張洪波，李相白，李建春

(1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司曲靖鋅廠，曲靖 655000;2.云南馳宏資源綜合利用開發(fā)有限公司，曲靖 655000)

1 引言

目前，如何引導(dǎo)溫室種植戶根據(jù)作物的生長要求進(jìn)行環(huán)境因子的調(diào)節(jié)以獲得作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提高，是溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)的主要目標(biāo)和研究方向［1］。如何利用自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行有效的控制，是目前我國溫室研究的重要課題之一，對(duì)我國溫室產(chǎn)業(yè)水平的提高有著重大的現(xiàn)實(shí)意義［2］。以微機(jī)為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)獲得了長足發(fā)展，并逐步邁入網(wǎng)絡(luò)化、智能化階段［3］。

在寧夏國家經(jīng)濟(jì)林木種苗快繁工程技術(shù)研究中心的溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，為保證溫室控制系統(tǒng)的可靠性，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級(jí)主從控制系統(tǒng)。以ARM系列單片機(jī)為中間主控制器的模塊化下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制單元以便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。上位機(jī)服務(wù)器直接面向網(wǎng)絡(luò)，保存下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)。選用主控器自帶TCP/IP功能與服務(wù)器通信，自帶RS485通信功能連接下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集與控制單元。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 通信協(xié)議

數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性至關(guān)重要。確保主控制器和下位機(jī)之間進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)通訊是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵［4］。

2.1 通信幀格式

系統(tǒng)通信幀分為指令幀和數(shù)據(jù)幀，其幀組成格式相同，數(shù)據(jù)校驗(yàn)均采用CRC16校驗(yàn)，校驗(yàn)內(nèi)容包括地址、指令、數(shù)據(jù)3個(gè)部分，數(shù)據(jù)部分可根據(jù)實(shí)際需要使用0～N個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)是固定長度的。接收端只要發(fā)出指令就可以了，使用固定長度數(shù)據(jù)，最大限度的預(yù)留數(shù)據(jù)空間。一個(gè)采集器采集的數(shù)據(jù)包括溫度(3個(gè)字節(jié))、濕度(3個(gè)字節(jié))、土壤濕度、土壤溫度、空氣濕度、空氣溫度、光照強(qiáng)度。通信幀由以下部分組成:地址(A) 指令(C) 數(shù)據(jù)(D) 校驗(yàn)(V)1個(gè)字節(jié) 1個(gè)字節(jié) N個(gè)字節(jié) 2個(gè)字節(jié)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采集器上位下發(fā)命令(2個(gè)字節(jié)地址+01+$)，采集器返回?cái)?shù)據(jù)格式:(由下位提供給上位共15字節(jié)數(shù)據(jù))

控制器下位回發(fā)(本機(jī)地址+0x66+$)，系統(tǒng)主要指令說明見表1。

表1 系統(tǒng)主要指令說明

2.2 下位地址

下位機(jī)地址原則上可以自由設(shè)置，設(shè)置范圍為0～255。但是由于采集的數(shù)據(jù)范圍是(0～100)，有可能和地址沖突，因此地址一律用128以上的編號(hào)。另外可以用一個(gè)比特來說明該下位是采集器還是控制器，這樣會(huì)占用72個(gè)地址11000000(控制)，10000000(采集)。

下位機(jī)起始狀態(tài)為接收地址信息，控制485的DE端子非通信態(tài)一直處在接收態(tài)，地址信息通過命令字來設(shè)置。設(shè)置好的地址保存在ROM里。每個(gè)下位機(jī)起始地址設(shè)置為255，呼喚下位地址如果為255則重新設(shè)置自己需要的地址，并做標(biāo)識(shí)，這種只能一個(gè)一個(gè)安裝，不能同時(shí)安裝2個(gè)或以上。

2.3 通信中的超時(shí)處理

在系統(tǒng)的通信過程中，由于受外界干擾，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)/命令幀丟失或出錯(cuò)的情況，這種情況有時(shí)會(huì)導(dǎo)致雙方都處在等待對(duì)方數(shù)據(jù)/命令的狀態(tài)，即進(jìn)入死鎖狀態(tài)。為消除死鎖現(xiàn)象的出現(xiàn)，采取了限定時(shí)間片的方法來限制上位機(jī)與每個(gè)下位機(jī)的通信時(shí)間。針對(duì)不同的等待狀態(tài)，規(guī)定了不同的等待時(shí)間。

1)上位機(jī)等待回應(yīng)命令幀時(shí)間:查詢命令幀在總線上傳輸?shù)臅r(shí)間+下位機(jī)接收比較處理的時(shí)間+［Ti=t*i］+回應(yīng)命令幀在總線上的傳輸時(shí)間+彈性時(shí)間。

2)下位機(jī)等待發(fā)送命令幀時(shí)間:回應(yīng)命令幀在總線上傳輸?shù)臅r(shí)間+上位機(jī)接收比較處理的時(shí)間+發(fā)送命令幀在總線上的傳輸時(shí)間+彈性時(shí)間。

3)上位機(jī)等待數(shù)據(jù)幀的時(shí)間:發(fā)送命令幀在總線上的傳輸時(shí)間+下位機(jī)接收比較處理的時(shí)間+數(shù)據(jù)幀在總線上的傳輸時(shí)間+彈性時(shí)間。

上位機(jī)在當(dāng)前等待時(shí)間內(nèi)沒有收到回應(yīng)命令，則重發(fā)查詢命令幀，若重發(fā)超過3次，則向系統(tǒng)報(bào)告下位機(jī)出故障。上位機(jī)在等待數(shù)據(jù)幀限制時(shí)間內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)幀，則把已經(jīng)收完的數(shù)據(jù)送到其它模塊處理，并且結(jié)束本次通信，開始訪問下一個(gè)下位機(jī)。下位機(jī)準(zhǔn)備發(fā)送回應(yīng)命令幀/數(shù)據(jù)幀的時(shí)間＜(上位機(jī)等待命令幀/數(shù)據(jù)幀的時(shí)間－回應(yīng)命令幀/數(shù)據(jù)幀在總線上傳輸?shù)臅r(shí)間)，一旦準(zhǔn)備發(fā)送命令的時(shí)間≥(上位機(jī)等待命令幀/數(shù)據(jù)幀的時(shí)間－回應(yīng)命令幀/數(shù)據(jù)幀在總線上傳輸?shù)臅r(shí)間)，下位機(jī)就自動(dòng)放棄發(fā)送而重新發(fā)送請(qǐng)求，若重發(fā)超過3次仍然都是時(shí)間過時(shí)，則放棄，進(jìn)入其他工作。

3 溫室控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫室控制系統(tǒng)軟件主要包括下位機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊、下位繼電器輸出模塊、上下位通信模塊以及主控制器控制模塊的軟件設(shè)計(jì)。依據(jù)系統(tǒng)和硬件需求，確保設(shè)計(jì)功能的完成。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

因系統(tǒng)測量設(shè)計(jì)使用的傳感器都是模擬信號(hào)，需要下位采集系統(tǒng)進(jìn)行A/D變換來控制采集，并通過相應(yīng)的濾波處理后進(jìn)行存儲(chǔ)或者數(shù)據(jù)的通信傳送。系統(tǒng)對(duì)溫室環(huán)境溫度、濕度，土壤溫度、濕度，光照強(qiáng)度等參量不停的循環(huán)采集，進(jìn)行簡單的濾波處理后，瞬時(shí)值放在變量中。采集控制流程圖如圖2所示。

圖2 采集控制流程圖

3.2 繼電器控制模塊軟件設(shè)計(jì)

繼電器控制的主要目的是為了使執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確、及時(shí)、有效的響應(yīng)主控制器的控制指令，繼電器控制主要是通過時(shí)間和控制數(shù)目來實(shí)現(xiàn)控制作用。其中時(shí)間遞減是以時(shí)間片為單元進(jìn)行，控制的倍數(shù)以及對(duì)哪幾個(gè)端口進(jìn)行控制由主控制器發(fā)送?？刂茊卧浖鞒倘鐖D3所示。

其中KFlag為控制結(jié)束判斷指令，GFlag為控制信息更新標(biāo)志。

3.3 通信軟件設(shè)計(jì)

通信模塊主要是為了完成主控制器和下位采集單元及控制單元的信息交換。它包括主控制器向控制單元發(fā)送控制指令，控制單元回饋控制信息。主控制器向采集單元發(fā)送采集指令，采集單元接收信息上傳采集數(shù)據(jù)幾個(gè)部分。

主控制器控制指令發(fā)送流程如圖4所示。該動(dòng)作由主控制器發(fā)起，首先給下位采集、控制單元發(fā)送地址信息，采集、控制單元以中斷方式進(jìn)行接收，進(jìn)行地址解析后判斷切合與否，當(dāng)控制單元做好接收準(zhǔn)備后，回發(fā)確認(rèn)信息。主控制器判斷后以設(shè)定好的數(shù)據(jù)幀格式編輯控制指令，進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)超過一定次數(shù)沒有接收時(shí)則進(jìn)行丟棄。

數(shù)據(jù)采集單元串行通信采用中斷方式，485一直處于接收狀態(tài)，當(dāng)判斷到主控制器發(fā)來的地址是自己的地址時(shí)，解析指令，將對(duì)應(yīng)變量中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。具體流程如圖5所示。

圖5 采集單元指令接收流程

3.4 主控制器軟件設(shè)計(jì)

主控制器為多線程工作機(jī)制，這里對(duì)其控制主線程進(jìn)行流程說明。溫室智能控制系統(tǒng)主要的控制理論依據(jù)以專家系統(tǒng)知識(shí)存儲(chǔ)，在進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目控制之時(shí)，獲取控制模式信息。依據(jù)不同的生物生長特性需求以及生長階段制定相應(yīng)的控制目標(biāo)，從而進(jìn)行溫室參數(shù)控制。主控器主要控制流程如圖6所示。

圖6 主控器主要控制流程

4 系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)

軟件抗干擾設(shè)計(jì)就是在軟件環(huán)節(jié)盡可能的消除不正常狀態(tài)出現(xiàn)的影響。根據(jù)干擾進(jìn)入系統(tǒng)后所造成后果的不同，軟件抗干擾所采取的措施也不同［5－7］。

(1)為提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和檢測精度，采用數(shù)字濾波技術(shù)。因系統(tǒng)測量的溫室環(huán)境溫度、濕度，土壤溫度、濕度數(shù)據(jù)都是屬于變化緩慢的信號(hào)，系統(tǒng)選擇中值平均濾波。

(2)控制輸出在本系統(tǒng)中主要為RS485通信和控制單元的繼電器控制環(huán)節(jié)。為避免因干擾而造成的系統(tǒng)控制失常，采取軟件冗余、設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元以及設(shè)置自檢程序等措施。

(3)在下位單片機(jī)的采集單元和控制單元軟件編程過程中，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置程序陷阱，來強(qiáng)迫程序重新開始運(yùn)行，以保證程序工作在正常的運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語

根據(jù)溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能需求，詳細(xì)設(shè)計(jì)了溫室監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)RS485通信、數(shù)據(jù)采集及控制器的軟件流程。確定了通信幀格式、地址分配方案以及通信超時(shí)處理措施。實(shí)現(xiàn)了溫室控制系統(tǒng)的下位機(jī)軟件功能。系統(tǒng)自2010年4月份在寧夏國家經(jīng)濟(jì)林木種苗快繁工程技術(shù)研究中心E溫室投入運(yùn)行以來，數(shù)據(jù)通信采集精度都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，效果良好。

［1］張?jiān)?模糊數(shù)學(xué)在自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997:9－26.

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