[基于CAN,总线的虚拟测控网络设计]测控总线

　　摘要:本文提出了采用下位机现场监控、现场总线通信、上位机集中管理构成蔬菜大棚的数字式测控网络系统。该系统能够24小时不间断对多个大棚进行智能监控,完全记录大棚温湿度情况,从而为农作物的生长提供环境数据记录,并且可以为温湿度控制提供数据支持。
　　关键词:CAN总线 SHT11 虚拟仪器 LabVIEW
　　
　　1 研究背景
　　 伴随着科学技术的迅速发展,我国农业也逐渐地从传统农业向高产、 优质、 高效为目的的现代化农业转变。而蔬菜大棚,自然也离不开现代化的科学技术。通过国内外大量的科学实验和生产的实践证明,环境的控制对蔬菜生产起到非常重要的作用。对于蔬菜大棚内环境的控制主要是对环境温度、湿度和土壤水分等进行测量和控制。
　　 在国内,较多的是单因子监测控制,控制主要采用传统的一些方法,精度和稳定性方面与国外还有一定差距。在国外,目前,荷兰、以色列、美国等发达国家可以根据温室作物的生长要求和特点,对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控。而目前,现场总线控制系统是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术。本文采用CAN总线设计了一个高精度、高速度、稳定可靠的虚拟测控网络。
　　
　　2 系统设计
　　2.1 网络平台虚拟测控系统设计
　　 分析系统的结构,我们把网络分为两层:顶层为处于集中管理地位的主站节点;下层为处于现场执行与监测的从站节点。通过CAN总线适配卡或转换卡(该系统采用微型并口CANmini),采用总线型拓扑结构,把现场总线控制系统中主站和从站(测控装置)互连起来,并按现场总线的物理层、数据链路层、应用层协议,实现网络的功能。本测控系统同一时间需要监控的参量主要有电机蔬菜大棚的实时温度和湿度,下面从两个方面介绍发送/接受协议。
　　 (1)上位机发送下位机接受协议。在BasicCAN模式下,CAN总线每帧最多可以携带8个字节的数据,如下表1所示。数据源ID代表本桢数据的来源,即上位机ID。字节2(命令字)代表上位机给下位机发送的命令,当命令字设定为各个参数时对应的数据由字节3、字节4表示,如表2所示。下位机接受到上位机发送来的数据后,将根据下述各表格决定执行的动作。
　　 (2)下位机发送上位机接受协议。下位机通过CAN总线向上位机发送的数据包括温度和湿度信息,如表3所示。上位机接受到下位机发送来的数据后将按照此下表来解析数据。
　　虚拟仪器主要是加强了软件在仪器中的应用,尽可能应用计算机软件去取代传统仪器中的电路或元件,但是测量中信息的获取仍然离不开硬件的支持。考虑到系统的灵活性和通用性,本系统的硬件的构成方式是由上述智能节点和上位机监控程序就可以建立一个完整的虚拟仪器监试网络,即:“PC机+CAN总线通信+N个智能节点 +N个蔬菜大棚”。 该系统是将下位机智能节点采集到被测量转换成数字信号,在计算机软件控制下,通过CAN总线将数据发送到上位机,调用数据处理模块计算原始数据,实现对采集数据的在线处理和离线处理。而上位机则通过CAN总线向下位机发送各种控制命令,以实现对蔬菜大棚实时控制的目的。
　　2.2 上位机监控系统设计
　　 本文采用LabVIEW来开发上位机监控程序,实现蔬菜大棚温湿度数据采集、数据实时显示、数据存储、报表的生成与打印等功能。为实现监控系统软件的可扩展和易维护性,需要在系统软件设计阶段仔细设计软件结构,使系统软件能够适应新的硬件模块和算法,采用通用框架处理方法把软件系统分成四个部分:系统配置、数据采集与处理、数据存储及报表生成与打印四个部分。该系统功能框图如下:
　　
　　其中:系统配置包括设备连接、启动/复位CAN和参数设置;数据采集与处理包括数据采集和数据处理功能模块;数据库管理软件部分包括建立数据库的建立、创建数据库表及数据库中数据的存储三部分;报表生成与打印部分包括生成和打印报表两部分。
　　2.3 下位机智能节点的硬件电路设计
　　 下位机智能节点是由温湿度数据采集模块和通信模块组成,通过对每一个蔬菜大棚进行温湿度测量,将BCD码为00到70的温度采样值和00到99的湿度采样值(分别对应为温度-20℃到50℃和湿度0%到99%RH),在液晶显示屏上显示出来。同时通过CAN总线实现上下位机之间的实时通信,得到各个大棚温湿度的最新采样值,并将数据进行储存和处理,以备查询分析及打印报表等。要求系统温湿度偏差小于5℃,这样才能更加准确的提供一个良好的温湿度环境,从而适合蔬菜生长。其硬件电路图如下:
　　
　　图2 下位机智能节点硬件电路
　　3 结语
　　 本文设计了基于CAN总线的蔬菜大棚温湿度测试网络,它是由下位机进行数据采集、CAN总线通信和上位机实时监控管理构成一套完整的虚拟仪器测试网络。该网络具有操作简单、可靠性高、可维护性好等特点。
　　
　　参考文献
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