專利名稱：一種多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新的溫室環境與灌溉控制系統，特別是涉及多溫區群控技術，實現對多達ioo個以上溫區進行各自獨立的環境氣候與水肥灌溉的實時控制、管理，以滿足各溫區溫室作物栽培的要求。
背景技術：
溫室生產作為一種新的高效、優質、大規模農業生產方式，已在國內 外得到應用，并已愈來愈成為世界各國農業發展的一種趨勢。然而，縱觀溫室生產關鍵技術一_溫室計算機控制系統的發展，現有 系統普遍存在結構復雜、布局不合理的現象。目前溫室控制系統多采用兩級計算機分散控制結構，下級計算機控制 器可以有一至多臺，每臺完成對各自溫室小區的實時控制，上級計算機則負責整個溫室群的集中監控和搡作；上下級計算機之間釆用傳統的RS485 串行網絡或以太網進行通信連接，這種結構既要求下級計算機具有很強的 實時計算、實時控制的能力，又要求上下級之間具備大容量、復雜的數據 通信能力。而且因為溫室環境控制與灌溉控制，其要求互不相同，需專門 分別開發溫室環境控制器和灌溉控制器。由此，造成溫室控制系統開發制 造成本高、安裝使用和維護不方便等問題，影響了溫室生產的發展。因此，開發一種不降低性能而結構簡潔可靠，易于操作和維護的新型 溫室環境與灌溉控制系統，是溫室技術推廣和進步的必由之路。

發明內容
為了克服現有溫室控制系統在結構上和通訊能力上的不足，本發明提供
一種新的兩級計算機控制系統結構，以使其結構布局更合理，操作維護更 方便，并且價格成本降低。
本發明提出的多溫區溫室環境與灌溉控制系統的技術方案是該溫室 環境與灌溉控制系統釆用兩級集散型計算機控制系統結構。上級計算機作為集中監控機，釆用奔騰4以上工業控制計算機或商務PC機。其特點是，該上級計算機除了完成對眾多溫區的溫室環境與灌溉控制參數的設定、顯 示、記錄、報警、操作頁面管理等集中監控功能，更重要的是，還要負責完成多達100個以上各自獨立運行溫區的環境與灌溉控制策略調度、控制 算法計算等任務，并以簡捷高效的CAN現場總線通信協議，將計算的控制 量傳遞給下級計算機溫室單元控制器，將下級溫室單元控制器釆集所得的 各溫區環境信息和灌溉信息，傳取至上級計算機。
上述多溫區環境與灌溉控制系統，其特點在于，下級計算機為嵌入式 溫室單元控制器，僅用作智能I/O之用。用于完成現場信號的釆集并上傳 至上級計算機，以及忠實接收上級計算機輸出的控制量，驅動相關執行機 構。由于該控制器功能簡單、成本也降低、可靠性卻提高。
上述多溫區環境與灌溉控制系統，其特點在于引入了 io余種環境信息 和植物生理信息釆集，如溫度、濕度、C02濃度、光照、風速、風向、雨量、 灌溉水量、肥液PH/EC值、根系水勢、植株水勢、葉面溫度、植株莖粗、 果實膨大等，用于植物生長監測和水肥灌溉調控制。
上述多溫區環境與灌溉控制系統，其特點在于，嵌入式溫室單元控制 器，采用PIC系列的精簡指令集(RISC)微控制器，自帶40路標準I/0接 口通道(其中6路模擬量輸入通道，34路數字量輸入輸出通道)，通過接口 擴充，每臺嵌入式溫室單元控制器可擴展到100點以上I/O接口。
上述多溫區環境與灌溉控制系統，其特點在于，上下兩級計算機之間 釆用高速可靠的CAN現場通信連接，上級計算機內置CAN現場總線網卡， 采用雙絞線并聯連接方式組成CAN總線網絡，可連接多達110個溫室單元 控制器。 上述多溫區環境與灌溉控制系統，其特點在于，嵌入式溫室單元控制器的主控芯片PIC18F6585內集成了 CAN總線控制器，通過外擴的 MCP2551CAN總線驅動,形成CAN總線端口 CANH、 CANL。該CAN總線端口 采用插入自鎖式接線端子，保證各溫室單元控制器之間方便可靠的連接。上述多溫區環境與灌溉控制系統，其特點在于，嵌入式溫室單元控制 器的軟件為通用軟件，上級計算機的多溫區監控軟件為組態化的軟件。通 過上級計算機監控軟件的組態設置頁面，可自由設置眾多單元控制器的連 接，選擇每個溫區的傳感器和執行機構，并根據各溫區設備的不同，靈活改變其端口定義。 本發明的優點在于充分利用上級計算機強大的數據計算和軟件處理能力，將多溫區溫室 環境與灌溉控制系統的主要控制、監控、操作任務劃歸由上級計算機實現, 使下級機溫室單元控制器的軟件任務大大減少，并形成一個可對溫室設備 與I/O接口靈活組態的通用的組態化軟件系統。并且，使嵌入式溫室單元控制器的硬件得以簡化，整個控制系統結構更合理，性能更可靠，以更低 的開發成本與產品價格成本，滿足多溫區溫室環境與灌溉的控制要求，構 成了一種新型的溫室控制系統。下面結合附圖和實例對本發明進行進一步說明

圖1為"多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統結構框圖"圖2為"多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統電路模塊連接框圖"圖3為"多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統軟件組態程序流程圖"具體實施方式
如圖1本發明多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統由集中監控計算 機、智能氣象站、多個嵌入式溫室單元控制器、CAN現場總線實現及和溫室 群中各溫區的環境控制系統與灌溉系統的接口組成。集中監控計算機實現
了溫室監控和管理人機界面、溫室控制策略與控制算法的實現。智能氣象站負責采集溫室外面氣象數據，通過RS232和集中監控計算機通信連接。 溫室單元控制器分布在溫室群各溫區，采集溫區的環境和植物生理信息并 實現和溫室控制設備和灌溉系統接口，控制驅動溫室設備和灌溉。單元控 制器對溫室環境和植物生理信息只是進行簡單處理，對溫室設備的控制驅 動也不實現復雜的控制算法，這樣單元控制器可以采用低廉的微控制器實 現，控制系統對整個溫室群的所有溫區的復雜的信號處理、控制模型實現 和控制算法運算都在集中監控計算機實現。通過開發實現系統應用層的通 信協議，控制系統通過CAN現場總線實現集中計算機和各單元控制器間實時高速分布式通信并開發實現。如圖2所示，從硬件角度，多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統包括多個互相連接的電路模塊。電路模塊中的1為集中監控計算機，通過以 太網網關(圖中4)可以連接Internet/Intranet，用戶可以遠程訪問集中監 控計算機；通過和搡作臺(圖中3)相連，提供了一個溫室控制系統的數據 顯示、溫室控制操作、軟件組態設置、歷史數據分析和統計報表的給用戶 界面；通過RS232通訊和室外氣象站(圖中5)相連，可以獲得室外氣象站中 各種氣象傳感器(圖中6)提供的室外氣象數據(包括溫度、濕度、風向、 風速、光輻射、雨量等)；集中監控計算機通過連接CAN現場總線板卡和現 場總線網絡(圖中7)相連。現場總線網絡將集中監控計算機和多個的智能單 元控制器(圖中8)連接在一起構成系統通信網絡。每個單元控制器(圖中8)由CAN現場總線通信模塊(圖中9)、微控制器 (圖中10，采用PIC18F6585芯片)、輸入模塊(圖中ll)、輸出模塊(圖中 12，用達林頓管驅動電路或雙向可控硅電路驅動連接繼電器電路實現)組 成。單元控制器的輸入模塊(圖中ll)和各種傳感器(圖中13)相連，環境 參數傳感器可以采集溫室內的溫度、濕度、C02濃度、光照度等，植物生理 信息傳感器可以采集植物根系水勢、果實膨大率、莖粗變化率等，結合多 種傳感器信息，可以通過植物模型計算得到植物生長情況，從而可以結合 植物生長情況和溫室環境因子信息控制溫室環境和灌溉。單元控制器的輸 出模塊可以控制驅動溫室各種環境設備(圖中14),環境設備有溫室天窗、簾幕、加熱爐(或加熱管道)、C02發生器、灌溉施肥設備等。如圖3所示，多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統實現了自由靈活 的軟件組態功能，可以對單元控制器應用連接情況、溫室設備選配使用情 況以及實際連接的傳感器情況進行組態設置，使得控制系統可以自由靈活 地稍加配置就可以適應不同的溫室農業生產需求，也可方便適應同一或溫 室群內設備的增加或修改。本控制系統還可以根據需要，經過組態配置對 溫室控制策略和控制算法進行選擇，針對不同的溫室環境、不同的栽培作 物以及不同的生長季節等不同情況可以靈活選擇不同的溫室控制策略。組 態配置操作在集中監控制計算機上控制用戶界面上進行操作，配置參數結 果保存在集中監控制計算機上的數據內，控制系統的顯示界面可以根據組 態配置參數來顯示，和單元控制器相關的配置參數可以通過CAN現場總線 網絡下傳到單元控制器并保存到Flash存儲器中。
權利要求
1. 一種多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統，主要包括運行于集中監控計算機溫室控制軟件系統，基于CAN現場總線通訊網絡系統，分布在各個溫區的單元控制器組成。單元控制器包含微控制器、CAN現場總線通信模塊、數字量和模擬量的輸入輸出接口模塊，輸入模塊采集溫室中包括環境傳感器、植物生理傳感器等傳來的傳感信號并做信號處理，輸出模塊驅動控制溫室各種設備運行。集中監控計算機上的溫室控制軟件集中處理多溫區環境和植物生理信息，進行控制算法策略選擇和算法運算，將運算結果得出控制執行動作實時傳給各個單元控制器控制溫室設備運行。多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統具備組態設置功能，整個系統可以針對溫室具體情況對單元控制器、傳感器、控制設備、顯示界面及溫室控制策略等進行軟件組態設置以適應不同溫室農業生產管理對控制系統的需求。
2. 根據權利要求1所述的多溫區溫室環境與灌溉控制系統，采用兩級 計算機體系結構，應用現場總線實現多節點分布式通信，上位機用奔騰及 其兼容系列CPU的工業計算機或商務PC機，而下位機采用微控制器的應用 模式。
3. 根據權利要求1所述的在溫室控制系統中，采用現場總線分布式通 信，單元控制器負責簡單的信號釆集和簡單控制驅動溫室設備，復雜數據 信號處理、控制算法集中在集中監控計算機的監控系統體系結構。
4. 根據權利要求1所述的在溫室控制系統中針對多溫區溫室、溫室傳 感器采集信號情況、控制設備只要進行組態設置適應溫室農業生產管理對 溫室控制系統的軟件需求。
5. 根據權利要求1所述溫室控制系統中針對多溫區溫室不同溫室、不 同生產季節等情況通過組態配置進行溫室控制策略和控制算法選擇。
全文摘要
本發明是一種多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統，主要包括運行于集中監控計算機溫室控制軟件系統，基于CAN現場總線通訊網絡系統，分布在各個溫區的單元控制器組成。單元控制器包含微控制器、CAN現場總線通信模塊、數字量和模擬量的輸入輸出接口模塊，輸入模塊采集溫室中包括環境傳感器、植物生理傳感器等傳來的傳感信號并做信號處理，輸出模塊驅動控制溫室各種設備運行。集中監控計算機上的溫室控制軟件集中處理多溫區環境和植物生理信息，進行控制算法策略選擇和算法運算，將運算結果得出控制執行動作實時傳給各個單元控制器控制溫室設備運行。多溫區群控的溫室環境與灌溉控制系統采用組態軟件開發方法，整個系統可以針對溫室具體情況對單元控制器、傳感器、控制設備、顯示界面及溫室控制策略等進行軟件組態設置以適應不同溫室農業生產管理對控制系統的需求。
文檔編號G05B19/418GK101211178SQ20061014786
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月25日 優先權日2006年12月25日
發明者強 周, 張侃諭, 沈恩德 申請人:上海都市綠色工程有限公司;上海大學