Data acquisition control system based on ARM processor for automatic fertigation

0 Introduction

With the improvement of peoples living standard, crop quality is becoming more and more important. Agricultural product quality safety is an urgent topic that needs to be solved. Fertilizing rationally is one of the effective ways to enhance agricultural product quality. N, P, K reasonably mixed in fertilizers could increase the protein and other nutrition ingredients in the crops[1]. The right combination of water and nutrients is the key for high yield and the quality of produce. Fertigation has the potential to ensure that the right combination of water and nutrients is available at the root zone, satisfying the total and temporal requirements of plants with these two important inputs[2].

Fertigation is a modern fertilization technique, by which soluble fertilizers are added to the irrigation water and are applied through the irrigation systems. This application of nutrients via frequent irrigation events enables their supply to match with plant needs, which results in higher nutrient use efficiency and reduced environmental pollution risks. In order to use the scarce and very precious natural resource of water, as well as fertilizers, to the fullestefficiency, fertigation techniques are becoming quite popular in the world. During the last decade, fertigation was developing rapidly, typically in applications to field crops, orchards, vegetables and greenhouse production[3,4].

Along with the development of computer science, electronics and control technology, the traditional irrigation way is gradually substituted by the intelligent, automatic fertigation. In the process of fertilizer, the pH value, the pipeline current capacity and the conductivity of the fertilizer solution, as well as the irrigation pressure, are needed to be detected on-line. Then according to these parameters, the solenoid valve and the pump are controlled to complete the automatic fertigation[5]. Many kinds of automatic fertigation applicators have been developed in overseas. Eldar-Shany which is the leading enterprise in agriculture computer control system in Israel, has developed a series of programmable controllers. The Elgal-Agro which is a large-scale irrigation computer control system in agriculture, can automatically apply the precise irrigation and fertilizer from any distance through the different ways[6-7]. In recent years, some countries and regions like US, Canada, Australia have successfully developed the irrigation and fertilization auto-control systems. Among them the most representative ones are MICRO-MASTER series products in Australia. With the distributional arrangement, the systems can bidirectionally communicate with host computer and monitor the irrigationsystem[8].

There is a great gap between China and advanced countries in fertigation field. There are few extensible computer supervisory systems in irrigation engineering in China. Unites 2000 greenhouse automatism irrigationfertilization system is the most outstanding one, which was designed by Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences. Some key technical problems have been solved[9]. Due to high prices on import machines, it is difficult to popularize in China. And because of lacking similar products in domestic market, it is necessary for Chinese researchers to develop a kind of fertigation control system, which is in low price and high automation.

At present, most of data acquisition control systems were designed for a specific practical application. Thus their versatility and extendibility are poor, data storage ability is insufficient and price is expensive. Therefore one kind of general data acquisition control system is developed by the authors based on Zhouligong Companyrsquo;s ARM7 nuclear core. The system was already applied in the automatic fertigation, and it could meet the stability, real-time as well as the large capacity data storage requirements. This data acquisition control system adopts modularization design.Thus it is very convenient to extend or tailor module, so that the software is easy to be transplanted to other application system in agriculture.

1 General design of the system

The general design structure of system is illustrated in Fig.1. The kernel board adopts LPC2220 as micro controller, which supports the 10M Ethernet, the CF card connection, the USB main engine controller and so on. The mu;C/OS-II real-time operating system is embedded in board. The kernel board communicates with data acquisition and control module through the interface of RS-485 photoelectricity isolation[10]. Data acquisition and control module based on the RS-485 bus could gather the voltage, electric current, pulse/frequency, condition quantity signal and control the switch. Through system hardware expansion and software development, it could realize automatic control of the complex application in agriculture.

Fig.1 General design of the data acquisition system

2. Hardware design

2.1 MiniARM industrial controlmodule

The industrial control module are mainly composed by LPC2220(ARM7TDMI) micro controller, the program memory, the data-carrier storage, 10M Ethernet controller CS8900A, USB the Host controller, NAND the Flash memory and so on[11]. Using these hardware resources, it is very convenient to realize the remote access and large capacity data storage. The mu;C/OS-II real-time operating system and the TCP/IP protocol, as well as the FAT32 file system, are embedded in industrial control module.

2.2 Data acquisition control moduledesign

he structure diagram of data acquisition and control module is illustrated in Fig 2. Each module has four output channels or four input channels. Modules are connected via RS-485 bus and communicate based on Modbus p

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随着人民生活水平的提高,作物的质量变得越来越重要。农产品质量安全是一个迫切需要解决的话题。合理施肥是提高农产品质量的有效方法。氮、磷、钾合理混合肥料能增加作物的蛋白质和其他营养成分[1]。正确的组合的水分和养分是高产的关键生产的质量。滴灌施肥有潜力,以确保正确的组合的水和营养物质可在根区,满足植物的总量和时间要求与这两个重要的输入[2]。

灌溉施肥是一个现代施肥技术,可溶性肥料应用添加到灌溉用水和灌溉系统。这个应用程序通过频繁灌溉事件使其供给的营养与植物的需求,从而导致更高的养分利用效率和减少环境污染的风险。为了使用水的稀缺和宝贵的自然资源,以及化肥、充分estefficiency,灌溉施肥技术是世界上变得很流行。在过去的十年中,灌溉施肥是发展迅速,通常应用程序领域的农作物、果园、蔬菜和温室生产[3,4]。

随着计算机科学、 电子技术和控制技术的发展，传统的灌溉方式是逐渐被取代的智能化、 自动灌溉施肥。在化肥、 pH 值、 管道当前容量和电导率的肥料溶液，以及灌溉压力，需要在线检测。然后根据这些参数，电磁阀和泵控制来完成自动灌溉施肥 [5]。许多种类的自动滴灌喷头已在海外完成。埃尔达尔禾农业计算机控制系统在以色列中是龙头企业开发了一系列的可编程序控制器。法律农业是在农业方面，大规模灌溉计算机控制系统可以自动应用精确灌溉和肥料通过不同的方式 [6-7] 任何距离。近年来，一些国家和地区，如美国、 加拿大、 澳大利亚成功地开发了灌溉和施肥的自动控制系统。其中最有代表性的是澳大利亚微大师系列产品。分配安排下，系统可以双向沟通与上位机和监督灌溉系统 [8]。

中国与发达国家在灌溉领域有很大的差距。中国灌溉工程中几乎没有可扩展的计算机监控系统。 2000年度温室自动灌溉施肥系统最为突出，是中国农业机械化科学院设计的。一些关键技术问题已经解决[9]。由于进口机价格高企，在中国很难普及。而由于国内市场缺乏类似的产品，中国研究人员有必要开发一种价格低廉，自动化程度高的肥料控制系统。

目前,大部分的数据采集控制系统的设计为一个特定的实际应用。因此他们的通用性和可扩展性差,数据存储能力不足和价格是昂贵的。因此一种通用数据采集控制系统是由作者开发的基于Zhouligong公司ARM7核的核心。系统已经应用于自动灌溉施肥,它能满足稳定、实时的大容量数据存储的需求。该数据采集控制系统采用模块化设计。因此是很方便的扩展或定制模块,以便软件很容易被移植到其他应用系统在农业。

1 总体设计的系统

系统的总体设计结构如图 1 所示。内核板采用 LPC2220 作为微控制器，支持 10m 以太网，CF 卡接口，USB 主机控制器，等等。Mu;-OS-II 实时操作系统嵌入在董事会。内核板与数据采集和控制模块通过 RS-485 光电隔离 [10] 的接口进行通信。基于 RS — 485 总线的数据采集与控制模块可收集的电压、 电流、 脉冲频率、 状态量信号和控制开关。通过系统硬件扩展和软件开发，它可以实现自动控制的复杂在农业中的应用。

2 硬件设计

2.1 MiniARM工业控制模块

工业控制模块主要由LPC2220(ARM7TDMI)微控制器、程序内存、数据载体存储,10 m以太网控制器CS8900A,USB主机控制器,NAND闪存等[11]。使用这些硬件资源,这是非常方便的实现远程访问和大容量数据存储。mu;C / OS-II实时操作系统和TCP / IP协议,以及FAT32文件系统,嵌入到工业控制模块

2.2数据采集控制模块的设计

他数据采集和控制模块的结构图见图2。每个模块有四个输出通道或四个输入通道。模块是通过rs - 485总线连接并基于Modbus通信协议。

三种模块在数据采集控制系统的设计,模拟采集模块、状态变量或频率采集模块和输出控制模块。每个模块需要C8051F330微控制器作为核心。这个控制器内部A / D和一个串行端口,以及定时器。和它的价格便宜,适用于数据采集和控制模块。模块,串口的C8051F330实现多路复用通过跳投[12]。它可以与PC机通信通过MAX3221 level-logic传输芯片,或者通过MAX485E与rs - 485总线通信。

四通道的标准4 ~ 20 mA电流信号和0 ~ 2.4 V电压信号可以通过模拟采集模块采集。输入模拟信号处理运算放大器(LM324)实现电压/电流开关和电压。四通道的状态变量或频率信号可以由状态变量收集或频率采集模块。两个功能模块的硬件电路(状态变量和频率)是相同的,因此我们需要的是只能修改软件。为了防止干扰,74 ls14是对输入信号进行处理。四通道的开关可以控制输出控制模块。因为C8051F330 I / O不能直接驱动固态继电器,因此UNL2003用于满足需要。

差分信号传输,rs - 485总线具有较强的抗干扰能力。因此该系统adoptsrs - 485通信方式。信号处理的微处理器控制单元(MCU)可能对rs - 485总线传输。直流-直流隔离电源电路中使用,和高速耦合装置采用单片机和rs - 485总线之间[13]。因此,系统抗干扰能力已得到改进。MAX485E被用来实现C8051F330串口之间的转换和rs - 485接口。电路见图3。如果一个MAX485E的逻辑电平的德销是“1”在一些时期,它仍然是发送状态和掌握公共汽车。目前,其他药膏机器不能与主机通信在多计算机通过rs - 485通信系统。如果一些奴隶机器发生异常,就会掌握公共汽车都长。这样很容易导致系统崩溃。因此MAX485E逻辑电平的DE销必须“0”,在系统启动和复位。

为了进行设置模块、RS232连接电路设计。它非常方便设置参数通过PC机。RS232连接电路见图4。单片机的串口是重用通过rs - 232接口电路、rs - 485接口电路。在同一时间,只有一个可以工作。这个函数可以选择跳投。MAX3221实现rs - 232逻辑电平之间的转换和TTL逻辑水平。MAX3221可能通过自动关机功能节省能源。在没有输入信号时,司机和接收者可以通过单片机关闭以节约能源

软件设计

3.1 Modbus 协议

Modbus 协议，采用主从通信方式，可以应用于半 RS — 485 总线。根据议定书 》，一台主机计算机和几个奴隶机器在总线上，并且每台机器分布在单个地址。命令 / 应答通信模式通过工作时。主机发送命令帧到奴隶机在第一次，然后地址匹配的奴隶机响应和答案帧给主机计算机 [14]。

在 Modbus 协议中，许多函数代码定义的命令帧。不同的函数代码需要从奴隶机不同对应。为了简化，数据采集与控制系统采用两种函数代码。函数代码 0x03 用于阅读从登记册，而函数代码 0x16 用于写入到登记册。核心模块被认为是主机计算机和数据采集与控制模块被视为奴隶机器。当核心模块发送函数代码 0x03 时，奴隶机器返回核心模块模拟信号或状态变量/频率信号的值。当核心模块发送函数代码 0x16 时，由控制模块控制开关和控制模块将返回当前状态。RTU 模块在 Modbus Protocol 中的字符格式如表 1 所示。

3.2 软件设计的核心控制模块 C/OS-II 是一个实时操作系统。它是一个多任务系统，并且有可移植性、 可配置性和可扩展性。它具有执行效率高、 占用空间小。因此它是适用于小型控制系统。任务调度机制是 mu;-OS-II 操作系统的核心。Mu;-OS-II 每个任务可能处于就绪状态、 休眠状态、 运行状态和中断模式 [15]。

根据所需要完成的数据采集控制系统的功能，设立有五项任务。它们是数据采集控制任务、 数据存储任务，远程网络访问任务，用户界面任务和用户定义的任务。为了保证系统的实时，任务优先级必须进行合理的设计。为了简化设计，静态优先级被分配系统。

数据采集控制任务主要完成 RS-485 通信。核心模块作为主机计算机和数据采集控制模块作为奴隶的机器。为了读取所收集的数据，主机计算机采用轮询模式反过来每秒每个奴隶机发送 Modbus 读寄存器帧。当控制逻辑或用户需要执行器工作时，主机计算机将将 Modbus 寄存器写入帧发送到指定的药膏机。

所收集的数据被保存在数据存储任务。完成数据采集任务后，数据存储任务将建立关于闪存盘来保存数据的 txt 文件。当检测到 USB 闪存盘时、 闪存磁盘上的文件将保存到它和源文档将被删除。

网络访问的任务是检查数据和控制开关的用户通过浏览网站。是否有一个HTTP请求,它是不断监视网络访问的任务。有一个HTTP请求时,将发送的数据任务的浏览器客户端HTTP协议。远程控制模块的控制是通过引用形式实现的。

用户界面任务满足使用和系统之间的交替。收集到的数据,以及曲线,可以实时显示在液晶。用户可以设置和控制系统通过触摸屏。

使用应用程序任务是提取和管理一些有用的数据，实现逻辑控制根据系统的实际需求。

3.3数据采集控制模块的软件设计

有四个输入或输出通道的每个数据采集和控制模块。因此，定义了四个寄存器，和每个寄存器占两位。每个模块视为奴隶机器从核心模块接收的命令帧。采集和控制模块接收数据的位，和系列端口中断将发生时有点接收。当系列端口中断发生时，在分析接收到的数据。解析数据的流程图如图 5 所示。首先，应以判断接收的地址和本地地址是否匹配。如果不是，应该抛弃当前接收。 后的地址匹配，应保存函数代码。然后接收所有数据帧后，将与收到的 CRC 校验码比较 CRC 检查接收到的数据。如果 CRC 错误检查，应放弃当前的数据。如果 CRC 检查权，主程序将响应主机根据函数代码，开始地址的注册和登记册的数目。当函数代码是 0x03 时，采集模块发送到主机计算机收集的值。当函数代码是 0x16 时，控制模块打开或关闭继电器根据收到，寄存器值和返回的状态寄存器到主机计算机。

4应用程序和结论

数据采集控制系统是应用于灌溉施肥控制系统。灌溉施肥系统见图7。四个使用文丘里管和每一个可以控制的电磁阀(16、17)。通过调整每个阀门的执行时间,N / P / J的比率可以控制[18]。肥料浓度可以检测到测试混合肥料溶液的pH值/ EC(19、20)。为了保持混合溶液的酸度,一个电磁阀是用来控制注入酸。模拟采集模块用于检测混合肥料的pH / EC解决方案。电磁阀的开放与否是由输出控制模块控制。这个高端应用比肥料的灌溉施肥系统特点,精度高、操作方便和完善的故障报警系统。它可用于温室、果园或花园。灌溉施肥系统的显示界面图7所示。

模拟信号、状态变量和频率信号可以收集并进行的数据采集和控制系统,继电器开关可控制的数据收集。基于标准的Modbus协议,数据可以在主机之间传输和rs - 485总线的模块。因此,扩展和集成是机动米从其他制造商。因此,它将在农业有很大的应用前景。

分布式数据处理系统与单片机微型计算机为系统开发开辟新的可能性,包括嵌入式单片机系统和分布式网络系统。主要的问题是选择最优的微机和发展现代系统体系结构的有效方法。的最佳方法之一应该给现有系统的升级方式很多现代需求,开发一个紧凑的新一代系统的基础上相同的微模块化子系统碎片。所选单-芯片修复和浮点微机/ 1 /应该有一个灵活的I / O与内部DMA(IDMA)来得到一个高带宽的系统。每个系统节点可以有一个SMP可能性和灵活的接口连接。分布式内存方法rt系统体系结构的数据采集和控制可以基于单一或多处理器片段,与电脑连接

兼容的升级为例(30 - 60 MB / s)的现有系统的基础上fix-point提出了基于DSP的碎片在分布式模块化rt系统(FASTCAMAC)。新一代紧凑多处理器微模块化和分布式内存系统功能架构和支离破碎的DSP和基于微机的rt系统提出和讨论。简化SCI-type互连为低成本rt系统提出和讨论。

1 的分布式内存 RT 系统存在的问题

现代需求和系统互连的比较分析显示新的问题和方法最好的结果在rt系统的有效发展的基础上,新技术。分布式数据处理系统与单片机微型计算机在系统开发开设新的可能性,包括基于嵌入式DSP的多处理器单片机rt系统和一些分布式网络系统。主要的问题是选择最佳的微型计算机和现代系统体系结构的有效方法。的最佳方法之一应该给现有系统的升级方式很多现代需求和开发新一代紧凑系统相同的微模块子系统的基础上碎片。第一个主要问题是选择先进的基于DSP核心片段rt系统和微机之间的接口模块和PC。第二个基本问题是开发高效的分布式内存体系结构和构建高效系统互联。现代PC好仪器(平台)为新系统集成和用户界面

分析高速总线和DSP和新原则Non-Bus互联在模块化系统中显示的可能性在兼容的高速扩展现有的模块化系统(FASTCAMAC)和DSP和网络互联(FASTETHERNET)综合通信处理器(ICP)。微模块化多处理器结构在董事会和分布式存储系统体系结构的发展与高效互联应该基于单片机核心片段为系统控制器(SC),与模块目标rt系统,个人电脑(PC)。

由于没有时间花费在微型计算机模块的存储器之间的数据传输上，建议的叠加架构对于RT系统是最佳的。传输时间减少到从通用处理器（GP）的外部访问的SP的重叠存储器切换，通用处理器（GP）可以作为基于微型计算机（CPU，DSP和ICP）的系统控制器（SC）。系统控制器应基于DSP，用于控制Crate中的本地互连，特殊硬件（SCSI）或具有IDMA的DSP应用于链接到PC。集成通信处理器（IPC）可用作分布式系统网络的基本部分。 GP和SP中加载的任务可以同时执行。高级架构需要SC和PC之间或多处理器条带箱内部有效的高速互连。

一些系统架构进行了分析方法:传统总线和新NON-BUS分布式内存系统架构:

总线直接地址访问分布式内存直接寻址系统架构在板条箱的DSP模块在公共汽车上。系统采用固定短总线链接连接2 - 8 DSP模块。这个标准体系结构用于现代紧凑型多处理器系统包括基于DS

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