和控制面板相連。每個管路設(shè)有一個電磁閥，控制不超過16個田塊或大棚的灌溉，控制面板由LED顯示和鍵盤控制模塊、田塊狀態(tài)模塊、鍵盤輸入模塊和數(shù)碼管顯示模塊組成，LED顯示和鍵盤控制模塊與FPGA模塊、田塊狀態(tài)模塊、鍵盤輸入模塊和數(shù)碼管顯示模塊)相連，田塊狀態(tài)模塊由4X4發(fā)光二極管陣列組成，發(fā)光二極管對應(yīng)表示FPGA模塊內(nèi)部存儲的田塊狀態(tài)，包括缺水、正在灌溉和正常三個狀態(tài)，鍵盤輸入模塊為4X4小鍵盤，提供用戶指令的輸入，通過LED顯示和鍵盤控制模塊傳輸給FPGA模塊進(jìn)行處理，數(shù)碼管顯示模塊包括12個共陰極數(shù)碼管，顯示年月日時分秒或用戶輸入。LED顯示和鍵盤控制模塊由兩片HD7279A組成，一片HD7279A連接8位共陰極數(shù)碼管和4X4小鍵盤，實現(xiàn)按鍵識別和低8位數(shù)據(jù)顯示，另一片HD7279A連接4X4發(fā)光二極管陣列和4位共陰極數(shù)碼管，顯示田塊狀態(tài)和高4位數(shù)據(jù)。當(dāng)有鍵按下時，連接鍵盤的HD7279A的key信號變高。控制器接收該信號后，向該HD7279A發(fā)送命令讀取鍵值，并發(fā)送命令控制HD7279A將按鍵顯示在數(shù)碼管上。FPGA模塊內(nèi)部包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、命令接收及日志上傳模塊、面板控制模塊、鍵盤命令接收模塊、鍵盤命令處理模塊、田間管理模塊、時間管理模塊、用戶管理模塊和數(shù)碼管顯示模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實現(xiàn)診斷決策系統(tǒng)與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸，命令接收及日志上傳模塊通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接收診斷決策系統(tǒng)發(fā)送來的灌溉命令并向上位機(jī)上傳日志文件，田間管理模塊根據(jù)接收到的灌溉命令對指定區(qū)域按照規(guī)定的灌水量等進(jìn)行灌溉，當(dāng)人工進(jìn)行干預(yù)時，用戶首先要通過身份驗證后才能輸入命令，用戶由用戶管理模塊管理，面板控制模塊接收控制面板上鍵盤輸入和控制控制面板上的數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示，鍵盤命令接收模塊接收鍵盤輸入并將其組裝成命令交給鍵盤命令處理模塊，鍵盤命令處理模塊完成命令規(guī)定的操作或把命令轉(zhuǎn)交給專門的模塊處理，時間管理模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)時間的管理，要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)碼管顯示模塊處理后在數(shù)碼管上顯示。FPGA模塊中的FPGA采用A3P030-VQ100芯片，無需外接存儲芯片。驅(qū)動電路由電源電路和電磁閥驅(qū)動電路組成，用以提供系統(tǒng)運行所需電壓并控制 電磁閥開關(guān)來實施灌溉。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(I)本發(fā)明采用FPGA模塊，通過Verilog HDL實現(xiàn)所有控制邏輯，具有用戶可編程性，功能強(qiáng)大且開發(fā)便捷。(2)本發(fā)明采用FPGA模塊，I/O引腳數(shù)目多，無需增加外圍接口電路就能夠同時控制多個大棚或田塊的灌溉，易調(diào)試，生產(chǎn)成本低。(3)本發(fā)明能同時實現(xiàn)自動控制和人工控制。不僅能通過通信模塊接收決策系統(tǒng)發(fā)送來的控制命令，同時也能通過控制面板完成人工的手動調(diào)整和控制。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的FPGA模塊的內(nèi)部模塊關(guān)系圖；圖3是本發(fā)明的FPGA模塊電路圖；圖4是本發(fā)明的一支電磁閥驅(qū)動電路圖；圖5是本發(fā)明的5V電源電路圖；圖6是本發(fā)明的3. 3V電源電路圖；圖7是本發(fā)明的控制面板的低8位數(shù)碼管和鍵盤連接電路圖；圖8是本發(fā)明的控制面板的高4位數(shù)碼管和發(fā)光二極管陣列連接電路圖。圖中，I.控制器，2.控制面板，3.驅(qū)動電路，4. FPGA模塊，5.通信模塊，6. LED顯示和鍵盤控制模塊，7.田塊狀態(tài)模塊，8.鍵盤輸入模塊，9.數(shù)碼管顯示模塊，10.電源電路，11.電磁閥驅(qū)動電路。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖I所示，基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)由控制器I、控制面板2和驅(qū)動電路3三部分組成。控制器中的FPGA模塊4與通信模塊5和控制面板2相連來實現(xiàn)與上位機(jī)和與控制面板之間的通信，控制面板中的LED顯示和鍵盤控制模塊6與田塊狀態(tài)模塊7、鍵盤輸入模塊8和數(shù)碼管顯示模塊9相連實現(xiàn)人工控制與顯示，驅(qū)動電路中的電源電路10和電磁閥驅(qū)動電路11均與控制器I相連用以執(zhí)行灌溉操作。
控制器I由FPGA模塊4和通信模塊5組成，是整個灌溉控制系統(tǒng)的核心。FPGA模塊4如圖2所示，內(nèi)部由數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、命令接收及日志上傳模塊、面板控制模塊、鍵盤命令接收模塊、鍵盤命令處理模塊、田間管理模塊、時間管理模塊、用戶管理模塊和數(shù)碼管顯示模塊等組成。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊通過通信模塊5實現(xiàn)診斷決策系統(tǒng)(運行在上位機(jī)上)與FPGA之間的數(shù)據(jù) 傳輸，接收來自診斷決策系統(tǒng)的灌溉指令，向診斷決策系統(tǒng)發(fā)送命令確認(rèn)信息和日志文件。命令接收及日志上傳模塊接收診斷決策系統(tǒng)發(fā)送來的灌溉命令并通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊向上位機(jī)上傳日志文件，F(xiàn)PGA接收到診斷決策系統(tǒng)發(fā)送來的灌溉命令后通過田間管理模塊對指定區(qū)域按照規(guī)定的灌水量進(jìn)行灌溉。FPGA模塊4內(nèi)部的面板控制模塊負(fù)責(zé)接收控制面板2上鍵盤輸入的命令，通過4X4發(fā)光二極管陣列顯示小區(qū)缺水狀況以及在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前時間和輸入的內(nèi)容。時間由專門的時間管理模塊進(jìn)行管理，要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)碼管顯示模塊處理后在數(shù)碼管上顯示。鍵盤命令接收模塊接收鍵盤按鍵，根據(jù)功能鍵(即進(jìn)入、命令、回車等)和命令類型(即參數(shù)的多少等)判斷輸入是否正確，并將其組裝成命令交給鍵盤命令處理模塊處理。操作人員使用鍵盤進(jìn)行操作控制時，首先按“進(jìn)入”鍵，輸入用戶代碼和密碼進(jìn)行身份驗證，只有通過身份驗證的人員才能進(jìn)行操作；否則蜂鳴，以防止非法操作。身份驗證通過后，按命令鍵輸入命令。命令輸入完，按回車鍵。如果該命令帶有參數(shù)，依次繼續(xù)輸入各個參數(shù)。每個參數(shù)輸入完畢后都要按回車鍵。任何時候按退出鍵，都可以退出命令輸入狀態(tài)。如果輸入出錯或超時，系統(tǒng)將蜂鳴提示，并退出命令輸入狀態(tài)。鍵盤命令處理模塊根據(jù)接收到的鍵盤命令及其參數(shù)判斷命令是否正確。如果正確，則完成其規(guī)定的操作或轉(zhuǎn)交專門模塊處理。否則，當(dāng)無效命令處理，不做任何操作。FPGA模塊4內(nèi)部的田間管理模塊負(fù)責(zé)對診斷決策系統(tǒng)發(fā)送來的灌溉指令以及鍵盤輸入的灌溉指令分析執(zhí)行，輸出控制信號，通過驅(qū)動電路3打開和關(guān)閉電磁閥，實現(xiàn)田間灌水。控制器I內(nèi)部有一個田塊狀態(tài)存儲器記錄各個田塊的狀態(tài)。控制器I通過通信模塊5接收到診斷決策系統(tǒng)發(fā)送來的灌溉命令后，根據(jù)區(qū)號將灌水量記錄在相應(yīng)田塊狀態(tài)中，將該田塊狀態(tài)置為缺水狀態(tài)，同時將灌溉時間設(shè)置為當(dāng)前時間延遲4小時。人為干預(yù)時,可以延時灌溉、設(shè)定灌水時間或取消灌溉。控制器接收到延時灌溉命令后，將該田塊狀態(tài)設(shè)置為延時灌溉。接收到設(shè)定灌水時間命令后，將該命令中的灌水時間記錄在相應(yīng)田塊狀態(tài)中，并修改該田塊狀態(tài)，不再表示延時灌溉。若接收到取消灌溉命令，則將相應(yīng)田塊狀態(tài)設(shè)置為不缺水。田間管理模塊不斷查詢田塊狀態(tài)記錄，如果某個田塊狀態(tài)記錄是缺水、無延時灌溉，且當(dāng)前時間與狀態(tài)記錄的灌水時間相匹配，就輸出控制信號，通過驅(qū)動電路3打開相應(yīng)田塊的電磁閥開始灌溉該田塊。使用流量計控制灌水量時，先將其初值與所需灌水量相加，然后每隔I秒鐘讀取一次流量計數(shù)值，該值大于或等于相加值時完成灌水；若不使用流量計，則需要根據(jù)流量來確定灌水時間。灌水量除以流量為所需灌水時間，當(dāng)前時間減去起始灌溉時間大于或等于所需灌水時間時完成灌水。灌水完成后，清除該田塊狀態(tài)記錄的缺水狀態(tài)。FPGA模塊4內(nèi)部的面板控制模塊根據(jù)田塊狀態(tài)記錄控制面板2上的4X4發(fā)光二極管陣列顯示各個田塊的缺水狀況。灌水時，對應(yīng)該田塊的發(fā)光二極管一亮一暗閃動。控制面板2是人機(jī)交互界面，其電路如圖8、9所示，由兩片HD7279A(U1、U2)、12個數(shù)碼管、4X4發(fā)光二極管陣列、4X4小鍵盤和蜂鳴器等組成，4X4發(fā)光二極管陣列、鍵盤和數(shù)碼管由兩片HD7279A驅(qū)動和控制。一片HD7279A(Ul)完成鍵盤掃描、接收鍵盤輸入和低8位數(shù)據(jù)的顯示，另一片HD7279A(U2)實現(xiàn)田塊狀態(tài)和高4位數(shù)據(jù)的顯示。HD7279A與控制器相連，接收控制器I的命令，報告識別出的按鍵，控制數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示。當(dāng)有鍵按下時，接鍵盤的HD7279A(U1)的key信號變高。控制器接收該信號后，向該HD7279A (Ul)發(fā)送命令讀取鍵值，并發(fā)送命令控制HD7279A將按鍵顯示在數(shù)碼管上。沒有按鍵操作時，數(shù)碼管顯示年月日時分秒4X4發(fā)光二極管陣列顯示田間管理模塊生成的田塊狀態(tài)表里的狀態(tài)。4X4小鍵盤為管理人員提供操作手段。管理人員可通過鍵盤輸入控制命令對系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)。發(fā)光二極管陣列顯示各大棚或田塊的缺水狀況。蜂鳴器在輸入錯誤時鳴叫，提示操作人員輸入出錯，或警示管理人員有意外發(fā)生。驅(qū)動電路3由電磁閥驅(qū)動電路11和電源電路10組成。控制器I通過電磁閥電路11控制電磁閥的開啟或關(guān)閉，實施灌溉。電源電路10為電路各個部分的正常工作提供所需要的電壓。本發(fā)明的FPGA模塊4電路如圖3所示，其中，A3P030-VQ100是FPGA模塊4 ；R201 一R209是電阻。本發(fā)明的一支電磁閥驅(qū)動電路如圖4所示，其中，U3是光隔離器Jl是繼電器；HDl是發(fā)光二極管；VD1是二極管；VT1是三極管；R1—R3是電阻。16支這樣的電路構(gòu)成本發(fā)明的電磁閥驅(qū)動電路11。各支電磁閥驅(qū)動電路的一端與FPGA模塊4A3P030-VQ100相連，另一端與一個電磁閥相連。控制器I通過電磁閥驅(qū)動電路11控制每個電磁閥的開啟或關(guān)閉。本發(fā)明的5V電源電路如圖5所示，其中，N2是三端穩(wěn)壓電源L7805CV ;VD95—VD98為二極管，組成整流橋，前面接變壓器，將220V變?yōu)?4V和12V ；HD92是發(fā)光二極管；C95—C99為電容。本發(fā)明的3. 3V電源電路如圖6所示，其中，N102是穩(wěn)壓器AMS1117 ;C104是電解電容；C105和C106是電容。本發(fā)明的控制面板2的低8位數(shù)碼管和鍵盤連接電路如圖7所示，其中，Ul為HD7279A ；SAO-SA15 為按鍵；R21—R36 為電阻；SA0 — SA15、R21—R36 構(gòu)成 4X4 小鍵盤；DSl—DS8為七段數(shù)碼管。本發(fā)明的控制面板2的高4位數(shù)碼管和發(fā)光二極管陣列連接電路如圖8所示，其中，U2為HD7279A ;DS9—DS12為七段數(shù)碼管；R37 — R44為電阻；HD1—HD16為發(fā)光二極管；HDl-HD16構(gòu)成4X4發(fā)光二極管陣列。圖7和圖8的DS1—DS12構(gòu)成數(shù)碼管顯示模塊。圖3至圖8為本發(fā)明的一個實施例的主要電路圖，圖中相同的信號連接在一起。
權(quán)利要求
1.基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，包括控制器 (I)、控制面板(2)、驅(qū)動電路(3)和電磁閥，其中，電磁閥用于管路的打開或關(guān)閉，控制器 ⑴與上位機(jī)和控制面板⑵相連，接收來自上位機(jī)的灌溉命令和人工輸入的控制命令，并進(jìn)行分析處理，控制驅(qū)動電路(3)開啟或關(guān)閉電磁閥，實施灌溉。
2.如權(quán)利要求I所述的基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于控制器(I)由FPGA 模塊(4)和通信模塊(5)組成，通信模塊(5)與上位機(jī)相連，F(xiàn)PGA模塊(4)與通信模塊(5) 和控制面板(2)相連。
3.如權(quán)利要求I和2所述的基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于每個管路設(shè)有一個電磁閥，控制不超過16個田塊或大棚的灌溉，所述控制面板(2)由LED顯示和鍵盤控制模塊(6)、田塊狀態(tài)模塊(7)、鍵盤輸入模塊(8)和數(shù)碼管顯示模塊(9)組成，LED顯示和鍵盤控制模塊(6)與FPGA模塊(4)、田塊狀態(tài)模塊(7)、鍵盤輸入模塊(8)和數(shù)碼管顯示模塊(9)相連，田塊狀態(tài)模塊(7)由4X4發(fā)光二極管陣列組成，發(fā)光二極管對應(yīng)表示FPGA模塊(4)內(nèi)部存儲的田塊狀態(tài)，包括缺水(長亮)、正在灌溉(閃爍)和正常(不亮)三個狀態(tài)， 鍵盤輸入模塊(8)為4X4小鍵盤，提供用戶指令的輸入，通過LED顯示和鍵盤控制模塊(6) 傳輸給FPGA模塊(4)進(jìn)行處理，數(shù)碼管顯示模塊(9)包括12個共陰極數(shù)碼管，顯示年月日時分秒或用戶輸入。
4.如權(quán)利要求3所述的基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于所述的LED顯示和鍵盤控制模塊(6)由兩片HD7279A組成，一片HD7279A(U1)連接8位共陰極數(shù)碼管和4X4小鍵盤，實現(xiàn)按鍵識別和低8位數(shù)據(jù)顯示，另一片HD7279A(U2)連接4X4發(fā)光二極管陣列和4 位共陰極數(shù)碼管，顯示田塊狀態(tài)和高4位數(shù)據(jù)；當(dāng)有鍵按下時，連接鍵盤的HD7279A(U1)的 key信號變高。控制器接收該信號后，向該HD7279A(U1)發(fā)送命令讀取鍵值，并發(fā)送命令控制HD7279A將按鍵顯示在數(shù)碼管上。
5.如權(quán)利要求4所述的基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于所述的FPGA模塊(4) 內(nèi)部包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、命令接收及日志上傳模塊、面板控制模塊、鍵盤命令接收模塊、鍵盤命令處理模塊、田間管理模塊、時間管理模塊、用戶管理模塊和數(shù)碼管顯示模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實現(xiàn)診斷決策系統(tǒng)(運行在上位機(jī)上)與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸，命令接收及日志上傳模塊通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接收診斷決策系統(tǒng)發(fā)送來的灌溉命令并向上位機(jī)上傳日志文件，田間管理模塊根據(jù)接收到的灌溉命令對指定區(qū)域按照規(guī)定的灌水量等進(jìn)行灌溉，當(dāng)人工進(jìn)行干預(yù)時，用戶首先要通過身份驗證后才能輸入命令，用戶由用戶管理模塊管理，面板控制模塊接收控制面板上鍵盤輸入和控制控制面板上的數(shù)據(jù)和狀態(tài)顯示，鍵盤命令接收模塊接收鍵盤輸入并將其組裝成命令交給鍵盤命令處理模塊，鍵盤命令處理模塊完成命令規(guī)定的操作或把命令轉(zhuǎn)交給專門的模塊處理，時間管理模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)時間的管理，要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)碼管顯示模塊處理后在數(shù)碼管上顯示。
6.如權(quán)利要求5所述的基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于所述的FPGA模塊(4) 中的FPGA采用A3P030-VQ100芯片，無需外接存儲芯片。
7.如權(quán)利要求6所述的基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，其特征在于所述的驅(qū)動電路(3) 由電源電路(10)和電磁閥驅(qū)動電路(11)組成，用以提供系統(tǒng)運行所需電壓并控制電磁閥的打開或關(guān)閉來實施灌溉。
全文摘要
基于FPGA的灌溉控制系統(tǒng)，包括控制器、控制面板、驅(qū)動電路和電磁閥，其中，電磁閥用于管路的打開和關(guān)閉，控制器與上位機(jī)和控制面板相連，接收來自上位機(jī)的灌溉命令和人工輸入的控制命令，并進(jìn)行分析處理，控制驅(qū)動電路開啟或關(guān)閉電磁閥，實施灌溉。本發(fā)明采用FPGA模塊，通過Verilog HDL實現(xiàn)所有控制邏輯，具有用戶可編程性，功能強(qiáng)大且開發(fā)便捷；本發(fā)明采用FPGA模塊，I/O引腳數(shù)目多，無需增加外圍接口電路就能夠同時控制多個大棚或田塊的灌溉，易調(diào)試，生產(chǎn)成本低；本發(fā)明能同時實現(xiàn)自動控制和人工控制。不僅能通過通信模塊接收決策，系統(tǒng)發(fā)送來的控制命令，同時也能通過控制面板完成人工的手動調(diào)整和控制。
文檔編號A01G25/16GK102972261SQ20121051109
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者來智勇, 李書琴, 蔚繼承, 代永里 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)