基于CAN總線植物生長(zhǎng)室專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：植物生長(zhǎng)室可以控制室內(nèi)的光照、溫度、濕度和CO2等參數(shù)，通過(guò)模擬植物生長(zhǎng)環(huán)境，進(jìn)而深入研究不同環(huán)境對(duì)植物生理特征的影響。本文介紹了基于CAN總線的人工氣候室專(zhuān)家系統(tǒng)的基本組成，討論了系統(tǒng)的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方案。植物生長(zhǎng)室廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、教學(xué)等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：植物生長(zhǎng)室 專(zhuān)家系統(tǒng) CAN總線

1 概述

植物生長(zhǎng)室是模擬自然環(huán)境氣候變化的大型試驗(yàn)設(shè)備。植物生長(zhǎng)所需的主要環(huán)境參數(shù)為：光照、溫度、濕度以及CO2含量等，通過(guò)人工方式模擬植物生長(zhǎng)的自然環(huán)境。傳統(tǒng)方式在各氣候室現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)人員逐點(diǎn)抽樣，通過(guò)采用儀器進(jìn)行測(cè)量或者憑感官判斷。測(cè)量結(jié)果存在片面性、滯后性等缺陷和不足，對(duì)植物的實(shí)際生長(zhǎng)狀態(tài)難以及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行描述。為此，在基于CAN（Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)）總線的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了植物生長(zhǎng)室專(zhuān)家系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)植物生長(zhǎng)所需參數(shù)如：光照、溫度、濕度和CO2含量等進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，研究分析植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，控制植物生長(zhǎng)所需的光照、溫度、濕度和CO2含量等，該系統(tǒng)能夠?qū)θ斯夂驅(qū)嶒?yàn)室出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警處理，進(jìn)而為植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)成分和控制決策提供依據(jù)。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

植物生長(zhǎng)室主要由空氣處理室、控制臺(tái)、環(huán)境實(shí)驗(yàn)室三大部分組成。

2.1.1 空氣處理室

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的自然能源缺失時(shí)，通過(guò)控制臺(tái)向培養(yǎng)室發(fā)出指令，為植物生長(zhǎng)提供人工能源，滿(mǎn)足各試驗(yàn)單元和整體環(huán)境的需求。

2.1.2 控制臺(tái)

控制臺(tái)是利用自然能源和人工能源分配的控制中心。根據(jù)安裝在培養(yǎng)室中的傳感器檢測(cè)光照、溫度、濕度以及CO2含量的實(shí)際狀態(tài)參數(shù)，針對(duì)不同植物不同時(shí)期的生長(zhǎng)需要，按照實(shí)驗(yàn)室預(yù)先設(shè)置的控制參數(shù)發(fā)出調(diào)控指令，空氣處理室和分配站根據(jù)指令進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的光照、溫度、濕度和CO2含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使各種參數(shù)滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)的需要，進(jìn)而為植物生長(zhǎng)構(gòu)造最佳環(huán)境。

對(duì)于控制臺(tái)的主機(jī)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備管理，在人工環(huán)境下，自動(dòng)生成植物生長(zhǎng)所需的分析報(bào)表，記錄、觀測(cè)并處理信息，進(jìn)而完成測(cè)試輸出和報(bào)警，借助控制臺(tái)，從主機(jī)屏幕或打印機(jī)上實(shí)驗(yàn)人員可以隨時(shí)了解生長(zhǎng)室中植物的狀態(tài)參數(shù)。

2.1.3 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室

環(huán)境實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)人工氣候室，主要用于模擬植物生長(zhǎng)所需的自然環(huán)境，環(huán)境室內(nèi)安裝了各種狀態(tài)參數(shù)的傳感器，如光照、溫度、濕度和CO2含量等，人工模擬自然環(huán)境的各種狀態(tài)參數(shù)通過(guò)傳感器檢測(cè)傳回控制臺(tái)。

環(huán)境實(shí)驗(yàn)室為了保證適宜植物生長(zhǎng)的環(huán)境，滿(mǎn)足光照、溫度、濕度和CO2含量的要求配備了空調(diào)器、室內(nèi)通風(fēng)設(shè)備、CO2含量控制系統(tǒng)、噴霧加濕系統(tǒng)和人工光源系統(tǒng)。

2.2 硬件系統(tǒng)組成

植物生長(zhǎng)室專(zhuān)家系統(tǒng)以PC機(jī)為主機(jī)，80C592（具備CAN總線控制功能）單片機(jī)以及外圍電路為分機(jī)，通過(guò)CAN總線通信接口適配卡經(jīng)主機(jī)和分機(jī)進(jìn)行連接，進(jìn)而共同構(gòu)成植物生長(zhǎng)室自動(dòng)測(cè)試專(zhuān)家系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)采用CAN總線通信方式，具有較高的可靠性、連線簡(jiǎn)單、組網(wǎng)費(fèi)用低，速度比串口快，傳輸距離較長(zhǎng)等。

單片機(jī)80C592的CAN控制器與通信接口適配卡的接口器件82C250共同構(gòu)成通信，CAN承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)通信的控制作業(yè)，并且負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行狀態(tài)、控制、命令等的信息交換；82C250作為CAN控制器與總線間的接口部件，為總線的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器的差動(dòng)接收能力奠定基礎(chǔ)。

圖1中來(lái)自傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理電路對(duì)交流、直流放大、整流濾波、線性處理以及溫度補(bǔ)償?shù)冗M(jìn)行相應(yīng)的處理。經(jīng)模擬信號(hào)調(diào)理電路處理光照、溫度、濕度和CO2含量，傳感器接收到交變測(cè)量信號(hào)，轉(zhuǎn)變成0～5V直流電壓信號(hào)，該信號(hào)由模擬開(kāi)關(guān)到達(dá)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口，由單片機(jī)對(duì)直流電壓信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)地處理。

3 系統(tǒng)的工作原理與特點(diǎn)

對(duì)光照、溫度、濕度和CO2含量的要求，不同種類(lèi)的植物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期存在一定的差異。所以，能否準(zhǔn)確測(cè)量和精確控制光照、溫度、濕度和CO2含量，決定著人工氣候室專(zhuān)家系統(tǒng)的成敗。

將PC機(jī)（586/266以上機(jī)型）設(shè)置成人工氣候室內(nèi)的主機(jī)，人工氣候室的分機(jī)由80C592單片機(jī)系統(tǒng)以及測(cè)量溫度、濕度、光照度和CO2含量等參數(shù)的電路傳感器組成。主機(jī)安裝在系統(tǒng)控制室，分機(jī)安裝在各個(gè)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通常情況下每個(gè)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室安裝一個(gè)分機(jī)，對(duì)于每臺(tái)主機(jī)直接管理1～200臺(tái)的分機(jī)，每臺(tái)分機(jī)可以分別連接32個(gè)溫度傳感器、32個(gè)濕度傳感器、16個(gè)光照度傳感器和16個(gè)CO2含量傳感器。

根據(jù)植物類(lèi)型以及生長(zhǎng)時(shí)期，PC主機(jī)為植物設(shè)定理想的生長(zhǎng)狀態(tài)參數(shù)。借助CAN串行總線，PC主機(jī)管理著安放在范圍內(nèi)（10km以?xún)?nèi)）培養(yǎng)室中的所有分機(jī)，每臺(tái)分機(jī)通過(guò)采用傳感器對(duì)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，以及對(duì)采集信息進(jìn)行傳輸。

主機(jī)根據(jù)各個(gè)分機(jī)提供的實(shí)際狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)對(duì)比設(shè)定的理想狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行模糊運(yùn)算以及其它一些相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)空氣處理室向環(huán)境實(shí)驗(yàn)室提供人工能源的控制。

4 軟件設(shè)計(jì)

按照模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)系統(tǒng)主機(jī)軟件，采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，根據(jù)這種理念設(shè)計(jì)的軟件模塊性、可移植性和可修改性非常高。該軟件涉及到的模塊包括：檢測(cè)、系統(tǒng)自檢、顯示、通信、歷史記錄、數(shù)據(jù)處理等模塊。

人機(jī)交互界面應(yīng)該設(shè)計(jì)成直觀、易懂、易操作的圖形界面。通過(guò)采用了Microsoft的VB（Visual Basic6.0）編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)主機(jī)軟件，操作方法簡(jiǎn)便，與Windows應(yīng)用程序相一致。采用VB設(shè)計(jì)的軟件，具備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）、對(duì)象鏈接與嵌入（OLE）、支持動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLI）、對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作管理以及API函數(shù)等功能，VB編程語(yǔ)言具備的這些功能，方便系統(tǒng)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)管理和通信傳輸。

采用匯編程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)系統(tǒng)分機(jī)的單片機(jī)。80C592單片機(jī)屬于51系列產(chǎn)品，對(duì)于51指令系統(tǒng)，指令豐富，尋址方式多樣、運(yùn)行速度快、編程方便。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于CAN總線植物生長(zhǎng)室專(zhuān)家系統(tǒng)，具有高效實(shí)用的特點(diǎn)，能夠?qū)Σ煌参镌诓煌L(zhǎng)時(shí)期的光照、溫度、濕度和CO2含量進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)檢測(cè)。基于CAN總線植物生長(zhǎng)室專(zhuān)家系統(tǒng)在湖南林業(yè)科學(xué)院等地投入使用，運(yùn)行結(jié)果證明：該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，運(yùn)行可靠，產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)效益，因此具有非常廣泛的應(yīng)用空間。

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作者簡(jiǎn)介：樂(lè)樂(lè)（1980-），女，江西東鄉(xiāng)人，講師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化和電子聲像技術(shù)等方面的教學(xué)與科研工作。