基于CAN总线和Labview的喷灌控制系统

陆卫东

摘要：该文阐述了基于CAN总线和Labview的智能喷灌系统，主要包含上位机人机交互软件和下位机C8051F040子系统两部分。系统根据传感器检测到的土壤、空气相关信息，根据预设喷灌策略，采用电磁阀实现智能喷灌，并通过CAN总线向上位机发送土壤水分含水量、空气温度、电池电压、阀门状态等信息。上位机Labview软件可实现用户多功能操作，方便用户实现系统管理与监控。因此，通过设计智能喷灌远程控制系统，可以实现草坪的智能化管理，实现城市的节能减排。

关键词：CAN总线；Labview；人机交互；喷灌；电磁阀

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）28-0177-03

智能喷灌控制系统是集检测、控制、通信、显示于一体的智能设备。系统既要对土壤水分含量、空气温度、电池电压、阀门状态进行周期性测量，同时亦要完成人机交互任务。因此，首先根据草坪喷灌的需求分析，制定相应的喷灌策略，以此设计出下位机控制及检测单元，同时为了实现人机交互，设计基于Labview的人机交互软件。在多节点通讯方式上，采用CAN总线可使不同的节点同时接收到相同的数据，使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。相比于传统的RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。

本文所述系统根据传感器检测到的土壤、空气相关信息，结合草坪喷灌策略，采用双稳态脉冲电磁阀实现智能喷灌。下位机的供电系统利用太阳能实现，并制定了合理的锂电池管理策略，以满足不同天气的工作需求，同时，通过CAN总线向上位机发送土壤水分含水量、空气温度、电池电压、阀门状态等信息。上位机Labview软件可根据接收到的检测数据，用户可以实时地了解系统的运行状态及草坪的相关信息，可以设定采用人工控制还是自动控制。因此，通过设计智能喷灌远程控制系统，可以实现草坪的智能化管理，实现节能减排。

1 总体架构

系统设计目标就是通过预设的控制规则，根据传感器采集到的数据，控制电磁阀的通、断，从而进行草坪灌溉，减少水资源浪费。系统硬件设计主要包括微处理器C8051F040外围电路设计、太阳能电压管理电路的设计、电磁阀驱动电路的设计以及CAN收发器的设计，软件上主要实现土壤水分传感器、空气温度传感器、CAN总线的底层驱动以及喷灌策略的编程，下位机总体架构如图1所示。

1.1 传感器的选型

系统中需要测量的外界参数为土壤含水量以及空气温度，选择常用的SHT10湿度传感器及DS18B20温度传感器，相关参数如表1所示。

SHT10为四线制高性能温湿度传感器，分别为VCC、GND、SCK、DATA，其硬件原理图及引脚功能定义如图2所示，需要通过2个I/O口来模拟其通讯方式。DS18B20为三线制传感器，采用单总线工作方式，仅需要1个I/O口即可实现。

1.2 太阳能电源管理模块

为了实现系统灵活供电，采用CN3063电源管理芯片设计太阳能电源管理模块。CN3063能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用，具体实现原理如图3所示。

1.3 双稳态脉冲电磁阀驱动模块

双稳态脉冲电磁阀主要是通过脉冲来控制通、断，当脉冲线圈接收到一个正脉冲信号时，阀芯与永磁体相吸，电磁阀打开；当脉冲线圈接收到一个负脉冲信号时，阀芯与永磁体排斥，电磁阀闭合。

微控制器C8051F040的IO口输出电压3.3V，其驱动能力不足以驱动电磁阀，因此需要设计相应的驱动电路。双稳态电路在电子电路有着广泛的应用，它在没有外来触发信号的作用下，电路始终处于原来的稳定状态，在输入触发信号作用下，双稳态电路从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。这里的驱动电路就是在双稳态电路的基础上进行设计，如图4所示。

当DR1端输入一个脉冲时，由于电阻R14，三极管Q3可靠地工作在截止区，而此时DR2端输入低电平，Q4工作在饱和区，所以DRI2端输出低电平，DRI1端输出接近3.7V的高电平；同理，当DR2端输入一个脉冲时，DRI2端输出接近3.7V的高电平，DRI1端输出低电平，其中DRI1端和DRI2端分别接在双稳态脉冲电磁阀的正极和负极。

1.4 CAN总线模块

C8051F040内部集成了CAN2.0B控制器，因此大大降低了外围硬件电路的设计以及软件协议的编程的难度。系统采用TI公司生产的3.3V芯片SN65HVD230，其作为总线收发器该收发器与PCA82C250引脚兼容，具有差分收发能力、高速率传输（1Mbps）、高抗电磁干扰、超小封装、低功耗性能，实现的硬件电路原理图如图5所示。

2 软件设计

控制系统的软件设计主要包括功能设计以及驱动设计。其中，功能设计实现了智能喷灌策略以及电源管理策略。驱动设计实现了传感器的底层驱动编程、CAN总线通信协议的底层驱动编程。具体实现流程图如图6所示。

首先是C8051F040各部分寄存器的初始化，调用SHT10湿度测量及DS18B20温度测量子程序，根据测得的数值进行智能喷灌，同时接收上位机发送的控制信息，进行人工或者自动喷灌的命令控制。智能电源管理策略是通过C8051F040内部自带的12位AD实现，当检测到的电压值小于3.7V即使能充电，电压值大于4.2V即停止充电。最后，通过CAN总线通讯将各参数值发送给上位机。

2.1 CAN报文格式

在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。

在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位（RTR）组成的仲裁场。数据场为0～8个字节，最后有一位用于数据校验，通常可采用CRC16或CRC32循环冗余校验算法。应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。

3 系统测试

通过在PC机端利用Labview设计人机交互软件进行测试，软件功能界面如图7。

点击“初始化”按键，进行启动初始化工作，包括设置帧格式和波特率等。然后，系统向CAN网络发送初始化消息，若成功初始化，指示灯变亮，说明初始化操作完成。点击“停止”按键，系统停止工作，包括停止发送接收CAN数据，以及停止PCAN-USB接口卡工作等。

上位机监控系统中的控制界面可以方便用户进行人工控制方式与自动控制方式的切换。在一般情况下，上位机系统设置各个智能节点为自动控制方式，各个智能节点获取传感器检测数据，根据现有的土壤灌溉策略，自动控制阀门的开关，实现对土壤的合理灌溉。在特殊情况下，用户需要自己控制各个阀门的开关，只需将控制方式切换到人工控制方式，人工设置好每个阀门的开关状态后，点击“阀门控制”按键，就可以实现对各个阀门的人工控制，若“阀控制成功”指示灯变亮，说明对应的阀门控制成功。

4 总结

本文阐述了基于CAN总线和Labview的智能喷灌系统，其中主要包含上位机人机交互软件和下位机C8051F040子系统两部分。系统根据传感器检测到的土壤、空气相关信息，结合草坪喷灌策略，采用双稳态脉冲电磁阀实现智能喷灌，通过CAN总线向上位机发送土壤水分含水量、空气温度、电池电压、阀门状态等信息。上位机Labview软件可以实时地给出系统的运行状态及草坪的相关信息，同时在控制方式上拥有人工控制和自动控制两种方式。因此，通过设计智能喷灌远程控制系统，可以实现草坪的智能化管理，实现城市的节能减排。

参考文献：

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