基于嵌入式的温室执行机构控制器的设计
摘要：针对温室执行机构电力柜控制系统中存在的不足，提出了一种基于嵌入式技术的执行设备控制方法，设计的控制器采用五个单相磁保持继电器作为动作执行元件，通过过零点检测电路、继电器驱动电路，配合相应的嵌入式软件实现温室设备的实时监测与控制。试验证明，该控制器满足设计要求指标，具有一定的应用价值。
关键词：温室；执行设备；控制器；继电器
中图分类号：S24；TP274 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）13-3170-04
Designing Greenhouse Actuator Controller Based on Embedded Technology
GAO Yi-chuana，LIU Jing-linb，XIAO Jina
（a. Institute of Agricultural Mechanization；
b. Institute of Forestry and Fruit Tree， Wuhan Academy of Agricultural Science & Technology， Wuhan 430075， China）
Abstract： Considering the deficiency of power control system existed in greenhouse actuator controller， a novel control method based on embedded technologies was proposed. The actuator controller using five single-phase magnetic latching relays as major execution unit， through zero-crossing detection circuit and relay driver circuit， coordinating with corresponsive embedded software realized the real-time monitoring and control of greenhouse equipments. Results showed that the controller could meet the design requirements and had certain practical use.
Key words： greenhouse； actuator； controller； relay
温室环境控制技术作为现代设施农业技术的一种，随着计算机技术和农业技术的进步而逐渐发展起来的，并向着网络化、智能化方向发展[1]。世界各国已将温室环境控制技术的研究作为可控环境农业的研究重点。温室环境控制的基本原理是通过传感器实地监测关心的环境因子，如温度、湿度、光照度、CO2浓度、pH和EC等，然后将这些传感数据集中采集回来，再借助植物生长所需的目标环境参数（专家系统），通过计算机技术和自动控制技术对这些环境因子进行集中调控，具体来讲就是对温室内的一些执行机构进行控制。
国内外关于温室环境控制技术的研究集中在三个方面：其一，系统及硬件方面的研究[2]。主要研究如何构建整套温室监控系统，从传感器数据采集、无线通信，再到计算机集中控制。由于工业控制技术较为成熟、可靠性较高，将工业控制器应用于温室控制系统也是近年来研究的一个方向。其二，温室控制模型和控制算法方面的研究[3]。其三，将作物模型和温室环境相结合进行温室环境调控方面的研究[4]。目前针对温室执行机构控制器的研究还是空白，而执行设备控制器处于整个温室控制系统最末端控制环节，所有控制算法和控制策略的实施最终都要归结于控制执行机构上。如何有效、可靠地控制这些执行设备成为温室控制系统设计的关键。
1 设计原理
现代温室控制系统的调控设备，或称为最终控制对象，包括天窗、侧窗、湿帘、风机、湿帘水泵、内外遮阳、补光灯、环流风机、热风炉、CO2发生器等。每个执行设备按控制方式的不同分为三类：第一类是对三相交流电机的正反转运行控制，包括天窗、侧窗、外遮阳、内遮阳等；第二类是交流三相电机的起停（开关）控制，包括环流风机、湿帘风机、热风炉等；第三类是两相电源的开关控制，包括补光灯、CO2发生器、水泵等。此文主要针对第一类设备控制器进行研究，其他两类控制设备相对简单一些，可以参照第一类控制器的设计。
温室执行机构大部分由三相电动机的正反转来传动，而目前比较普遍的做法是配备相应的电力控制柜，其基本组成是使用熔断器、接触器以及继电器并按照一定的接线方式来控制三相电机正反转。由于这种设备成本低廉，构建简便，广泛应用于简易或连栋温室大棚中。然而，在电动机正反转切换时，由于电动机的容量较大或操作不当等原因，容易导致接触器的主触头产生电弧。电弧是高温高导电率的游离气体，它不仅对触头有很大的破坏作用，而且使电路断开的时间延长，从而严重影响整个系统的稳定性和使用寿命。并且，现代温室环境控制技术的发展主要趋向于控制系统的智能化和信号传输的无线化。传统的继电器、接触器控制线路已不能适应现代温室环境控制系统的要求。
为此，提出了一种基于嵌入式技术开发的三相电机控制器。其控制原理是通过微控制器协调控制五个磁保持继电器闭合来实现三相电机起、停、正反转控制。为了避免继电器投切时电弧的产生，控制器设计了交流过零点检测电路，保证继电器在交流零点关断电路。同时，控制器配备了交流电压、电流检测功能，能够在线监测电机运行状态并自动处理各种异常状况。
2 控制器硬件设计
控制器以ARM 32位微处理器为核心，主要负责控制继电器、采样芯片，RS485通信、ZigBee无线通信和协调处理一些中断信号。采样芯片负责三相电压、电流、频率、功率因素以及有功无功的测量，并且对过压、欠压、缺相和过流进行检测，以便及时启动保护功能。掉电存储模块用来存储每块微处理器的地址，负载电机消耗的电能，以及用于判断和计算的参数等。K1至K5为五个控制线路闭合的磁保持继电器。过零检测电路检测交流电流的零点，用以实现电路的无弧切断。电压和电流互感器用来从电网中取样电压和电流，用于常规检测和过零检测。微处理器从采样芯片中读取测量值，进行分析计算。如果发现异常，则立即通知处理器执行切断操作。控制器配备CAN总线、ZigBee无线通信接口用以实现信息交互与网络控制（图1）。
2.1 过零检测单元设计
此三相电机控制器作为一种大功率开关使用，在磁保持继电器关断过程中会产生电弧。电弧是高温高导电率的游离气体，它不仅对触头有很大的破坏作用，而且使断开电路的时间延长，严重影响设备使用寿命。交流电弧过零熄灭的原理是触头间隙的介质恢复强度高于电压恢复强度[5]。因此，如果触头在电流过零分开，并在瞬间将触头拉开到足以承受恢复电压而不发生击穿的距离，则此时触头间隙就不会产生电弧。过零检测部分框图如图2所示。
图2中AD623是一单电源仪表放大器。仪表放大器能够对很微弱的差分电压信号进行放大，并且具有很高的输入阻抗。首先，互感器输出的交流电流信号通过电阻转换成电压信号，电压信号被分成两路，一路用于过零点检测，一路用于电能参数测量。AD623被设计成电压跟随输出，增益为1，其作用为提高过零点检测单元的输入阻抗，同时将检测信号与电能参数测量信号隔离。通过LM339实现过零点比较转换，由于其内部带有电压滞回电路，可以消除交流信号过零时抖动而产生的输出振荡。电流互感器输出的正弦信号经过过零检测电路后整形为标准方波，送至微控制器的外部中断输入口。
磁保持继电器动作执行时间是决定相线能否在电流过零点分断的一个关键因素。由于相对50 Hz的交流电，磁保持继电器的动作执行时间不能忽略。所以当微控制器确定交流信号的电流过零点后，不是马上控制继电器动作，而是根据继电器动作时间，算出延迟时间使之正好在下一个电流过零点周期切断继电器。
2.2 继电器驱动单元设计
磁保持继电器属于电磁式的继电器。磁保持继电器的常闭或常开状态完全是依赖永久磁钢的作用，通常其触点处于保持状态时，线圈不需继续通电，仅靠永久磁钢的磁力就能维持继电器的状态不变。其开关状态的转换是靠一定宽度的脉冲电信号触发而完成的。因此，控制触点转换时，只需在线圈两端输入一定宽度的正向或反向直流脉冲就可以实现磁保持继电器的接通或切断。根据H桥电路原理，设计了如图3所示的磁保持继电器驱动电路。
图3中CtrlA与CtrlB为微控制器输出的控制信号，并通过光耦实现与驱动电路隔离。当CtrlA为高电平、CtrlB为低电平时，Q1与Q4导通，A、B两端形成正向脉冲驱动继电器闭合。当CtrlA为低电平、CtrlB为高电平时，Q2与Q3导通，A、B两端形成反向脉冲驱动继电器断开。
2.3 采样监测单元设计
检测部分采用珠海炬力公司的电度计量芯片ATT7022A。它是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线的应用。ATT7022A能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、有功能量和无功能量等，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因素、频率等参数。同时，它还提供一个SPI接口，方便与外部控制器之间进行计量参数以及校表参数的信息传递。电能参数测量功能框图见图4。
3 控制器软件设计
控制器程序主要包括继电器控制程序、过零检测程序、采样监测程序、数据存储程序、ZigBee无线通信程序、CAN通信程序等。然而嵌入式系统中只有一个CPU，因此在一个具体时刻只能允许多个任务中的一个任务占用CPU。如果使用传统的“前-后”台方式编写程序，各个任务是靠中断触发置标志位，然后在主程序循环里逐个查询任务标志从而执行相应的任务函数。该控制器是一个多任务函数的实时系统，对任务响应时间有严格要求。显然，这种“前-后”程序模式不适合该控制器。
uC/OS-II是一个嵌入式多任务实时操作系统。它包括了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等功能[6]。并且它是一个基于优先级的可抢占式的硬实时内核，即使CPU正在运行某个低优先级的任务，当高优先级任务准备就绪时，该高优先级的任务就会剥夺正在运行任务的CPU使用权，而使自己获得CPU的使用权。所以当控制器需要执行切断任务时，能保证该任务在一个规定时间内完成对事件的处理。控制器上了uC/OS-II操作系统后，只需针对功能编写相应的应用程序即可，然后根据任务紧迫性设置相匹配的任务优先级，保证各功能的完成实现。
继电器切断程序流程图如图5所示。当收到断开指令后，先使能外部下降沿中断，当检测电路检测到电流过零时刻，触发外部中断告知控制器。控制器延迟一段时间至下一次零点到来时，执行断开继电器操作。当需要执行电机反转控制时，控制器先判断当前转动方向，然后调用切断控制程序。当断开成功后，延时一段时间等待电机停止运转，然后执行换相闭合继电器程序，从而实现电机反方向运转。
4 试验结果及应用
电流过零检测波形图如图6所示。图6中正弦波形为电流互感器输出信号。方波为电压比较器输出波形。由于比较器两端压差大于10 mV，其输出就能从一种状态转变到另一种状态。因此，当电流互感器输出信号越大时，零点检测越准确。从图6可以看出，方波的下降沿几乎与正弦交流信号过零点重合。
经过多组测量，结果显示磁保持继电器在其额定电压驱动下，执行关断动作时间约为9 ms。因此，检测到零点后，控制器延时1 ms后执行关断操作即可达到零点关断继电器的效果。过零点关断波形图如图7所示，试验结果符合预期设计要求。
传统的温室执行机构控制方法如图8左边所示，其原理是使用开关器件、熔断器、接触器以及继电器按照一定的接线方式链接，通过控制三相电机正反转从而实现对温室执行机构的控制。该控制方式容易导致触头产生电弧，存在安全隐患且严重影响设备使用寿命，并且不符合现代温室控制技术的发展要求。
此次设计的执行设备控制器应用如图8右边所示。控制器采用五个单相磁保持继电器作为动作执行元件，通过其过零点检测电路、继电器驱动电路，配合相应的实时嵌入式软件实现三相电机起、停、正反转控制。现代智能温室控制系统应用框图如图9所示。执行设备控制器具备多种通信接口，可以以总线形式挂接到中央控制器，作为构建智能温室控制系统不可或缺的一个重要环节。
5 小结
本文设计的执行机构控制器采用五个单相磁保持继电器作为动作执行元件，通过其过零点检测电路、继电器驱动电路、配合相应的实时嵌入式软件实现三相电机起、停、正反转控制。控制器具备多种通信接口，可以以总线形式挂接到中央控制器，作为构建智能温室控制系统不可或缺的一个重要环节。
参考文献：
[1] 周长吉.现代温室工程[M].北京：化学工业出版社，2010.
[2] 陈建恩，王立人.基于以太网的温室测控系统架构方案[J].农机化研究，2003（4）：49-51.
[3] 刘东利，王延耀，张建勇.神经网络模糊PID算法在温室温度控制中的仿真研究[J].农机化研究，2006（10）：70-72.
[4] 余朝刚.温室气候环境微机测控系统与控制方法的研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[5] 许志红，张培铭，郑 昕.智能交流接触器零电流分断控制技术的实现[J].低压电器，2006（7）：6-11.
[6] 任 哲.嵌入式实时操作系统uC/OS-II原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.