植物消毒車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳中堅(jiān)　汪劍輝　李堅(jiān)　馬新寶

摘 要： 植物消毒車是海關(guān)入境報(bào)關(guān)時(shí)使用的專項(xiàng)消毒處理裝置，通過(guò)對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)作業(yè)功能，以STM32F106ZET6為MCU的控制板為下位機(jī)，以安裝MCGS的工業(yè)計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，采用Modbus RTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩者通信。在MCGS中通過(guò)策略和腳本增強(qiáng)上位機(jī)邏輯功能；在下位機(jī)中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接收軟件握手程序，增強(qiáng)通信穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)功能經(jīng)過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，其性能穩(wěn)定，人機(jī)交互界面友好，可為相關(guān)企業(yè)利用現(xiàn)有成熟設(shè)備組建車載控制系統(tǒng)提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 控制； 植物消毒； MCGS； STM32； Modbus RTU； RS 232

中圖分類號(hào)： TN876?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）15?0174?05

Design of control system for plant disinfection vehicle

WU Zhongjian1， WANG Jianhui2， LI Jian1， MA Xinbao1

（1. The Third Engineer Scientific Research Institute， Luoyang 471000， China；

2. Radioactive Decontamination Material Science and Equipment Technology Engineering Laboratory of Henan Province， Luoyang 471023， China）

Abstract： The plant disinfection vehicle acts as a special disinfection device used in customs when plants is entered in the country. The control system for the vehicle is designed to realize the operation functions. The STM32F106ZET6 is taken as the slave computer of MCU control board， and the industrial computer installing MCGS is taken as the master computer. The Modbus RTU protocol is used to realize the communication between the host and slave computers. The strategy and script are adopted in MCGS to enhance the logistic function of host computer. The handshake procedure of data receiving software is designed in slave computer to enhance the stability of communication. The function of the control system is verified with actual vehicle. The results show that the control system has stable performance and friendly man?machine interface， and can provide the reference for related enterprises to construct the vehicle control system with available mature equipments.

Keywords： control； plant disinfection； MCGS； STM32； Modbus RTU； RS 232

按照我國(guó)法律規(guī)定，進(jìn)口原木必須由檢疫部門實(shí)施強(qiáng)制性檢驗(yàn)檢疫，合格后出具檢疫證明方能報(bào)關(guān)入境。活體植物檢疫消毒系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱植物消毒系統(tǒng)）是一種用于進(jìn)口活體植物在檢驗(yàn)檢疫隔離之前進(jìn)行專項(xiàng)消毒處理的裝置，對(duì)保護(hù)國(guó)家自然生態(tài)安全具有重要意義[1?5]。原有的植物消毒系統(tǒng)固定安裝在場(chǎng)地內(nèi)，其供水、供電等管路需預(yù)先埋設(shè)，建造時(shí)間長(zhǎng)，且設(shè)備使用受制于場(chǎng)地面積，靈活度較差，處置效率較低。通過(guò)設(shè)計(jì)一種方便移動(dòng)作業(yè)的植物消毒車，解決固定式系統(tǒng)的不足。本文主要對(duì)其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 移動(dòng)式植物消毒系統(tǒng)總體構(gòu)成

根據(jù)移動(dòng)式植物消毒系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的具體功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[6?7]，如圖1所示。

進(jìn)口活體植物為帶根部土球的大莖葉形式，如羅漢松等，很多為成年，較大的根部體積可達(dá)1 m3以上。對(duì)該類活體植物的檢疫消毒分為兩部分：根部采用滴灌，莖葉采用噴霧。滴灌方式采用三種液體原料按一定比例配置成原液，再經(jīng)1[∶]500的清水稀釋，后經(jīng)纏繞在土球上的滴灌管路釋放進(jìn)入土壤；噴霧方式采用專用乳液經(jīng)稀釋后加壓噴射為霧狀，使其分散在莖葉表面進(jìn)行消毒。

1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由工控機(jī)、主控制器、模擬量采集模塊等組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

1.2 被控單元

原液配比裝置：由4套相同的供液路組成，供液路由原液罐、隔膜式計(jì)量泵、液位傳感器、電控開(kāi)關(guān)閥組成，由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原液不同比例的精確配比。

水裝置：主要為原液稀釋提供水源，由儲(chǔ)水罐、過(guò)濾器、水泵等組成。

循環(huán)攪拌裝置：主要由攪拌罐、循環(huán)泵、放液閥及液位計(jì)組成，可以將稀釋后的藥液通過(guò)循環(huán)流動(dòng)的方式攪拌均勻。攪拌罐與4個(gè)原液配比裝置、供水裝置都有管路連接，以獲取原液和清水。

滴灌裝置：由儲(chǔ)液罐、隔膜泵、16條供液管路及管路上的流量計(jì)、滴灌軟管及滴頭組成，可以向多個(gè)作業(yè)對(duì)象同時(shí)滴灌。

噴霧裝置：作為單獨(dú)向植物莖葉進(jìn)行霧化藥液的噴灑裝置，其原液由第四路原液罐單獨(dú)提供，不需要與其他三種原液混合。噴霧原液同樣需要按一定比例與清水配比攪拌，后經(jīng)柱塞泵加壓后由霧化噴槍噴射而出。

通過(guò)電氣設(shè)計(jì)，可將被控單元根據(jù)被控方式分為三種類型，分別是數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出和模擬量輸入。

1.3 系統(tǒng)作業(yè)流程

系統(tǒng)作業(yè)流程如圖2所示。系統(tǒng)根據(jù)信息錄入中的植物類型、根部土球直徑等信息自動(dòng)計(jì)算液料配比，確定作業(yè)內(nèi)容。消毒殺菌作業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)清水自動(dòng)加注、自動(dòng)配藥、自動(dòng)循環(huán)攪拌液料、定量供液滴灌、定量供液噴灑等功能，且保證所有液料罐作業(yè)過(guò)程中不溢出、不空置。消毒殺菌結(jié)束自動(dòng)彈出打印提示，進(jìn)行報(bào)告單打印，所有作業(yè)記錄存入數(shù)據(jù)庫(kù)以供查詢。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采取主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上下位機(jī)之間采用RS 232串口連接，Modbus RTU協(xié)議通信[8?9]。安裝有MCGS的PC為主機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)交互，接收人工操作命令，并與下位機(jī)實(shí)時(shí)通信；基于STM32的主控制器為下位機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和命令執(zhí)行。同時(shí)，采用在PC機(jī)掛載模擬量采集模塊的方式，彌補(bǔ)主控制器端口不夠的缺點(diǎn)。

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)工作時(shí)上位機(jī)按照設(shè)定的時(shí)間間隔查詢下位機(jī)狀態(tài)，人機(jī)交互操作命令則實(shí)時(shí)發(fā)送至下位機(jī)。

3 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的總體構(gòu)成，控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)在下位機(jī)，下位機(jī)包含兩部分：信號(hào)處理板和驅(qū)動(dòng)電路接口板。其中，信號(hào)處理板以ARM Cortex?M3內(nèi)核的32位RISC高性能微控制器STM32F103ZET6為主控芯片，基于神舟Ⅲ號(hào)ARM板進(jìn)行開(kāi)發(fā)。信號(hào)處理板雖然接口豐富，但是存在驅(qū)動(dòng)能力上的不足。

為提高驅(qū)動(dòng)電路能力，針對(duì)數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出和模擬量輸入三種不同類型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行電壓變換和脈沖隔離。信號(hào)處理板與驅(qū)動(dòng)電路接口板總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

驅(qū)動(dòng)電路接口板如圖5所示，驅(qū)動(dòng)電路板與主控板通過(guò)插針進(jìn)行電氣連接。

4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)工作時(shí)上位機(jī)程序?qū)ο挛粰C(jī)數(shù)據(jù)定時(shí)進(jìn)行查詢，而人機(jī)交互操作命令則實(shí)時(shí)下達(dá)。下位機(jī)程序從不主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，只對(duì)來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳?？刂葡到y(tǒng)軟件為了兼顧系統(tǒng)調(diào)試和客戶使用方便，設(shè)置了手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式。

4.1 上下位機(jī)數(shù)據(jù)通信

為了系統(tǒng)拓展的方便，并保證系統(tǒng)的通用性，上下位機(jī)數(shù)據(jù)通信沒(méi)有采用自定義協(xié)議的形式，而是采用Modbus通信協(xié)議。該協(xié)議包括一個(gè)主站（只有一個(gè)主站）和多個(gè)從站（最大數(shù)量為247）。通信時(shí)總是由主站發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求，從站若未收到主站發(fā)出的請(qǐng)求時(shí)不會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。Modbus通信協(xié)議格式如表1所示。

本系統(tǒng)只有1個(gè)下位機(jī)，所以地址碼只有一個(gè)為01。上位機(jī)讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)使用的功能碼包括：功能碼01，讀取數(shù)字量；功能碼03，讀取模擬量；功能碼05，寫入數(shù)字量。下位機(jī)為了增加通信效率，將開(kāi)關(guān)量、模擬量分別設(shè)置為連續(xù)的寄存器地址，這樣主機(jī)只要一條功能碼為01的查詢指令就可以查詢到所有開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)，只要一條功能碼為03的查詢指令就可以查詢到所有模擬量數(shù)據(jù)。

4.2 上位機(jī)MCGS程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序選擇北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司的MCGS組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，其具有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序全，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，人機(jī)交互界面簡(jiǎn)單明了等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序是在MCGS 6.2通網(wǎng)版開(kāi)發(fā)的[10]。

上位機(jī)程序的開(kāi)發(fā)方法如下：

1） 在設(shè)備窗口進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)連接。按照Modbus RTU設(shè)備與功能碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系（見(jiàn)表2），將采集到的下位機(jī)寄存器數(shù)據(jù)與上位機(jī)變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其中MCGS配置的寄存器地址=實(shí)際讀取寄存器地址+1，如圖6，圖7所示。

2） 在用戶窗口新建界面，在新建界面中利用MCGS系統(tǒng)組件搭建運(yùn)行窗口。

3） 將MCGS系統(tǒng)組件與變量、腳本、策略等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為系統(tǒng)組件增加邏輯功能。上位機(jī)使用腳本、策略的目的是將部分邏輯運(yùn)算完成后將結(jié)果輸出至下位機(jī)，減輕下位機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)，降低通信數(shù)據(jù)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行速率。

4） 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試及優(yōu)化。系統(tǒng)滴灌、噴灑等消毒殺菌作業(yè)完畢后，需要打印報(bào)告單及將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)以備查詢。通過(guò)在MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立組對(duì)象，設(shè)置組對(duì)象成員列表，為組對(duì)象建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。建立在變量數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上的信息錄入界面和記錄查詢界面如圖8，圖9所示。

4.3 下位機(jī)STM32F106ZET6程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序在Keil μVision 4開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)與調(diào)試[11]，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成工作流程，系統(tǒng)主函數(shù)流程圖如圖10所示。

為了保證通信的穩(wěn)定性，在程序中設(shè)計(jì)了通信握手過(guò)程[12]。因?yàn)橄挛粰C(jī)采用單字節(jié)接收中斷觸發(fā)，在中斷函數(shù)void USART1_IRQHandler（void）中設(shè)計(jì)了握手程序，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)字節(jié)為01，且第二個(gè)字節(jié)為01，03，05，接收標(biāo)志位置為2時(shí)，表示握手成功。接收到錯(cuò)誤幀后，相關(guān)標(biāo)志位將清零，需要重新進(jìn)行握手。數(shù)據(jù)接收中斷函數(shù)流程如圖11所示。

4.3.1 手動(dòng)控制模式

手動(dòng)控制模式下，人機(jī)交互界面為每一個(gè)被控設(shè)備都設(shè)置了控制按鈕，為每一個(gè)傳感器都設(shè)置了顯示窗口，這樣就可以在調(diào)試過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制，極大減少了測(cè)試的工作量。

4.3.2 自動(dòng)控制模式

自動(dòng)模式程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化流程進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，如本系統(tǒng)將流程分為噴灑配料流程、滴灌配料流程、噴灑作業(yè)、滴灌作業(yè)流程、管路清洗流程、水箱自加清水流程、急停流程等，不同的流程之間原則上不應(yīng)有交叉；其次為每個(gè)子流程編寫開(kāi)始和停止子函數(shù)；然后在上位機(jī)上設(shè)置相應(yīng)的開(kāi)關(guān)按鍵并進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)；最后需要對(duì)系統(tǒng)存在的交叉和沖突部分進(jìn)行合理調(diào)整。自動(dòng)控制人機(jī)交互界面如圖12所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以PC和STM32嵌入式系統(tǒng)為基本硬件，采用模塊化程序設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了植物消毒車自動(dòng)作業(yè)的功能，且作業(yè)結(jié)束后自動(dòng)打印結(jié)果報(bào)告單。經(jīng)過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)包括：一是控制方式靈活，拓展能力強(qiáng)，因而能夠應(yīng)用到其他車載設(shè)備控制系統(tǒng)中；二是通過(guò)選配精度較高的流量計(jì)，配合自動(dòng)作業(yè)控制程序，輸出的藥物濃度得到有效控制；三是在PC進(jìn)行設(shè)備控制的人機(jī)交互界面友好，可操作性強(qiáng)。本控制系統(tǒng)對(duì)于其他專用車輛車載控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的借鑒意義。

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