自动化滴灌嵌入式田间控制器 所属技术领域
本发明涉及节水灌溉设施的自动控制装置，特别是膜下滴灌自动化控制系统中的田间控制器。
背景技术
膜下滴灌是新疆生产建设兵团最早从以色列引进的一种先进高效的节水灌溉技术，这种灌溉方式由于能有效地防止水份蒸发，便于根部吸收，因此不但节约了灌溉用水，减少了化肥和农药的使用量，更有价值的是，在节水、节肥的同时还增加了小麦、棉花的产量。全面推广滴灌技术带来的节水、增产效益十分惊人！正是由于推广滴灌技术所具有的特殊重要价值，新疆生产建设兵团在实现了主要滴灌材料与设备国产化之后，在短短几年的时间内就把膜下滴灌工程推广到了800万亩，成为全世界应用滴灌技术面积最大、成效最好的地区，为自治区和兵团的发展作出了巨大贡献。
但是，由于滴灌技术推广过程的阶段性限制，当前滴灌工程基本还停留在由人工现场开关阀门实现灌溉的水平。依靠这种人工手动控制的落后方式要完成对上百万、上千万亩农田的灌溉，不仅会花费大量劳力，难于实现精确控制，更为关键的是极大地制约了节灌的潜力，影响了滴灌效益的发挥。因此，田间滴灌走向自动化和智能化是必然的趋势。目前，已有田间滴灌的自动控制装置问世，但这些装置，基本停留在以单片机为控制核心构成的控制体系，局限性较大，扩展功能不强，外部接入设备适应各类不同通信方式的兼容性差，难于走向工程化实施并获得大面积、大范围推广应用。
本发明的基本思路是：田间滴灌自动化必须考虑充分发挥膜下滴灌技术优势，最大限度地节约水资源，增加农作物产量，这就需要针对每一灌溉片区制定最适合这一区域的轮灌方案，并按轮灌方案自动实施。同时，系统还应具有自动监控灌溉过程，自动修改、调整轮灌方案的功能。因此，在技术方案上将中央控制器、田间控制器、阀门控制器及水分传感器三部分组成控制系统，与现有的通信网络系统结合，根据片区内农田的具体情况构成一个典型的分布式控制网络结构，由中央控制器统一控制，接收田间控制器的信息并实时处理、发布控制命令。其中，中央控制器置于片区泵房内，由一台工控机或专业控制器担任；阀门控制器功能相对简单，安放在阀门和水分传感器附近，执行阀门的开关控制；田间控制器处在承上启下的中间层面，向上接收中央控制单元的轮灌方案和其它命令，并把由中央控制单元下发的轮灌方案分解为一组可执行的控制指令，下传到各阀门控制器，实现规定的控制程序，同时向中央控制器发送水分检测器的信息。一台田间控制器管理、控制几台到数十台阀门控制器。鉴于田间控制器处在整个自动化系统中最关键的层面，它的性能、价格和工程化程度对田间滴灌自动化的发展影响极大，所以，田间控制器是自动控制系统的关键所在。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种扩展功能强，兼容不同通信方式，适应各类外部接入设备，易于走向工程化实施并获得大面积、大范围推广应用的自动化滴灌田间控制器。这种田间控制器能按片区实施滴灌方案并根据实际变化自动修改滴灌方案，达到最佳灌溉效果。
本发明的目的是这样达到的：田间控制器与中央控制器、阀门控制器以及水分传感器三部分和通信系统共同构成自动化滴灌系统，水分传感器包括土壤水分传感器和雨量脉冲输入模块，所述田间控制器的核心控制器为ARM处理器，嵌入实时操作系统模块，在核心控制器上设置扩展器接口、通信接口、外部设备接口、调试接口和电源接口；在扩展器接口上连接数据存储器、存储器、U盘、硬盘等硬件；在通信接口上连接CAN通讯模块、RS485模块，PC、GSM/GPRS以及数传电台和INTERNET网；在外部设备接口上连接水分传感器和外部设备；连接的水分传感器包括：在A/D接口上连接土壤水分传感器和在脉冲接口上连接雨量脉冲输入模块；所述的调试接口是JTAG调试接口。
所述核心控制器ARM处理器是ARM LPC2378，嵌入的实时操作系统模块是UC/OS-II操作模块。
所述在外部设备接口上连接的外部设备包括显示器、键盘，SD卡、IC计费模块和拨码开关。
所述数据存储器是NANDFLASH模块，所述CAN通讯模块的收发器芯片是CTM1040芯片，所述雨量脉冲输入模块是RS触发器74HC00。
在通信接口上通过总线连接CAN通讯模块和RS485模块，通过RS232接口连接PC、GSM/GPRS以及数传电台，通过TCP/IP接口连接INTERNET网；
所述通过总线上连接的CAN通讯模块和RS485模块有2路总线。
在核心控制器上还设置有电源接口连接电源转换模块和太阳能充电控制器，并配有外围电源控制模块。
本发明的优点是：
1、通过嵌入式实时操作系统UC/OS-II和功能强大的ARM处理器的结合，系统开发、研制手段十分灵活。采用积木式电路模板结构，模块化软件设计，根据不同的应用环境，不同的功能要求，不同的外部配置，可以裁剪为该应用场合下的最简系统，且只需要经过简单的组态设置就可以完成系统的安装，配置与运行，具有极高的性能/价格比和工程化应用特点。
2、采用ARM处理器嵌入UC/OS-II实时操作模块，兼容各种不同的通信方式。通过CAN通信模块、RS485模块构成有效的无线通信控制网络，实现远程控制、遥测、数据传输、异常情况报警等功能，完成向中央控制器发送信息和接收命令，向阀门控制器发送各种操作控制命令。通过TCP/IP方式，连接互联网进行通讯，在多个田间控制器之间组成了一个局域网，而这种方式可以在现有的固定电话网络的基础上实现，免去了铺设通讯线路的投入。大大降低了建设通讯网络的成本。这样，本发明彻底解决了人工开关阀门的落后现状，实现了管理自动化。
3、采用ARM处理器嵌入UC/OS-II实时操作模块，扩展功能强，不仅可用NAND FLASH等数据存储器来存储历史数据，实现程序自动擦写，页程序，块擦除，智能的读写和擦除操作，还设置了外扩USB主/从设备，当工作区不具备GPRS信号或者PSTN时，可通过U盘获取土壤水分等历史数据。
4、具有移动性强，控制范围大，附属的智能化监控功能完善、齐全，不仅具备抗干扰、缺电，缺相保护、防盗、报警和语音报告功能，而且具有蓄电池电量监控和完善的后背电源管理功能，使用安全可靠，适应性强，有利于大面积、大范围的推广应用。
5、嵌入式系统是过程控制领域新一代的控制系统，具有强大的综合控制功能和极高的性能/价格比。本发明首次把嵌入式系统引进滴灌自动化过程，作物田间控制器的操作系统平台，极大地提高了控制系统的实时性和智能化水平，缩短了产品的开发周期，简化了产品的设计，有利于功能的进一步扩展。
【附图说明】
图1是本自动滴灌嵌入式田间控制器的结构方框图。
图2是本田间控制器与中央控制器和阀门控制器、传感器的连接示意方框图。
图3-图5是本田间控制器中存储管理部分的电路图，其中图3是数据存储器NANDFLASH模块的电路图，图4是存储器中SRAM 128×8，IS62WV1288BLL的电路图，图5是外存储器USB接口电路图。
图6-图7是本田间控制器中的信号输入管理电路图，其中图6是A/D信号输入，即土壤水分传感器的电路图，图7是雨量传感器电路图。
图8是对机械式继电器信号输出管理电路图。
图9-图12是通信管理电路图，其中，图9是RS232通信电路图，图10是RS485总线电路图，图11是CAN总线电路图，图12是GPRS/GSM总线电路图。
图13-图14是人机接口管理电路图，其中图13是键盘接口电路图，图14是LCD显示电路图。
图15是JTAG调试接口部分电路图。
图16是在配置管理中设置的看门狗复位电路。
图17是在配置管理中设置的电源管理电路图。
【具体实施方式】
附图给出了本发明的一个具体实施例。
自动化滴灌嵌入式田间控制器与中央控制器、阀门控制器及土壤水分传感器，通过移动通讯网络，现场总线，互联网，无线远程遥控，双向通讯，按照分布式控制网络结构构成自动控制系统。其中，中央控制器置于片区泵房内，由一台工控机或专业控制器担任，或称系统的中心站。中心站可以设置分站。中心站可以管理数个或数十个田间控制器，一个田间控制器又可以管理和控制若干阀门控制器。田间控制器向上接收中央控制单元的轮灌方案和其它命令，并把由中央控制单元下发的轮灌方案分解为一组可执行的控制指令，下传到各阀门控制器，实现规定的控制程序。
土壤水分传感器的监测器为土壤湿度传感器，它根据设定的土壤含水量上，下限，由输出4~20mA的标准信号的土壤水分传感器组成检测，自动发送检测数据给田间控制器，中央控制器通过统计，分析，向各轮灌区先后发送开、关电磁阀命令，实现由计划供水向按需供水的转变。灌水量、灌水时间由智能控制设定的土壤含水量上、下限来确定，省去了人工采样实验程序，节约了劳力和节省了时间，保证了灌溉进度，提供了水的利用率，实现节水灌溉的要求。
参见附图9-图12。田间控制器可以通过RS485，CAN通信总线方式和各网络节点进行通讯，负责对整个系统进行监控，给阀门控制器发送各种操作控制命令。RS485，CAN通讯程序是基于UC/OS-II的基础上，完成CAN初始化、数据发送、数据接收等任务。它以任务的形式实现RS485，CAN总线通讯，协议转换等。田间控制器用TCP/IP方式，通过互联网进行通讯，这样在多个田间控制器之间，可组成了一个局域网，这种方式可以在现有的固定电话网络的基础上实现，免去了铺设通讯线路的投入。大大降低了建设通讯网络的成本。由于与通信系统的良好配合，本自动控制系统在移动通讯网络覆盖范围内，可利用移动通讯进行远程监控，用手机移动通讯网络进行远程监控及双向通讯，只要在移动服务网络服务区，无论任何一部手机，都可根据实际需要，实现远程控制，遥测，数据传输，异情报警等。调控滴灌区的灌水时间、灌水次数、灌水量及施肥等。
本例的CAN总线通信，LPC2378内部集成了CAN总线控制器，CAN通信部分的收发器采用周立功公司生产CTM1040，CTM1040是一款带隔离的高速CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，可隔离2500V电压，在收发器前端设置了防雷保护电路。此外，GSM/GPRS，LPC2378和GPRS DTU连接采用的是全功能串口方式。GSM/GPRS DTU具有语音，数据，短信，传真四种传输方式，工作电压3.3~5.5v，工作在GSM900MHz和1800MHz频带范围内，波特率为300~115kbps，在1200~115kbps为自动波特率设置。数据传输采用AT命令集；SMS具有TEXT和PDU图形模式；点到点数据通讯速率是2400bps，4800bps，9600bps和14400bps。中心站通过计算机的串口向GSM/GPRS DTU发送命令，通过GSM/GPRS DTU以短消息形式把设置命令发送到数据采集控制终端，进行初始化，设置需要采集的模拟量，设置每日定时送回土壤水分数据的时间，设置转发人员的GSM号码；然后，等待接收数据整理存入实时数据库中。
参见附图3-图5。本田间控制器采用了多种外扩方式。外扩NAND FLASH，K9K4G08QOM，用来存储历史数据。NANDFLASH是三星公司生产的256M NAND FLASH存储器。该存储器的工作电压为2.7v~3.6v。可实现程序自动擦写，页程序，块擦除，智能的读写和擦除操作，一次可以读写或擦除4页或者块的内容。该器件按功能可以划分为如下几个部分：存储阵列，输入输出缓冲，命令寄存器，地址译码寄存器和控制逻辑产生。其中，命令寄存器用来确定外部设备对存储器进行操作的类型，地址译码寄存器保持被访问的地址并产生相应的译码选通信号。主设备通过8位的I/O端口分时复用访问器件命令，地址和数据寄存器，完成对芯片内存储体的访问。
外扩USB主/从设备，由于RTU工作区有可能没有GPRS信号或者PSTN，这时通过U盘获取土壤水分等历史数据，本系统采用的是一个USB总线的通用接口芯片CH375，支持HOST主机方式和SLAVE设备方式。CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到LPC2378控制器的系统总线上。U盘文件读写模块提供了相应的文件操作功能，只需要调用相应的命令就可以完成文件操作。CH375支持的命令有二十几种：包括复位，模式设置，扇区数据读取，状态读取，数据写入等命令。CH375芯片占用两个地址位，当A0引脚为低电平时选择数据端口，可以读写数据。LPC2378通过8位并口对CH375芯片进行读写，所有操作都是由一个命令码，若干个输入数据和若干个输出数据组成，部分命令不需要输入数据，部分命令没有输出数据。
参见附图6-图7。模拟量采样电路，先将该模拟量转换成电压，该电路具有保护功能。模拟信号传感器为三线制：电源线、地线、信号线，工作电压24V。接入信号线和地线，经由保护电路进入隔离芯片，隔离芯片一方面将信号与外界进行隔离，一方面将4~20mA信号转换为可被MCU采样的电压信号AIN0，将采样信号通入LPC2378进行A/D转换。雨量传感器是RS触发器74HC00，脉冲计数，-EINT1-PULSE。
参见附图8。对阀门控制器下达开关闭命令是对机械式继电器信号的输出。
参见附图16。系统配置有看门狗复位电路。当按键按下时，MAX708S的引脚RST输出低电平，此低电平将会使MCU复位，如果MAX708S的VCC+3V降你到某个电压时，也会使RST引脚上输出低电平，从而引起MCU复位。
参见附图15。调试接口采用的是标准JTAG接口，JTAG编程方式是在线编程。传统生产流程中先对芯片进行预编程再装到板上，本发明采用的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程。JTAG控制线由(-TRST、TDI、TDO、TMS、TCK、RTCK、-RESET-/SYS-RST)组成。
参见附图13-图14。人机接口，键盘电路采用的是I2C接口的专用键盘扫描芯片max7349。LCD外接的黑白液晶显示。
本实施在配置管理中设置了电源管理电路。并设置了四组电源，分别供CPU，5DV(rs触发器)、3.3DV(2378、看门狗max708s、jtag)，常开；供外设芯片，12DV(机械式继电器、iso隔离)、5DV(lcd、485、can、usb口、蜂鸣器)、3.3DV(nandflash、sram、usb、232、I2C、gprs缓冲mc74vhc126)，可控；供GPRS模块，4.2DV，可控；供传感器电源，24DV，可控。有效达到节能和防止窜扰的目的。田间控制器的供电方式有如下几种，交流220V供电，开关电源直流供电，蓄电池，其中蓄电池为主要的后备电源，当没有市电情况下，可以由太阳能板对其进行充电，保证了系统的正常运行。另外，本系统采样了外围电源控制模块，对电源供电进行控制，最大限度的延长蓄电池的使用时间。
系统在软件控制下工作，按照主任务优先的原则，分别完成键盘任务、采数任务、存储任务、控制任务通信任务和查询任务的工作流程。