基于CAN总线的智能温室控制系统的构建
摘要——基于CAN总线的智能温室控制系统根据温室控制的需要设计。使用分布式网络控制结构，主控制单元使用STM32VBT6ARM以处理器为控制核心实现系统功能编程、命令接收和系统状态显示；分发节点使用STM32CBT6 ARM处理器作为控制核心，监控内部温度、温室的湿度和控制电机的实现；因此，有多个控制系统模式：根据预设的控制逻辑或气候特征使室内温湿度值可以保持最佳以适合作物生长。实验结果表明：设计的温室智能控制系统具有稳定的特点性能、经济性、方便性、通用性等，值得推广。
关键词-智能温室；温湿度控制；分布式控制系统；CAN总线
介绍
在现代农业生产中，温室被用来保护作物免受恶劣天气的影响，提供合适的全年农作物种植环境。因此，它是最有效和最经济的手段。控制温室的温度和湿度对农作物种植安全具有重要意义。
随着温室棚屋数量的增加，温度和湿度控制成了一个难题。大部分传统的温室控制系统采用由模拟温湿度系统传感器、多通道模拟开关、辅助转换器和微控制器构成的传输系统。在这种系统中，只有当大量测量电缆布置在温室内时，可以使传感器信号被发送到现场采集卡，其安装和拆卸复杂且成本高昂。同时，因为传输的信号是模拟的，所以很容易干扰和丢失，测量误差较大不利于控制器做出正确的决定与及时响应。
CAN总线是一种串行数据通信协议，由德国博世公司开发。在10多年的应用过程中，CAN总线被广泛应用于工业过程控制设备及互连。CAN总线受到工业界的广泛关注扇区。它被公认为最有前途的领域之一公共总线。首先，将CAN总线与模糊集理论相结合。其次，对系统的输入状态进行模糊处理。推理得到相应的控制策略。以便数学模型难以建立的系统建立起来容易控制。
随着工业现场总线技术的推广，它被现代农业生产所广泛关注。分布式FCS系统比传统DCS系统更适合作为温室环境控制系统。本文基于CAN总线设计了分布式智能温室控制系统。通过实时监测每个温湿度数据测量点和按一定的控制策略控制实施部件的动作，得到适合作物生长的最佳条件。
模糊控制技术在现场应用温湿度控制，可实现智能控制温度和湿度。一
基于模糊控制理论设计了温湿度模糊控制器在CAN总线上。使温度和湿度能够实时监测和控制。原理方法和介绍了该模糊控制的硬件电路。对模糊控制器进行了仿真研究。仿真结果表明，模糊控制器具有响应快，超调小，动作准确过程稳定。温湿度的控制很好。
温室控制系统的功能分析
运用计算机技术和现代控制理论自动控制和调节各种环境因素如温度、光、湿度等已经成为温室控制的主要形式。自动控制技术是主流，根据温室作物的生长习性和市场需求创造了最合适的环境，有些甚至完全摆脱了自然环境的约束。通过传感器收集各种温室环境数据，实时监控系统监控环境变化与控制代理行为，良好的人机界面使操作过程简单方便。在这种控制中系统，种植者需要输入温室作物生长所需的环境目标参数，计算机将比较预先设定目标值以确定传感器环境因素控制过程及控制相应的加热、冷却和通风部件以及其他活动。
计算机控制的温室自动控制技术实现了自动化生产，适合于大规模生产，提高劳动生产率。通过更改温室环境设置目标值可以自动调节温室环境气候。
一般来说，温室的自动调节控制系统包括两种功能：
实时数据采集。这是一个用于实施环境控制的重要基础。环境因素变化随时更换，所以有必要通过数据采集系统连续快速监测，获得大量瞬时值。实时决策。根据给定的控制策略分析状态收集的受控参数的数量和确定系统的控制过程。温室生产过程的关键是如何实现设施的最优控制和管理。研究人员应该解决以下两个问题：研究作物对环境改变的反应并建立相应的定量关系；通过定量数学关系，提供最有效的温室环境控制管理策略或计划。
建筑模型与硬件设计控制系统
控制系统结构模型
在任何控制系统中，环境参数为通过测量装置获取，然后执行控制算法，做出适当的控制决策并启动执行系统控制的执行装置。基于CAN总线的分布式控制系统采集环境参数变量及其函数控制每个CAN的执行设备网络终端，称为智能节点。此外，控制系统还应具有以下功能：允许用户查看各种环境参数的状态、监视工作状态、显示当前时间、更改一定范围内的环境参数、操作整个控制系统的过程等。基于功能分析的智能控制系统从结构上分为两部分：协调管理层和分布式监控层，如图1所示
图一 分布式智能温室控制系统结构
从功能上讲，协调管理是负责整个系统的运行监控；数据处理、管理决策，以及与其他层通信数据和命令。分布式控制层能够收集控制现场环境因素数据和CAN总线通讯，可与控制层和其他可以控制节点传输多种参数，并从控制层发送和接收命令和数据以进行调整，改变控制状态。
主节点，温室协调控制核心控制层，精选ST#39;S COTEX-M3芯，ARM芯片STM32VBT6作为主控芯片，内置CAN控制器可以处理所有CAN2.0B标准帧类型。ASMAM芯片STM32VBT6高效RISC 32位指令集合，通过片上锁相环，最大工作频率高达96MHz，满足温室实时控制要求。
分布式测控层的实施实时检测环境温度和湿度，对采集的数据进行处理和分析，并按要求对各温湿度控制设备进行实时控制。同时，负责监控整个系统的管理。
分布式测控层由一些独立的控制器组成，以STM32F103CBT6单片机为核心。它接收各种各样的操作控制命令并通过CAN总线设置参数；通过各种模拟输入通道实时采集温度，湿度值，控制空调设备开关状态信号；通过传感器检测温室内的温度和湿度；判断检测到的信息；立即通过CAN 总线将结果发送给主控制节点。
系统的主节点，通过计算接收到的数据，达到精确的控制值，传递到所有区域的设备去执行、监视、控制启动或停止，从而确保区域环境温湿度保持在要求的水平内。
给出了系统的工作过程。首先，温湿度传感器测量室内温度和湿度。TMP37、HIH-3610的输出发送到RSM01模块。信号处理如下作为滤波放大、补偿、平滑。然后信号被转换成适合传输的信号CAN总线。然后通过CAN传输数据控制器、CAN采集卡、DDE服务器主机计算机通过CAN总线控制传输数据平台。从计算机中提取的控制软件数据并发送到每个显示频道。同时控制器调用获取控件所需的方法变量。通过CAN总线输出发送的DDE服务器数据RSM05上的模块。然后给出控制变量调节空调、加湿器的执行器，除湿器开关。
CAN总线收发器电路设计
系统采用MAX905作为CAN总线收发器。MAX905和CAN总线具有一定的安全性和抗干扰性。CANH和CANL通过它们与CAN总线连接保护MAX905不受过电流的影响。在地面和CANL之间，30pF电容器并联播放过滤总线高频干扰和抗电磁辐射的作用。在总线入口和地：保护二极管反接，分别保护TMG MAX905免受瞬态风险高压。8英尺之间的电阻值MA 90接地决定系统是否高速或坡度控制模式。尺寸可以根据总线速度调整电阻。将CAN总线两端的电阻120连接到匹配阻抗和忽略接入将大大降低了数据的抗干扰性和可靠性通信，甚至不可能实现数据通信。
温度传感电路
DS 18B20智能数字温度传感器由达拉斯生产，采用单线接口。它不仅能进行通信，也可通过数据供电线路，它只需要一个10端口的微控制器，和DS18B20将被测温度信号转换成数字输出，直接与单片机相连，大大简化了电路设计。DSI8B20本身具有命令集和内存。微控制器，通过发出控制命令，读取和将DS18B20上的内存写入完成温度测量
湿度检测电路
SHT10单片机数字温湿度集成传感器，瑞士森森公司生产公司，采用CMOS工艺微加工专利确保产品具有高可靠性和优异的长期稳定性。传感器由一个电容测量湿聚合物成分和间隙类型温度元件，与14位A/D转换器和2线数字接口单片机，使产品具有低成本的优点功耗大，响应快，抗干扰能力强能力。所以在本文中，SHT10传感器被用来采集温室湿度。
应用协议和系统软件发展
应用协议开发
在CAN总线规范中，它只提供数据链路层和物理层，但不要求应用层。所以当用户设计应用软件时，他们必须首先设计合适的应用协议，CAN总线按要求填写准确无误可靠的数据传输。目前，比较流行的高级CAN协议包括CANopen、11939、Decicenet。等等。这些高层协议都给了CAN总线应用程序的完整和详细定义层。然而，在某些情况下，简单的沟通
协议符合要求，使用复杂协议有时会导致资源浪费，用户可能会在其应用中发现其不便，并可能甚至限制了CAN总线的灵活性。因此，在实践中应用程序，设计师也应根据要求，自我定义一个简单有效的协议实现所需功能。
确保数据指令在本文对温室控制系统的过程进行了研究。温室控制系统的设计要求并作了如下定义：如协议，ID格式CAN总线扩展框架如表一所示
表一：CAN总线扩展帧格式
|
ID number |
value |
Content |
|
28-26 |
0001 |
Message type |
|
25-24 |
01 |
Action command |
|
23-21 |
0 |
Reservation |
|
20-16 |
00001 |
Port address |
|
15 |
0 |
Action Type |
|
14-6 |
0 |
Reservation |
|
5-0 |
000001 |
Cell controller node number |
ID号是28 ~26中的3位，表示消息类型，其值为oil（控制包的类型）。ID号为25~ 24位，表示动作命令，其值为01，表示打开外部端口，10关闭外部端口。ID号是20-16中的5位，用于端口地址，26端口，协议使用5位来设置端口。ID号码是表示操作类型的15位，定义输出端口包含时间控制。最后六位用于单元控制器对应节点号。
主节点软件设计
对实时监控系统的要求是相对较高。为了提高程序的效率开发和维护程序，嵌入式操作系统UC/OS-II已将GUI包移植到系统.
系统采用模块化软件设计方法将应用程序分为几个相对独立的模块，每个模块都安排得适当进出口参数，方便模块和投资组合灵活性之间的连接操作系统下的每个模块坐标行程安排。主节点软件主要包括：温度和湿度数据接收，温度和湿度传感器线性化校正，键盘输入，测量数据显示、输出控制、CAN总线通信等.
因为大多数温室的温度和湿度控制设备为开关设备，系统控制使用开关控制的算法，即通过设置以及控制启动或停止各种设备并使用空调作为温度控制设备；喷雾机作为湿度控制设备的通风机.
配电节点软件设计
分发节点完成采样和二进制温湿度传感器的实现；软件由初始化、数据传输组成。以及数据接收。当主节点请求数据时，传输温度和湿度数据检测区域和CAN节点状态数据到主节点。为了提高项目的效率，中断方式用于数据传输和数据接待处。软件流程图如图2所示
图二 软件流程图
实验温室，包括一个带温度、湿度、光、二氧化碳等传感器，安装风向、风速等气象传感器。控制设备包括：顶部窗户，内百叶窗，外百叶窗，侧窗，循环风机、风机等执行机构包括：
电机、开关、电磁阀等。系统在线监测室内外的温度和湿度。温室、
室外风速风向及控制
设备按专家设定值运行.环境因素的实时采集值通过该接口在线监测每个传感器，记录每个控制装置的工作状态，并显示数据曲线。物理验证温室控制系统如图3所示
图片三
通过数据计算，检测精度达到温度和湿度已经达到，我们可以看到温度控制误差小于0.3“；湿度控制误差小于 2%rh。系统可以实现温室温湿度实时检测自动控制，获得良好的作物产量环境，使其成为生产的显著改进效率
首先，温湿度传感器测量室内温度和湿度。TMP37、HIH-3610的输出发送到RSM01模块。信号处理如下作为滤波放大、补偿、平滑。然后信号被转换成适合传输的信号CAN总线。然后通过CAN传输数据控制器、CAN采集卡、DDE服务器主机计算机通过CAN总线控制传输数据平台。从计算机中提取的控制软件数据
并发送到每个显示频道。同时控制器调用获取控件所需的方法变量。通过CAN总线输出发送的DDE服务器数据RSM05上的模块。然后给出控制变量调节空调、加湿器的执行器，除湿器开关。温度电压信号和湿度电压信号经温度送至RSM01模拟量输入模块湿度测量电路。然后实现模拟数字转换。因为输入信号为电压信号，所以接入电阻不是焊接电阻。模拟数字工厂校准中的转换精度制造商完全没有必要调整。这样的话，通过对温湿度传感器的计算输出电压信号转换为温度和
湿度值，传递到主机。
结论
随着现场总线技术的广泛应用，智能温室控制必将成为一种趋势。在本文介绍了分布式智能温室控制系统是用CAN总线作为底层网络，使用分发节点收集温室内温湿度及控制外部设备的运动实现控制温室温湿度过程。这个实验结果表明，基
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资料编号：[1278]
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