（电路与系统专业论文）基于rcm2200的网络型温室控制系统设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于r c m 2 2 0 0 的网络型温室控制系统设计 摘要 温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上，通过改变环境因 子如温度、湿度、光照等来获得作物生长的最佳条件，从而达到增加 作物产量、改善作物品质、调节生长周期、提高经济效益的目的的一 种手段。将计算机技术、网络技术和传感器技术结合实现农业温室的 计算机智能控制是现代农业发展的重要手段和措施，发展受控农业、 研究适合我国国情的温室环境智能控制系统具有重要的意义和应用前 景。 本文对现有的采集控制系统结构及发展变化过程进行了充分的分 析比较，参考国外先进的控制系统软件，指出了现有控制系统的局限 性和不足之处，在此基础上提出了基于r c m 2 2 0 0 的网络型温室控制系 统整体设计方案，并给出了具体的实现方法和步骤。 系统以z w o r l d 公司生产的核心控制模块r c m 2 2 0 0 为核心c p u ， 充分利用了核心模块内置的以太网网络接口、大容量扩展存储空间及 底层t c w i p 协议库，从系统的灵活性和可扩展性方面出发，对系统的 数据采集、控制输出、人机交互界面、串口及网络通讯部分给出了的 设计方案，其中重点分析了传感器数据采集、串口通讯的硬件及通讯 协议、针对不同条件的控制逻辑以及网络通讯的软件设计并对实验装 置进行了调试。设计提出了硬件“松耦合”设计思想和基于r s 一4 8 5 总 太原理工大学硕士研究生学位论文 线的数据采集传输机制，加之端口设置灵活，大大提高了系统的通用 性和可扩展性。基于t c p i p 的网络通讯解决了传统总线方式下无法实 现的跨平台、跨地域的数据传输可靠性问题。 设计给出了系统的电路原理图和对应的调试程序，同时就部分电 路的实际应用作了详细的分析说明。 关键词：环境控制，传感器，r c m 2 2 0 0 ，r s - 4 8 5 ，网络通讯 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i g no fn e t w o r kt y p e g r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o nr c m 2 2 0 0 a b s t r a c t g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t a lc o n t r o ll sam e t h o dt om a k et h eb e s t g r o w i n gc o n d i t i o nf o rt h ec r o p sa n da c h i e v i n gt h eg o a lo fc r o p s o u t p u t y e i l d 、q u a l i t yi m p r o v e m e n t 、g r o w t hc y c l ea d j u s t m e n ta n de c o n o m i c e f f i c i e n c ye n h a n c e m e n tw h i c hi sb a s e do nt h ef u l lu s eo fn a t u r a lr e s o u r c e t h r o u g hc h a n g i n ge n v i r o n m e n tf a c t o r ss u c h a st e m p e r a t u r e 、h u m i d i t y 、l i g h t e t c i m p l e m e n t i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o lo fg r e e n h o u s eb yt h ei n t e g r a t eo f c o m p u t e rt e c h n i q u e 、n e t w o r kt e c h n i q u ea n ds e n s o rt e c h n i q u ei sai m p o r t a n t w a yt od e v e l o pm o d e ma g r i c u l t u r ea n dc o n t r o l l e da g r i c u l t u r e ，d e v e l o p i n g c o n t r o l l e d a g r i c u l t u r e 、e x p l o r i n gg r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t i n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e mw h i c hs u i t sf o rc h i n a s s p e c i f i cc o n d i t i o n s i so fg r e a t i m p o r t a n c e t h ep a p e rm a k e sac o m p l e t er e s e a r c ho f r e c e n ta c q u i s i t i o na n dc o n t r o l s y s t e m ss t r u c t u r ea n dd e v e l o p i n gp r o c e s s ，u s i n ga d v a n c e dc o n t r o ls y s t e m s o f t w a r ea sr e f e r e n c e ，p o i n t so u tt h el i m i t a t i o na n ds h o r t c o m i n ga n d p r o p o s e sao v e r a l lp l a no f an e t w o r kt y p eg r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o nr c m 2 2 0 0 c o n c l u d i n gt h ed e t a i l e dm e t h o da n ds t e p r c m 2 2 0 0c o r em o d u l ep r o d u c e db yz - w b d dc o m p a n yi ss e l e c t e da s t h ec p uo ft h es y s t e m t h r o u g hm a k i n gf u l lu s eo fe t h e m e tp o r te m b e d d e d i nt h ec o r e 、l a r g ec a p a c i t ye x p e n s e ds p a c ea n dt c p i pp r o t o c o ll i b ， 川 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t e m m i n gf r o mt h ec o n s i d e r a t i o no ft h ee x t e n s i o na n df l e x i b i l i t y ，t h e s y s t e md e s i g np l a n i s p r o v i d e dw h i c hi n c l u d e sp a r t s o fs e n s o rd a t a a c q u i s i t i o n 、c o n t r o l l e do u t p u t 、u s e r i n t e r f a c e 、s e r i a la n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，m o r ea t t e n t i o ni sp a i do ut h eh a r d w a r ed e s i g no fs e n s o r d a t aa c q u i s i t i o na n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n 、s o f t w a r ed e s i g no fc o n t r o ll o g i c d i r e c t e dt o w a r dd i f f e r e n tf a c t o ra n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n d e b u g g i n g w o r ki sa l s op r o c e s s e do nt h ee x p e r i m e n td e v i c e ad e s i g nt h o u g h to f l o o s ec o u p l i n g a n dd a t at r a n s f e rm o d eb a s e do nr s - 4 8 5b u sa r ep r o p o s e d i nt h ep a p e r , i na d d i t i o n p o r t so ft h es y s t e mc a nb ec o n f i g u r e df l e x i b l e ，s o t h ev e r s a t i l i t ya n da u g m e n t a b i l i t ya r eg r e a t l yi m p r o v e di nt h es y s t e m t h e r e l i a b i l i t yp r o b l e m o fd a t at r a n s f e rb e t w e e nd i f f e r e n ta r e a sa n dp l a t f o r m si s s o l v e dt h r o u g hn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb a s e do nt c p i pp r o t o c 0 1 t h es c h e m a t i ca n dp r o g r a mo ft h es y s t e ma r ep r o v i d e di nt h ed e s i g n ， a tt h es a m et i m e , t h ea p p l i c a t i o no fs o m ec i r c u i t su s e di np r a c t i c ei s a n a l y z e di nd e t a i l k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a lc o n t r o ui n g ，s e n s o r , r c m 2 2 0 0 ，r s - 4 8 5 ， n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：b z 埠 日期：2 盎z 上塾l 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：选奎 日期：盛丝z 垒主五 导师签名：盗乏蓬日期：! z ：生主! 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题设计背景及意义 第一章绪论 中国是农业大国，设施农业总面积占世界的7 0 ，设施大都比较简单，大量 的作业和调整都要人工操作，作物生长的小环境中环境因子调控程度很低，这样 使温室生产的潜力和效率与国外的工厂化生产相比还有很大差距，生产效率只有 国外发达国家的2 0 3 0 i i j 。 目前，我国温室面积处于前三位的分别是上海、北京和山东，现代化大型温 室的建立对于解决大城市的四季蔬菜问题有深远的意义，至1 9 9 9 年底，我国各类 温室约5 0 万公顷，在面积上已居世界第一位，但现代化温室近1 0 0 0 h a ( 公顷) ， 仅占o 2 。到2 0 3 0 年，我国的温室种植面积将达到1 7 0 万公顷甚至更多，温室 计算机控制管理系统在我国农业方面还将有极大的应用空间。随着城市建设的发 展和人们生活质量的提高，对鲜花的需求量越来越大，品种越来越多，质量越来 越高，而且有时要求鲜花不分季节连续产出，在这种条件下用传统的栽培方式已 无法满足要求，这就更需要对生长进行精确控制，所以花卉比其它作物种植更需 要温室计算机控制与管理系统。我国是世界上花卉种植面积最多的国家之一，我 国的花卉种类繁多，加上花卉属于附加值较高的作物，在计算机控制和管理上加 大投入定能得到更多的回报。目前的这些温室自动化程度还很低，现代化温室仅 占2 左右，所以温室计算机控制和管理系统在设施园艺方面的应用前景非常广阔 【2 l 。 温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上，通过改变环境因子如温度、 湿度、光照等来获得作物生长的最佳条件，从而达到增加作物产量、改善品质、 调节生长周期、提高经济效益的目的一种手段。近几年来，我国在温室结构和温 室控制两方面开展了不少研究。国家在“九五”攻关项目中启动了有关温室设施 及配套装备的研制课题；2 0 0 1 年，国家在“十五”攻关项目中启动了“温室环境 智能控制关键技术研究与开发”课题；2 0 0 1 年，国家“8 6 3 ”计划“可控环境农 太原理工大学硕士研究生学位论文 业生产技术”研究内容包含研制可控环境自动控制系统、信息自动采集系统等； 2 0 0 3 年国家计委启动了“设施农业技术集成产业化示范”课题；国家自然科学基 金生命科学部对设施园艺也设立了重点项目。这些都说明在设施环境中，控制技 术是相当重要的【。 温室环境智能控制系统将成为现代农业发展的重要手段和措施。它的功能在 于以先进的技术和现代化设施人为控制作物的环境条件，使作物生长不受自然气 候的影响，作到常年工厂化，且进行高效率、高产值和高效益生产。实践证明， 发展受控农业、研究适合我国国情的温室环境智能控制系统具有重要意义和广阔 的应用前景。 1 2 国内外温室控制技术技术发展现状 1 2 1 国外温室控制技术现状 国外对温室环境控制技术研究较早，始于2 0 世纪7 0 年代。先是采用模拟式的 组合仪表采集现场信息并进行指示、记录和控制。8 0 年代末出现了分布式控制系 统，目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世 界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自 动化、无人化的方向发展【4 1 。 发达国家如荷兰、美国、英国等都大力发展集约化的温室产业，对温室内温 度、湿度、光照、c ( h 浓度、水、气、营养液等实现计算机调控i s 。 园艺强国荷兰，其玻璃温室全部由计算机操作，旱在1 9 7 4 年就首次研制出了 计算机控制系统c e c s ，由于地处高纬度地区，日照短，全年平均气温较低，因此， 集中较大力量发展经济价值高的鲜花和蔬菜，大规模地发展玻璃温室和配套的工 程设施，全部采用计算机控制。荷兰的全自动化温室成套设备在世界市场上享有 很高的技术声誉，但荷兰的温室业是一种高能耗的产业，全国每年温室消耗天然 气达4 2 乙n 3 。 近年来温室农业在以色列得到了飞速发展，以色列温室结构非常先进，它装 有幕帘、天窗及遮阳网，可以根据光线强度的不同自动调节和移动，并装有空气 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 温度和湿度调控等温室计算机环境控制系统。以色列科学家成功地开发了一系列 计算机软件、硬件，实现了温室中供水、施肥和环境自动化控制。e l d a r 温室控制 系统就是以色列开发的先进的温室控制软件。最新的弥雾气候控制技术，使温室 降温所需的能量非常小。以色列的温室从8 0 年代到9 0 年代更新了三代，利用计算 机控制水、肥和温室小气候，自动调温、调湿、调光，而且结构非常先进，促进 了工厂化农业的大发展f 5 】。 美国是将计算机应用于温室控制和管理最早的国家之一【6 】，2 0 世纪9 0 年代美 国开发的温室计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内 光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现 对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。目前， 美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产，有8 2 的 温室使用计算机进行控制，有6 7 的农户使用计算机，其中2 7 的农户还运用了 网络技术【7 l 。 英国农业部对温室的设计和建造也很重视，在英国西尔索农业工程研究院， 科学家们进行了温室环境( 温度、湿度、光照、通风及c 0 2 施肥等) 与作物生理、温 室环境因子的计算机优化、温室节能、温室自动控制、温室作物栽培与产后处理、 无土栽培的研究。目前，英国的温室大量采用计算机管理，主要控制温度、湿度、 通风、c 0 2 施肥、营养液供给及p h 值、e c 值等。伦敦大学农学院研制的计算机遥控 技术，可以观测5 0 k m 以外温室内的温度、湿度等环境状况，并进行遥控。 先进的系统有以色列的e l d a r 、加拿大的a r g u s 以及丹麦的d g t a v o l m a t i c 温室 环境计算机控制系统 a l 。 1 2 2 国内温室控制技术现状 国内对温室控制技术的研究较晚，起始于2 0 世纪8 0 年代，自7 0 年代末期开始， 我国陆续从以色列、美国、日本、荷兰等温室农业发达国家引进了许多先进的现 代化温室，吸收国外发达国家高科技温室的生产技术的基础上，我国科研人员进 行了温室内部温度、湿度、c 0 2 浓度等环境因子的微机控制，但仅限于单因子环境 控制【9 1 。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 国内在温室计算机控制技术的研究开始于2 0 世纪8 0 年代初，2 0 世纪9 0 年代初 期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制开发了温室控制与 管理系统，并采用v i s u a l b a s i c 开发了基于w i n d o w s 操作系统的控制软件。9 0 年代 中后期，1 9 9 5 年，北京农业大学研制成功了“w j g - i 型实验温室环境监控计算机管 理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统 i o l 。1 9 9 6 年江苏理工大学毛 罕平】等研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、c 0 2 施 肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。1 9 9 7 年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面取得了一定的成果，但这些 研究基本上是温室的单因素检测和控制，没有进行全系统的研究。在此期间，中 国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学，中国科学院上海植物生理研究所 等单位也都侧重不同领域，研究温室设施计算机控制与管理技术【1 2 1 。“九五”期 间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金委，均首次增设了工厂化农业( 设施农 业) 研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究的力度。9 0 年代末河北职业技 术师范学院的目忠文研制了蔬菜大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行 实时测量与控制。可以看出我国温室设施计算机应用与研究，在总体上正从消化 吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。 在国产化技术进步同时，加快引进国外大型现代化温室设备和综合控制系统， 但存在农业生产操作习惯差异，推广困难，并且国外进口普遍成本高；国内同类 设备功能比较单一，通用性较差，而且软件水平较国外有较大差距，多数科研成 果没有投入大规模生产实践。 目前，现有的温室环境控制系统存在的问题主要有以下几个方面： 1 硬件主要以单片机为主控制c p u ，数据采集到算法全部由单片机完成，功 能集中，单片机一旦出现故障，会导致整个系统瘫痪实效；布线复杂、可靠性差 【1 3 】。 2 集散型温室控制系统f 1 3 17 】f 1 8 】( d c s ：d i s t r i b u t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e m ) ，各 节点通过网络连接在一起组成完整的系统，实现分散控制集中管理，但成本较高， 物理层采用“上位机+ 下位机”的集散模式，下位机所有信息都要上传至上位机， 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 再由上位机将控制命令发送至执行机构，对于控制变量很多的控制系统，存在布 线不便和线路拥塞的可能，同时系统不具备组态功能。 3 引进国外软硬件系统成本高、操作复杂，地区差异导致与我国实际温室控 制不能相互兼容。国内相关软件在温室自动控制技术方面基本上是温室的单因子 检测和控制，而温室内部日照量、气温、地温、湿度等环境因素之间是彼此关联 的，改变某一因子时常会把其它环境因子变化到一个不适宜的水平上，所以需要 在调控中考虑各相关环境因素和相关控制过程，才能达到优化控制的目的【5 】【1 9 1 。 4 通常数据的交互实现是基于硬件r s - 4 8 5 总线【1 4 】的串口通讯，由于传输波特 率上限的限制，一般最高为1 1 5 2 k b i 体，进行大数据量传输时会出现数据拥堵，并 且回一时刻总线上只能有一个节点数据传输，是半双工模式，通讯效率较低。 1 3 课题设计目标及意义 鉴于以上不足之处，本课题“基于r c m 2 2 0 0 的网络型温室控制系统”旨在 设计一种基于i n t e r n e t 的网络型采集控制系统，各采集控制节点以网络的形式接 入组成采集控制“局域网”，任何局域网内的计算机均能建立与节点的连接并能 进行控制，网络上可以聚集不同节点的数据信息，成熟的t c p i p 网络传输协议 和网络带宽提高了数据传输可靠性和通讯效率；提出了硬件“智能节点”和“松 耦合【t 5 l ”设计方法；用户可对采集、控制端口灵活设置；为适应不同的条件提供 单因子和多因子控制两种控制逻辑，以提高温室的调控水平。 随着计算技术和网络技术的迅速发展，基于网络的温室控制系统是必然的发 展趋势。通过网络可以随意获取世界范围的有用信息，网络业务已经不再限于单 纯的数字业务，而包括数据、语音、图像的多媒体业务，可以将计算机和温室控 制网组成有线网络和无线网络系统。有线网络系统可以将多台计算机进行集中管 理，通过i n t c m e t 可对温室环境因子进行监控，使有关人员及时了解温室内环境参 数的情况，及时做出决策，还可以通过再现服务进行咨询，这是未来农业发展的 趋势，也就是“虚拟农业”【l q 的概念。随着设施农业的规模化和产业化程度的不 断提高，网络通讯技术会在温室控制和管理系统中得到广泛的应用。温室内部的 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 管理和控制实际上就具有局域网的特性，随着网络通讯技术的发展，地区之间甚 至跨国之间可以通过互联网进行远程控制和管理。我国土地辽阔，气候复杂，种 植模式多样，种植者整体素质较低，利用现代化网络技术进行在线和离线服务， 从长远看具有广阔的应用前景。 网络型温室控制系统的开发，对于增强温室调控水平，提高温室作物产量和 质量有重要的意义。可以广泛应用于育苗、水产、花卉和牲畜养殖等领域。 1 4 论文主要工作 本论文主要完成一种基于工业控制核心控制模块r c m 2 2 0 0 的网络型温室环 境采集控制系统，该系统有效地利用了模块内嵌的p c o s - 1 1 操作系统支持的“协 作多任务”机制和t c p i p 网络通讯协议库，依靠成熟的网络传输技术，大大提高 了系统程序执行的效率和海量数据传输的可靠性，解决了传统串口通讯的“总线 拥塞”现象；数据采集、设备控制及上位机数据处理各部分采用“松祸合”设计， 提高了系统的通用性和可维护性：参考且前国际上比较先进的由以色列开发的 e l d a r 温室控制系统，设计了系统软件。 论文主要工作如下： 1 介绍了当前农业生产背景，分析论述了国内外温室控制技术发展现状，提 出了基于r c m 2 2 0 0 的网络型温室控制系统设计。 2 完成了系统硬件各功能模块的设计思路及电路原理图的设计，包括数据采 集、输出控制、人机界面、数据通讯等。 3 完成了下位机系统底层输入输出参数表、控制逻辑设计以及串口、网络通 讯的实现。 1 5 论文章节安排 1 第一章为绪论，介绍了本课题的设计背景，并在分拆了国内外温室控制技 术的发展现状的基础上提出了课题设计的目的和意义，最后对论文的主要工作和 文章结构安排进行了总结。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 第二章介绍了系统的设计方案，首先给出了系统的实际设计需求，并根据 需求进行了系统c p u 的选型，重点介绍了r c m 2 2 0 0 的结构及特点，给出了系统 设计的总体框架。 3 第三章为系统硬件设计部分，介绍了系统的硬件设计总体思路，给出了硬 件结构框图，系统数据采集、按键及液晶显示、输出控制及串行通讯部分的设计 电路，重点介绍了数据采集部分和基于r s - 4 8 5 的串口通讯电路。 4 第四章首先介绍了系统软件模块划分情况，根据功能给出了各个模块软件 设计的流程图，其中详细介绍了温湿度数据的采集，系统控制逻辑、基于u d p 的 网络数据传输和基于m o d b u s 协议的数据采集的实现。 5 第五章为系统试验部分，给出了在系统调试过程中遇到的问题和解决方案。 6 第六章是论文的结论部分，给出了论文完成的主要工作、系统的特点及存 在的问题，最后对系统应用做出了总结和展望。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章系统设计方案 系统主要完成对温室环境信息的采集，芽能通过继电器对温室内部安装的调 控设备进行条件控制，用户可以根据自身需求对传感器参数、控制输出参数、控 制条件参数等进行灵活设置，并且能够保存历史数据，同时作为上位机的pc 机 可以通过局域网与采集控制器( 下位机) 进行通讯。 系统主要应用于大型温室、水产养殖、仓库存储管理等领域。 2 1 系统设计要求 2 1 1 数据采集 1 对标准的模拟信号输出传感器的数据采集，包括o 3 v ，o , - 5 v ，0 - 3 3 v 标 准电压信号，0 - 一2 0 m a 标准电流信号； 2 常用数字信号输出传感器数据采集，包括“单总线”( 如温度传感器 d s18 8 2 0 ) 、i i c 总线或类i i c 总线传感器( 如s h t l1 ) ； 3 开关量信号采集； 4 智能传感器模块数据采集。 2 1 2 输出控制 1 通过控制继电器开关控制普通温室调控设备( 如风机) 的开关； 2 通过定时处理控制特殊设备( 如天窗) 的开度： 3 系统报警指示( 报警指示灯) 。 2 1 3 人机交互界面 1 中文液晶显示一对系统时间、实时传感器数据、设备运行状态、报警信息： 2 一体化数字功能键盘一功能键、可直接通过按键输入数字信息。 2 1 4 数据通讯 1 采集器与智能传感器模块间一串口数据通讯； 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 采集器与上位机之间一网络数据通讯。 2 1 5 数据存储 根据用户需求对传感器的历史数据进行保存。 2 2c p u 选型 目前，多数温室控制系统的结构主要是以单片机( m c u ) 为核心控制单元的 控制系统f 3 】一般采用m c s 5 l 【冽系列8 位c p u 为基础，数据采样到控制算法均 由单片机完成，其拓扑结构为单片机集中式控制方式，如图2 - 1 所示。 图2 - 1m c u 集中控制方式框图 f i g2 1m c u c a a t r a l i z e dc o n t r o lm o d ec h a r t 对于单片机集中控制方式优点是能够对整个系统全局管理，操作简单，价格 比较低廉，但缺点是系统布线复杂，硬件平台的通用性、可扩展性较差，另外由 于温室控制环境噪声大、环境恶劣，使得系统的抗干扰性和维修性存在一定的缺 陷。 由于该类型系统以单片机为控制核心，一旦单片机出现问题会导致整个系统 瘫痪，而且由于外部扩展器件较多，在温室内部高温、高湿和雷雨天气更容易受 到强干扰。已有系统在长期运行过程中出现的故障有： 1 系统死机； 2 雷电强干扰串入，导致电源和电路板烧毁； 3 程序跑飞，液晶显示出现乱码； 4 数据存储器数据混乱。 针对本系统来讲，如果由单片机来实现系统功能，除了需要外部扩展程序存 储器、数据存储器、地址锁存器、时钟芯片外，由于系统要求数据可通过网络传 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 输，这是使用单片机系统最难解决的问题，需要相应的网络扩展芯片，并且需要 自行编写程序实现网络通讯协议，无论从硬件和软件方面均比较复杂，而且不能 保证可靠性。 2 2 1r c m 2 2 0 0 核，厶控制模块 耳前，嵌入式技术已经广泛渗入并应用到各领域，涉及到多种传统及现代技 术，形成了前所未有的多学科、多领域的交叉与融合。由z w o r l d 公司推出的 r c m 2 2 0 0 2 1 】是一款低成本的嵌入式微控制器核心模块，它选用r a b b i t 2 0 0 0 作为其 核心微处理器，其结构如图2 2 所示。采用d y n a m i cc f 捌这一专门为z - w o r l d 产 品创建的集成的c 编译器、编辑器、链接器、装载器和调试器，便于实现快速开 发应用，加快产品投放到市场。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2r a b b it 2 0 0 0 处理器结构 f i g 2 - 2r a b b i t 2 0 0 0p r o c e s s i n gu n i o ns t r u c t u r e r a b b i t 2 0 0 0 性能特点： 1 工作电压范围2 7v 0 5v ，时钟速度可达3 0 m h z 。 2 为c 共有4 0 条并行i o 口线( 与串行口共用) 。其中一些f o 口是定时器 太原理工大学硕士研究生学位论文 同步的，这就允许在组合软硬件控制下精确地产生边沿和脉冲。 3 共有4 个串行口，这4 个串行端口都可以在多种操作模式下实现异步工作。 其中两个口还可以同步工作，实现与串行1 ，o 设备的接口。 4 程序留有1 兆字节的空间，最多可写5 万多行程序代码。 5 内置电池供电的时间b 期时钟部件，使用一个外置3 2 7 6 8 k h z 晶振。时 间日期时钟也可用于提供每4 8 8 1 1s 一次的周期性中断。 6 内置软件看门狗定时器。 d y n a m i cc 特点： d y n a m i cc 是用于编写嵌入式应用软件的一套集成的开发系统。是专为 z w o r l d 控制器和基于r a b b i t 微处理器的控制器而设计的。d y n a m i ec 支持使用汇 编语言编程，编写汇编指令时不需要离开c 或开发系统环境，并且c 和汇编语言 还可以混合应用。 d y n a m i cc 不仅在一定程度上对标准c 语音进行了扩展，而且在功能上有很 大的提高，主要表现在： 1 支持“协作多任务”和“抢先多任务”。 2 互联语句，可以实现在一个程序中模拟多个并发事件。 3 公有函数，允许在一个程序中模拟协作事件。 4 部分声明支持单个程序中的抢先事件。 5 动态c 中的中断关键字允许程序员使用标准c 来编写中断服务程序。 6 动态c 支持嵌入汇编指令及独立汇编指令。 7 动态c 含有共享和保护关键字，用于实现受保护数据在不同区域的共享 或将其存储在电池供电的存储器中。 8 动态c 的特征之一就是允许程序员最大限度的使用扩展内存。它支持微 处理器内的1 m 地址空间，由内存管理单元对这些地址空间进行分段。 除此之外，开发系统还内嵌了r e a l t e k 以太网驱动程序包、s p i 和i i c 驱动， 支持t c p i p ，为系统扩展和网络通讯提供了极大的方便。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2r c m 2 2 0 0 结构及特点 图2 - 3 核心模块r c m 2 2 0 0 f i g 2 - 3r a b b i t c o r er c m 2 2 0 0 图2 - 3 为核心模块r c m 2 2 0 0 实物图。 r c m 2 2 0 0 技术参数 2 3 】： 1 4 7 5 - 5 2 5 v d c 电源供电 2 r a b b i t 2 0 0 0 酢为微处理器，工作频率1 1 0 5 9 2 * 2 ( 2 2 1 ) m h z 3 自带硬件1 0 b a s e - t ，r j 一4 5 以太网接口 4 2 5 6 kf l a s hm o u o r y 、1 2 8 ks r a m 5 共2 6 个并行i ，o 1 6 个可配置得i o 、7 个固定输出、3 个固定输入 6 共4 个串行端口。各串口都可以在多种模式下实现异步工作，其中两个 可以实现同步工作，与串行i o 设备接口。 7 内部主时钟振荡器由单独的3 2 7 6 8 k h z 晶振实现精确定时，用户可直接 通过读写内部寄存器来修改和读出实时时钟的值。 8 后备电池供电，避免内存数据掉电丢失。 9 内置看门狗定时器。 1 0 拥有标准的十针编程端口，因而避免了使用c p u 仿真器的必要。利用 d y n a m i cc 和p c 的简单连接，可以使用一个非常简单的1 0 脚连接器来下 载和调试软件，而由于占用编程口所增加的成本极小。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 4r c m 2 2 0 0 内部逻辑结构 f i g 2 - 4r c m 2 2 0 0 i n n e rl o g i cs t r u c t u r e 图2 - 4 给出了r c m 2 2 内部逻辑结构图。 通过分析系统需求和以r a b b i t 2 0 0 0 为内核的r c m 2 2 0 0 核心控制模块特点可以 得到选择r c m 2 2 0 0 作为主c p u 的原因有： 1 大容量程序存储空间和内存空间，可以适应大量代码要求，并且1 2 8 k 内 存空间避免了在使用m c s 一5 1 单片机时外部存储器的扩展。 2 内置的看门狗定时器，用户可以通过软件使能或者禁止，节省了利用 m c s 一5 1 单片机时外置的硬件看门狗。 3 内部时钟可供用户直接修改和读取实时时间，相对m c s 5 1 节省了外部扩 展的时钟芯片。 4 模块内部集成网络通讯芯片r 盘0 1 9 和硬件网络1 0 b a s e dr j 一4 5 接口，软 件内嵌t c p i p 网络通讯协议库2 4 】，用户可直接调用，可以方便地实现网络通讯。 5 内嵌pc 0 s i i 实时操作系统，d y n a m i cc 应用程序支持两种多任务处理 方法：抢先多任务和协作多任务。协作多任务环境下，各任务在等待时会“彬彬 有礼”地放弃控制权，允许执行其他任务。这使得程序员在编写控制程序时不必 同时考虑所有外部设备，有效地利用了程序中的自然延时，提高了程序执行的效 率。 太原理工大学硕士研究生学位论文 基于以上几点分析和与传统m c s 一5 1 单片机比较，确定使用工控模块 r c m 2 2 0 0 作为整个系统的核心c p u 。 2 3 系统框架搭建 2 ，3 ，1 系统结构分析 图2 - 5 系统整体结构 f i g 2 - 5s y s t e mo v e r a l ls t r u c t u r e 系统整体结构图框架如图2 5 历示，可以看到，整个系统以温室环境为核心， 以安装在温室内部或外部( 室外气象站) 的传感器为测量工具，以温室调控设备 为控制对象，以设定的条件作为控制逻辑，并依托i n t o a m 进行数据通讯的“四位 一体”闭环结构。 整个结构的核心是控制逻辑，用户可以通过采集控制器的人机交互界面或者 上位机u 1 ( u s e ri n t e r f a c e ) ，根据实际需求对整个系统的各个部分参数进行设置， 从而建立闭环结构中数据采集与控制输出的关系，使得整个系统根据设定的条件 实现动态的、实时的运行。 2 3 2 系统功铑模块划分 通过分析系统的功能需求和总体框架，根据模块化设计思路，将整个系统分解 为如图2 - 6 所示功能模块。 太原理工大学硕士研究生学位论文 固2 - 6 系统模块组成框图 f i g 2 - 6s y s t e mm o d u l a ro r g a n i z a t i o nc h a r t 数据采集模块：完成前端对温室环境信息变化的实时检测，并将不同类型的 传感器信号转化为c p u 能够识别的信号； 控制输出模块：根据预设的控制条件实现对温室执行机构得操作，包括直接 控制设备的打开、关闭操作和根据定时器设定值对双向运行机制类型设备的开度 控制； 键盘及液晶显示模块：人机交互功能。完成用户对系统参数的手动设置并能 通过液晶显示时间、数据相关的用户提示信息； 串口通讯模块：该模块主要完成基于r s - 4 8 5 总线的数据交互，包括与远程控 制p c 机的通讯和自定义通讯协议的智能传感器节点间的通讯： r c m 2 2 0 0 核心模块：系统核心控制单元，负责由系统扩展的其他功能模块的 相互协调，主要功能有： 1 定时对传感器数据采集及相关的滤波算法。 2 传感器数据的定时存储。 3 对按键的中断响应及相应的服务程序，对液晶显示的控制。 4 控制逻辑算法的实现。 5 串行通讯或网络通讯过程中数据的调度。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 3 系统“独立松耦合”设计思想 传统的温室控制系统控制方式无论从集散型控制系统( d i s t r i b u t i o nc o n 臼o l l i n g s y s t e m ：d c s ) 到现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，简称f c s ) 【拥，都 可以概括为上层为监控上位机、下层现场控制器，两者通过现场串行总线( r s 一4 8 5 或c a n 总线) 进行数据的交互，前端控制器的c p u ( 一般为单片机) 要完成数据 采集与处理、控制逻辑的算法、人机界面的实时响应( 按键及液晶) 功能，这样 对c p u 的处理速度提出了更高的要求，同时这种功能集中的设计不足之处在于， 当连接的传感器变化时( 比如增加新类型的传感器) ，需要对内部的程序作较大的 改动，并且系统如需扩展，软硬件都需要做改动。 基于以上考虑，借鉴软件开发中的“高内聚，松耦合”【l 坷思想，提出智能传 感器模块的概念，将原有的两层结构扩展为如2 7 所示的三层结构。 上位机 图2 7 系统分层结构图 f i g 2 7s y s t e mh i e r a r c h yc h a r t 图中s 代表传感器模块，从图中可以看到，在采集控制器一端将采集控制器 与传感器分离开，智能传感器模块只完成数据的采集功能，其与控制器之间只通 过串口通讯来进行传感器数据的交互，这样将控制器和传感器模块的功能独立化， 也实现了硬件的分离，使得两者之问的耦合性更加松散。通过这样的设计，处于 三层中的不同硬件分别实现了各自不同的功能： 智能传感器模块：前端数据采集。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 采集控制器：数据处理、逻辑判断和对设备的操作。 上位机：数据显示、历史数据处理、生成曲线等。 当然，对于智能传感器模块来讲，依然是一个完整的单片机系统，但是它的 功能更加单一、集中，在系统运行时将原来由单一c p u 统一操作过渡到双c p u 同 时进行，既减轻了采集控制器的运算量，同时有提高了整个系统的工作效率，为 以后的系统扩展提供了极大的方便，如需添加或减少传感器数量，控制器软件基 本无需进行修改，并且只要添加相应的通讯协议便可方便地实现和不同模块的接 口。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 总体设计思路 第三章系统硬件设计 由于r c m 2 2 0 0 是以r a b b i t 2 0 0 0 为核心c p u 的核心模块，c p u 外部有较多的 扩展电路，对整个模块来讲，对外只暴露了部分端口，并且有部分通用的i o 口已 被占用，能够使用的i o 口均有明确的定义，部分只能定义为输入或者输出，部分 端口是复用的，所以在硬件设计的第一步工作，先要根据系统具体的情况合理分 配i o 口，经过对系统所需硬件资料的全面查阅与选择，初步确定了如图3 - 1 所示 的硬件总体结构。 3 2 系统电源电路 图3 - 1 系统硬件结构 f i g 3 1s y s t e mh a r d w a r es l r u c t u r e r c m 2 2 0 0 工作电压范围为4 7 5 v 5 2 5 v ，常用7 8 0 5 稳压块产生5 v 直流电压， 但是7 8 0 5 一个明显的缺点是当输入电压大于1 2 v 时，发热会很厉害，最大输入电 压也只能到1 5 v 左右，原因是7 8 0 5 属于线形稳压，输入1 2 v 电压时则有7 v 电压 是完全被发热浪费掉，效率不足5 0 【2 6 1 。 所以针对这个问题选用了开关型l a 稳压块l m 2 5 7 5 ，其主要特点为输入电压 范围宽，最大可达6 0 v ，可调电压输出和固定电压输出，并且具有温度及电流限 制保护、t t l 关闭、待机功耗低等优点。 。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 m 电源蛰分 图3 - 2l m 2 5 7 5 应用电路 f i g 3 2l m 2 5 7 5a p p l i c a