專利名稱：一種基于fpga和無線射頻rf的溫室智能控制裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及溫室環(huán)境智能控制，為一種基于FPGA和無線射頻RF的溫室智能控制裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，溫室環(huán)境控制裝置多數(shù)采用可編程控制器PLC和單片機等控制單元，通過有線方式連接，實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)采集與控制。大型溫室要實現(xiàn)智能控制，需實時采集溫室室內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)，所以在溫室室內(nèi)外合理布置各種傳感器，實時采集相應環(huán)境參數(shù)，為實現(xiàn)智能控制提供控制依據(jù)。通過控制單元控制各種輸出設備，如遮陽網(wǎng)、天窗等，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的智能控制。 在大型溫室中需使用很多傳感器以及外圍執(zhí)行機構(gòu)，如果各種輸入設備和輸出設備，均采用有線方式連接，那么在溫室室內(nèi)和室外，需要使用大量的連接線，給溫室環(huán)境智能控制的設備安裝帶來很大的不便，并且提高了溫室環(huán)境監(jiān)控的成本，以及設備后期維護與位置調(diào)整帶來不便。傳統(tǒng)控制單元采用PLC和單片機較多，由于其IO接口有限，已不適合現(xiàn)代大型多棟溫室環(huán)境智能控制。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的問題是現(xiàn)有溫室環(huán)境控制系統(tǒng)接線復雜，不易維護，不能滿足大型多棟溫室環(huán)境智能控制。本實用新型的技術(shù)方案為一種基于FPGA和無線射頻RF的溫室智能控制裝置，包括室外FPGA控制器、室內(nèi)FPGA控制器、溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制柜，室外FPGA控制器連接溫室室外環(huán)境參數(shù)檢測傳感器，室內(nèi)FPGA控制器連接溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控傳感器以及溫室環(huán)境控制柜；其中室外FPGA控制器和室內(nèi)FPGA控制器分別通過RF無線射頻模塊連接上位機監(jiān)控系統(tǒng)，上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制柜之間數(shù)據(jù)連接，溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)通過執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路與室內(nèi)FPGA控制器、上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制柜中的至少一種連接。所述溫室室外環(huán)境參數(shù)檢測傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、太陽總輻射傳感器、風速傳感器和風向傳感器，各傳感器的信號經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過有線或無線方式輸出至室外FPGA控制器，各傳感器檢測范圍分別為溫度傳感器O 80°C，濕度傳感器O 100%，太陽總輻射傳感器O 2000W/m2，風速傳感器O 30m/s，風向傳感器O 360°，正北向為0°。所述溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器和土壤濕度傳感器，所述各傳感器位于溫室內(nèi)，通過RF無線射頻模塊連接室內(nèi)FPGA控制器，各傳感器檢測范圍分別為溫度傳感器O 80°C，濕度傳感器O 100%，光照度傳感器O 60000Lux, 土壤濕度傳感器O 100%。室外FPGA控制器、室內(nèi)FPGA控制器與上位機監(jiān)控系統(tǒng)連接的RF無線射頻模塊天線增益倍數(shù)為14DB，室內(nèi)FPGA控制器與溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控傳感器連接的RF無線射頻模塊天線增益倍數(shù)為 Β。所述溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)包括外遮陽網(wǎng)開電機、外遮陽網(wǎng)關電機、內(nèi)遮陽網(wǎng)開電機、內(nèi)遮陽網(wǎng)關電機、天窗開電機、天窗關電機、滴灌設備、通風設備、增溫設備和噴淋設備。本實用新型創(chuàng)造的有益效果是(I)無線數(shù)據(jù)傳輸方式本實用新型改善傳統(tǒng)溫室環(huán)境控制方式，溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸采用無線方式，為大型多棟溫室環(huán)境智能控制設備安裝帶來便利，節(jié)約溫室環(huán)境監(jiān)控設備成本，為設備維護與位置調(diào)整帶來便利。(2)溫室環(huán)境控制模式本實用新型溫室環(huán)境控制裝置具有三種控制模式智能控制模式、遠程手動控制模式和現(xiàn)場手動控制模式；室內(nèi)FPGA控制器根據(jù)實時采集的各傳感器數(shù)值，調(diào)用預先編寫的智能控制模式程序，自動控制調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的動作狀態(tài)，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境自調(diào)節(jié)功能；溫室管理人員可通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程手動控制執(zhí)行機構(gòu)的動作狀態(tài)；溫室管理人員也可以通過溫室環(huán)境控制柜手動控制執(zhí)行機構(gòu)。(3)上位機監(jiān)控系統(tǒng)在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中，可實時顯示各溫室中環(huán)境參數(shù)，可分別設置各傳感器信號采集頻率，并將采集的各傳感器數(shù)值保存到數(shù)據(jù)庫中，以便后期的查詢與分析使用。(4)采用FPGA控制器本實用新型采用FPGA控制器，具有IO接ロ豐富、運行速度快以及內(nèi)部程序可并行運行等優(yōu)點。本實用新型特別適用于大型多棟溫室環(huán)境智能控制以及溫室離監(jiān)控室較遠的場
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圖I為本實用新型溫室環(huán)境智能控制裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型溫室室外環(huán)境參數(shù)檢測部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型上位機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實用新型溫室環(huán)境控制柜面板結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，對本實用新型進ー步的描述，但其不代表為本實用新型的唯一實施方式。如圖I所示，溫室智能控制裝置包括以下幾部分溫室室外環(huán)境參數(shù)檢測、溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控、上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制拒。溫室室外環(huán)境參數(shù)檢測部分，由室外FPGA控制器通過溫度傳感器、濕度傳感器、太陽總輻射傳感器、風速傳感器和風向傳感器，采集室外環(huán)境參數(shù)，并實時更新室外FPGA控制器中的數(shù)值。由于室外環(huán)境參數(shù)分布均勻，通常各傳感器僅使用ー個即可，所以各傳感器可以通過有線方式直接連到FPGA控制器上，也可采用RF無線射頻模塊將數(shù)據(jù)傳給FPGA控制器。溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控部分，由室內(nèi)FPGA控制器通過溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器和土壌濕度傳感器，采集溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并實時更新當前溫室中室內(nèi)FPGA控制器中的數(shù)值。由于大型溫室室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)通常不是均勻分布的，為實現(xiàn)精準控制溫室環(huán)境，所以需在溫室中主要位置合理布置各種傳感器，因此大型多棟溫室中布置傳感器數(shù)量較多，所以采用傳統(tǒng)有線方式連接，布線復雜以及后期位置調(diào)整和設備維護帶來不便。本實用新型中溫室室內(nèi)各傳感器采用RF無線射頻技術(shù)，將數(shù)據(jù)無線傳輸給室內(nèi)FPGA控制器。上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)溫室室內(nèi)和室外的環(huán)境參數(shù)采集、顯示、存儲和遠程手動控制溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)。在上位機軟件中可分別設置各傳感器信號采集頻率，將實時采集的環(huán)境參數(shù)現(xiàn)在監(jiān)控界面中，并保存到數(shù)據(jù)庫中。溫室環(huán)境控制柜，通過室內(nèi)FPGA控制器實現(xiàn)在溫室現(xiàn)場手動控制溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)。本實用新型是針對大型多棟溫室環(huán)境控制，各溫室中FPGA控制器與室外FPGA控制器均通過大功率天線將數(shù)據(jù)傳到與監(jiān)控系統(tǒng)連接的RF無線模塊中。室外環(huán)境參數(shù)檢測裝置數(shù)據(jù)傳輸格式為=FPGA設備號/節(jié)點號/溫度/濕度/太陽總輻射/風速/風向，其中 除太陽總輻射為雙字節(jié)，其他參數(shù)均為單字節(jié)，共8個字節(jié)。溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)傳輸格式為=FPGA設備號/節(jié)點號/溫度/濕度/光照度/ 土壤濕度傳感器/執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)符，其中除光照度為雙字節(jié)，其他參數(shù)均為單字節(jié)，共8字節(jié)。溫室室內(nèi)和室外的FPGA控制器都是通過大功率RF無線射頻模塊每次發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)到上位機RF無線射頻接收模塊中。溫室室內(nèi)各傳感器節(jié)點采用小功率RF無線射頻模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送到當前溫室中的室內(nèi)FPGA控制器中。因為各節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到室內(nèi)FPGA控制器時，數(shù)據(jù)中包含相應的FPGA設備號，所以各溫室室內(nèi)FPGA控制器能夠識別接收到的數(shù)據(jù)是否為該溫室中的節(jié)點，如果是該溫室中節(jié)點，則更新各環(huán)境參數(shù)，否則不做處理。如圖2，溫室室外環(huán)境參數(shù)檢測傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、太陽總輻射傳感器、風速傳感器、風向傳感器，室外FPGA控制器設有RF無線射頻模塊與上位機監(jiān)控系統(tǒng)通訊。各傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實時更新室外FPGA控制器中數(shù)值，并等待上位機監(jiān)控系統(tǒng)采樣查詢。RF無線射頻模塊采用大功率天線，實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸，其中各傳感器檢測范圍分別為溫度傳感器O 80°C，濕度傳感器O 100%，太陽總福射傳感器O 2000W/m2,風速傳感器O 30m/s,風向傳感器O 360° (正北向為0° )，RF無線射頻模塊天線增益倍數(shù)14DB。如圖3，溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器和土壤濕度傳感器，室內(nèi)FPGA控制器設有RF無線射頻模塊與上位機監(jiān)控系統(tǒng)通訊，并通過執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路連接溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)。溫室內(nèi)各傳感器節(jié)點設有采用小功率天線的RF無線射頻模塊，實時更新當前室內(nèi)FPGA控制器中數(shù)值，并等待上位機監(jiān)控系統(tǒng)采樣查詢。室內(nèi)FPGA控制器的RF無線射頻模塊采用大功率天線，實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。各傳感器檢測范圍分別為溫度傳感器O 80°C，濕度傳感器O 100%，光照度傳感器O 60000Lux, 土壤濕度傳感器O 100%，所述小功率RF無線射頻模塊天線增益倍數(shù)5DB，大功率RF無線射頻模塊天線增益倍數(shù)14DB。執(zhí)行機構(gòu)主要包括外遮陽網(wǎng)開電機、外遮陽網(wǎng)關電機、內(nèi)遮陽網(wǎng)開電機、內(nèi)遮陽網(wǎng)關電機、天窗開電機、天窗關電機、滴灌設備、通風設備、增溫設備、噴淋設備。執(zhí)行機構(gòu)共有三種控制方法(I)室內(nèi)FPGA控制器根據(jù)實時環(huán)境參數(shù)，調(diào)用預先編寫的環(huán)境智能控制程序，控制執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)，實現(xiàn)溫室環(huán)境自調(diào)節(jié)功能；(2)通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程手動控制執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)；(3)通過溫室內(nèi)設備控制柜實現(xiàn)現(xiàn)場手動控制執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路根據(jù)FPGA控制器輸出狀態(tài)，控制各繼電器接通或斷開，實現(xiàn)各執(zhí)行機構(gòu)開與關。外遮陽網(wǎng)、內(nèi)遮陽網(wǎng)和天窗具有極限狀態(tài)，在控制電路中包含極限位置保護。當電機達到極限位置時自動切斷電源，起到保護作用。如圖4，上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能包括 溫室室內(nèi)與室外環(huán)境參數(shù)采集、顯示、存儲以及遠程手動控制執(zhí)行機構(gòu)。數(shù)據(jù)采集通過RF無線射頻模塊實現(xiàn)，RF無線射頻模塊天線采用大功率天線，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離讀取分布于室外或室內(nèi)的FPGA控制器上的實時環(huán)境參數(shù)?？稍O置不同的信號采集頻率，并將各傳感器數(shù)值保存到數(shù)據(jù)庫中，以便后期的查詢與分析使用。室外環(huán)境參數(shù)顯示包括溫度、濕度、太陽總輻射、風速和風向；室內(nèi)環(huán)境參數(shù)顯示包括溫度、濕度、光照度和土壌濕度，可通過選擇溫室號和節(jié)點號，顯示相應溫室中室內(nèi)FPGA控制器中的實時數(shù)據(jù)，其中溫室號與FPGA設備號是一一對應關系；采集頻率設置監(jiān)控軟件按設置的信號采集頻率，獲取各溫室中室內(nèi)FPGA控制器中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按溫室號分別存入數(shù)據(jù)庫中，以備后期查詢與分析。遠程手動控制執(zhí)行機構(gòu)可通過控制界面實現(xiàn)遠程手動控制執(zhí)行機構(gòu)，主要包括執(zhí)行機構(gòu)總電源開關、外遮陽網(wǎng)電機開關停、內(nèi)遮陽網(wǎng)電機開關停、天窗電機開關停、滴灌設備開關、通風設備開關、增溫設備開關、噴淋設備開關。如圖5，本實用新型溫室環(huán)境控制柜主要實現(xiàn)溫室現(xiàn)場手動控制功能，包括總電源停、總電源開、外遮陽網(wǎng)開關停、內(nèi)遮陽網(wǎng)開關停、天窗開關停、噴淋開關、滴灌開關、增溫開關、通風開關。FPGA控制器外圍IO接ロ豐富，并且FPGA運行速度快以及內(nèi)部程序可并行運行，所以采用FPGA控制器和RF無線射頻技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)大型多棟溫室環(huán)境智能控制，將大大改善傳統(tǒng)溫室環(huán)境控制存在的局限性。本實用新型采用FPGA和RF無線射頻技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸方式的溫室智能控制裝置，改善傳統(tǒng)的大型多棟溫室環(huán)境監(jiān)控設備存在的缺陷控制器IO接ロ有限，需添加外圍IO接ロ電路，設備使用的穩(wěn)定性降低；溫室環(huán)境監(jiān)控傳感器均采用有線方式連接，連線多、布線復雜、設備維護和位置調(diào)整困難等缺點。
權(quán)利要求1.一種基于FPGA和無線射頻RF的溫室智能控制裝置，其特征是包括室外FPGA控制器、室內(nèi)FPGA控制器、溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制柜，室外FPGA控制器連接溫室室外環(huán)境參數(shù)檢測傳感器，室內(nèi)FPGA控制器連接溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控傳感器以及溫室環(huán)境控制柜；其中室外FPGA控制器和室內(nèi)FPGA控制器分別通過RF無線射頻模塊連接上位機監(jiān)控系統(tǒng)，上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制柜之間數(shù)據(jù)連接，溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)通過執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路與室內(nèi)FPGA控制器、上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制柜中的至少一種連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于FPGA和無線射頻RF的溫室智能控制裝置，其特征是所述溫室室外環(huán)境參數(shù)檢測傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、太陽總輻射傳感器、風速傳感器和風向傳感器，各傳感器的信號經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過有線或無線方式輸出至室外FPGA控制器，各傳感器檢測范圍分別為溫度傳感器O 80°C，濕度傳感器O 100%，太陽總福射傳感器0 2000W/m2,風速傳感器0 30m/s,風向傳感器0 360° ,正北向為0° 0
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種基于FPGA和無線射頻RF的溫室智能控制裝置，其特征是所述溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器和土壤濕度傳感器，所述各傳感器位于溫室內(nèi)，通過RF無線射頻模塊連接室內(nèi)FPGA控制器，各傳感器檢測范圍分別為溫度傳感器0 80°C，濕度傳感器0 100%，光照度傳感器0 60000Lux, 土壤濕度傳感器0 100*%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于FPGA和無線射頻RF的溫室智能控制裝置，其特征是室外FPGA控制器、室內(nèi)FPGA控制器與上位機監(jiān)控系統(tǒng)連接的RF無線射頻模塊天線增益倍數(shù)為14DB，室內(nèi)FPGA控制器與溫室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控傳感器連接的RF無線射頻模塊天線增益倍數(shù)為5DB。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種基于FPGA和無線射頻RF的溫室智能控制裝置，其特征是所述溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)包括外遮陽網(wǎng)開電機、外遮陽網(wǎng)關電機、內(nèi)遮陽網(wǎng)開電機、內(nèi)遮陽網(wǎng)關電機、天窗開電機、天窗關電機、滴灌設備、通風設備、增溫設備和噴淋設備。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于FPGA和無線射頻RF的溫室智能控制裝置，其特征是所述溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)包括外遮陽網(wǎng)開電機、外遮陽網(wǎng)關電機、內(nèi)遮陽網(wǎng)開電機、內(nèi)遮陽網(wǎng)關電機、天窗開電機、天窗關電機、滴灌設備、通風設備、增溫設備和噴淋設備。
專利摘要一種基于FPGA和無線射頻RF的溫室智能控制裝置，包括室外FPGA控制器、室內(nèi)FPGA控制器、溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制柜，室外FPGA控制器連接室外環(huán)境參數(shù)檢測傳感器，室內(nèi)FPGA控制器連接室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控傳感器；室外FPGA控制器和室內(nèi)FPGA控制器分別通過RF無線射頻模塊連接上位機監(jiān)控系統(tǒng)，上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制柜連接，溫室環(huán)境控制執(zhí)行機構(gòu)通過執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路與室內(nèi)FPGA控制器、上位機監(jiān)控系統(tǒng)和溫室環(huán)境控制柜中的至少一種連接。本實用新型采用FPGA和RF無線射頻技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸方式的溫室智能控制裝置，改善傳統(tǒng)大型多棟溫室環(huán)境監(jiān)控設備的缺陷。
文檔編號A01G9/26GK202565866SQ201220115099

公開日2012年12月5日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者汪小旵, 孫國祥, 丁為民 申請人:南京農(nóng)業(yè)大學