陸衛(wèi)東

摘要：該文闡述了基于CAN總線和Labview的智能噴灌系統(tǒng)，主要包含上位機人機交互軟件和下位機C8051F040子系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)根據(jù)傳感器檢測到的土壤、空氣相關信息，根據(jù)預設噴灌策略，采用電磁閥實現(xiàn)智能噴灌，并通過CAN總線向上位機發(fā)送土壤水分含水量、空氣溫度、電池電壓、閥門狀態(tài)等信息。上位機Labview軟件可實現(xiàn)用戶多功能操作，方便用戶實現(xiàn)系統(tǒng)管理與監(jiān)控。因此，通過設計智能噴灌遠程控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)草坪的智能化管理，實現(xiàn)城市的節(jié)能減排。

關鍵詞：CAN總線；Labview；人機交互；噴灌；電磁閥

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）28-0177-03

智能噴灌控制系統(tǒng)是集檢測、控制、通信、顯示于一體的智能設備。系統(tǒng)既要對土壤水分含量、空氣溫度、電池電壓、閥門狀態(tài)進行周期性測量，同時亦要完成人機交互任務。因此，首先根據(jù)草坪噴灌的需求分析，制定相應的噴灌策略，以此設計出下位機控制及檢測單元，同時為了實現(xiàn)人機交互，設計基于Labview的人機交互軟件。在多節(jié)點通訊方式上，采用CAN總線可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，使得CAN總線構成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。相比于傳統(tǒng)的RS-485只能構成主從式結構系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。

本文所述系統(tǒng)根據(jù)傳感器檢測到的土壤、空氣相關信息，結合草坪噴灌策略，采用雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥實現(xiàn)智能噴灌。下位機的供電系統(tǒng)利用太陽能實現(xiàn)，并制定了合理的鋰電池管理策略，以滿足不同天氣的工作需求，同時，通過CAN總線向上位機發(fā)送土壤水分含水量、空氣溫度、電池電壓、閥門狀態(tài)等信息。上位機Labview軟件可根據(jù)接收到的檢測數(shù)據(jù)，用戶可以實時地了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)及草坪的相關信息，可以設定采用人工控制還是自動控制。因此，通過設計智能噴灌遠程控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)草坪的智能化管理，實現(xiàn)節(jié)能減排。

1 總體架構

系統(tǒng)設計目標就是通過預設的控制規(guī)則，根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，控制電磁閥的通、斷，從而進行草坪灌溉，減少水資源浪費。系統(tǒng)硬件設計主要包括微處理器C8051F040外圍電路設計、太陽能電壓管理電路的設計、電磁閥驅動電路的設計以及CAN收發(fā)器的設計，軟件上主要實現(xiàn)土壤水分傳感器、空氣溫度傳感器、CAN總線的底層驅動以及噴灌策略的編程，下位機總體架構如圖1所示。

1.1 傳感器的選型

系統(tǒng)中需要測量的外界參數(shù)為土壤含水量以及空氣溫度，選擇常用的SHT10濕度傳感器及DS18B20溫度傳感器，相關參數(shù)如表1所示。

SHT10為四線制高性能溫濕度傳感器，分別為VCC、GND、SCK、DATA，其硬件原理圖及引腳功能定義如圖2所示，需要通過2個I/O口來模擬其通訊方式。DS18B20為三線制傳感器，采用單總線工作方式，僅需要1個I/O口即可實現(xiàn)。

1.2 太陽能電源管理模塊

為了實現(xiàn)系統(tǒng)靈活供電，采用CN3063電源管理芯片設計太陽能電源管理模塊。CN3063能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應用，具體實現(xiàn)原理如圖3所示。

1.3 雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥驅動模塊

雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥主要是通過脈沖來控制通、斷，當脈沖線圈接收到一個正脈沖信號時，閥芯與永磁體相吸，電磁閥打開；當脈沖線圈接收到一個負脈沖信號時，閥芯與永磁體排斥，電磁閥閉合。

微控制器C8051F040的IO口輸出電壓3.3V，其驅動能力不足以驅動電磁閥，因此需要設計相應的驅動電路。雙穩(wěn)態(tài)電路在電子電路有著廣泛的應用，它在沒有外來觸發(fā)信號的作用下，電路始終處于原來的穩(wěn)定狀態(tài)，在輸入觸發(fā)信號作用下，雙穩(wěn)態(tài)電路從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。這里的驅動電路就是在雙穩(wěn)態(tài)電路的基礎上進行設計，如圖4所示。

當DR1端輸入一個脈沖時，由于電阻R14，三極管Q3可靠地工作在截止區(qū)，而此時DR2端輸入低電平，Q4工作在飽和區(qū)，所以DRI2端輸出低電平，DRI1端輸出接近3.7V的高電平；同理，當DR2端輸入一個脈沖時，DRI2端輸出接近3.7V的高電平，DRI1端輸出低電平，其中DRI1端和DRI2端分別接在雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥的正極和負極。

1.4 CAN總線模塊

C8051F040內(nèi)部集成了CAN2.0B控制器，因此大大降低了外圍硬件電路的設計以及軟件協(xié)議的編程的難度。系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的3.3V芯片SN65HVD230，其作為總線收發(fā)器該收發(fā)器與PCA82C250引腳兼容，具有差分收發(fā)能力、高速率傳輸（1Mbps）、高抗電磁干擾、超小封裝、低功耗性能，實現(xiàn)的硬件電路原理圖如圖5所示。

2 軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件設計主要包括功能設計以及驅動設計。其中，功能設計實現(xiàn)了智能噴灌策略以及電源管理策略。驅動設計實現(xiàn)了傳感器的底層驅動編程、CAN總線通信協(xié)議的底層驅動編程。具體實現(xiàn)流程圖如圖6所示。

首先是C8051F040各部分寄存器的初始化，調(diào)用SHT10濕度測量及DS18B20溫度測量子程序，根據(jù)測得的數(shù)值進行智能噴灌，同時接收上位機發(fā)送的控制信息，進行人工或者自動噴灌的命令控制。智能電源管理策略是通過C8051F040內(nèi)部自帶的12位AD實現(xiàn)，當檢測到的電壓值小于3.7V即使能充電，電壓值大于4.2V即停止充電。最后，通過CAN總線通訊將各參數(shù)值發(fā)送給上位機。

2.1 CAN報文格式

在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符（ID）長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。

在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位（RTR）組成的仲裁場。數(shù)據(jù)場為0～8個字節(jié)，最后有一位用于數(shù)據(jù)校驗，通?？刹捎肅RC16或CRC32循環(huán)冗余校驗算法。應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

3 系統(tǒng)測試

通過在PC機端利用Labview設計人機交互軟件進行測試，軟件功能界面如圖7。

點擊“初始化”按鍵，進行啟動初始化工作，包括設置幀格式和波特率等。然后，系統(tǒng)向CAN網(wǎng)絡發(fā)送初始化消息，若成功初始化，指示燈變亮，說明初始化操作完成。點擊“停止”按鍵，系統(tǒng)停止工作，包括停止發(fā)送接收CAN數(shù)據(jù)，以及停止PCAN-USB接口卡工作等。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)中的控制界面可以方便用戶進行人工控制方式與自動控制方式的切換。在一般情況下，上位機系統(tǒng)設置各個智能節(jié)點為自動控制方式，各個智能節(jié)點獲取傳感器檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)有的土壤灌溉策略，自動控制閥門的開關，實現(xiàn)對土壤的合理灌溉。在特殊情況下，用戶需要自己控制各個閥門的開關，只需將控制方式切換到人工控制方式，人工設置好每個閥門的開關狀態(tài)后，點擊“閥門控制”按鍵，就可以實現(xiàn)對各個閥門的人工控制，若“閥控制成功”指示燈變亮，說明對應的閥門控制成功。

4 總結

本文闡述了基于CAN總線和Labview的智能噴灌系統(tǒng)，其中主要包含上位機人機交互軟件和下位機C8051F040子系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)根據(jù)傳感器檢測到的土壤、空氣相關信息，結合草坪噴灌策略，采用雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥實現(xiàn)智能噴灌，通過CAN總線向上位機發(fā)送土壤水分含水量、空氣溫度、電池電壓、閥門狀態(tài)等信息。上位機Labview軟件可以實時地給出系統(tǒng)的運行狀態(tài)及草坪的相關信息，同時在控制方式上擁有人工控制和自動控制兩種方式。因此，通過設計智能噴灌遠程控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)草坪的智能化管理，實現(xiàn)城市的節(jié)能減排。

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