基于CAN总线技术的龙虾养殖监控系统设计与实现

摘要:江苏盱眙是国内最大的淡水龙虾养殖基地,实现高效现代化设施农业改造,采用精细化养殖是提高经济效益的必由之路。根据本项目作业范围大的特点,系统采用了CAN总线作为现场总线,配合多种传感器技术和远程控制技术,实现了对现场的数据采集和设备控制。在此基础上开发了一整套用于监控和数据处理的智能化龙虾养殖管理系统。

关键词:CAN总线;传感器;龙虾养殖

中图分类号:TP399文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)35-10102-02

Design and Implement of Lobster breeding Monitoring System Based on CAN Bus

WANG Zhi-bo, ZONG Hong-sen, BI Yan-ru

(Huaian College of Information Technology, Huaian 223003, China)

Abstract: Jiangsu Xuyi is the largest freshwater lobster breeding base, modern facilities for efficient transformation of agriculture, and fining breed is the way to increase economic efficiency. According to large scope areas of this project, It uses CAN bus as the field bus, with a variety of sensor technology and remote control technology. On this basis, we have developed a set of software system of lobster aquaculture; it has an intelligent monitoring and data processing system.

Key words: CAN Bus; sensor; lobster breeding

1 前言

“盱眙龙虾”是一种淡水龙虾,学名克氏螯虾,俗称“小龙虾”,原产于欧美国家,20世纪中期传入我国并大量繁殖。小龙虾早在18世纪时,就成为欧洲和美洲人的重要食物,欧美市场小龙虾需求量大,自给能力不足,我国一直是小龙虾的出口国,但近几十年来,中国人也开始大规模消费小龙虾,自然龙虾资源不断枯竭,为了缓解供需矛盾,上世纪八十年代初开始研究小龙虾生物学特性,人工繁殖,人工养殖及加工,国内外建立了大量的小龙虾养殖场,开始大规模人工养殖小龙虾,几十年来,由于人们对小龙虾的研究,基本上停留在对小龙虾生物学特性的认知层面,对于龙虾养殖管理技术的研究投入不足,尤其是在现代计算机控制技术和多种信息采集技术突飞猛进,计算机技术迅速向各行各业渗透的今天,龙虾养殖业的发展尚未有效地与计算机技术结合,这不能不说是一种缺陷。不失时机地把龙虾规模化养殖与信息化管理技术结合起来,迅速提升龙虾养殖产业管理技术水准,以现代装备手段,推动龙虾养殖产业长足发展,是龙虾人工繁殖、养殖技术进一步发展的重要任务。

本项目旨在建设“盱眙龙虾规模化养殖与信息化管理技术相结合的数字监控系统”,它是把现代成熟的计算机控制技术和多种信息采集技术,系统地应用到大规模龙虾养殖产业工作中,其实质是把龙虾养殖这个新兴产业与计算机现代高科技手段相结合,以现代测控技术为实施农业服务,形成技术集成创新,引领龙虾养殖管理技术的发展趋势。

2 系统总体设计

在项目设计和实施中,将系统分为前端数据采集和上位机数据处理两部分。前端主要对龙虾养殖环境因子进行数据采集,其中主要包括池塘的水温、水中溶解氧指标、PH值、空气温度、大气压力、空气湿度、光照度等环境数据。同时,配合闭路监控系统实时图像采集,直观观察养殖现场的情况。在上位机控制端,根据采集到的环境因子结合专家系统进行分析,并通过系统自动控制养殖场的增氧机、注水水泵和排水水泵进行相应的调节。在上位机和远端传感器间通过CAN总线进行信号传递,总体设计如图1所示。

3 CAN总线的设计与实现

系统采用一整套CAN总线接收控制卡、前端数据A/D转换模块和数字量输出模块,分别实现对传感器的数据采集,远端继电器板单元动作控制,进而控制现场电气设备。

PCI控制卡总线宽度32位,同步工作频率可达到33MHz,最高传输速率为132MB/S,设计标准中考虑了负载,即使扩展卡超过了负载的最大值,系统也能正常工作。并且提供数据和地址奇偶校验功能,保证了数据的完整性和准确性。CAN接口通讯协议采用CAN2.0B(PeliCAN)兼容CAN2.0A,符合ISO/ISO11898规范。通讯距离最长为10公里,很好的适应了大范围的池塘养殖的环境要求。近距离的最高传输速率能够达到1Mbps。本项目中根据具体硬件的特点,将CAN通讯协议帧分为两种[1],一种是标准帧,另一种为扩展帧。

4 智能监控系统的设计

在本项目中上位机系统由两部构成,分别是数据采集控制监控系统和互联网信息远程监控系统。数据采集控制系统采用.Net FrameWork3.0为平台框架,主要完成对CAN接口卡的初始化和数据采集与现场电机设备控制。并且,将实时采集的数据保存到服务器的数据库中。根据养殖专家领域知识形成的龙虾养殖专家库的经验,判断比较采集数据,自动开启池塘的增氧机、给水水泵或排水水泵。Web信息平台系统采用Struts1.2为系统框架,Tomcat6.0为Web服务器,结合FushionChar图表等多种开源技术,实现了对养殖场情况的动态远程监控。系统基于CAN硬件接口的底层动态链接库can_pci.dll进行编程[2]。下面是初始化CAN PCI控制卡的部分核心代码:

[DllImport("\\can_pci.dll", EntryPoint = "CAN_Open")]

static extern Boolean CAN_Open(int mindex);

[DllImport("\\can_pci.dll", EntryPoint = "CAN_Reset")]

static extern Boolean CAN_Reset(int mindex);

[DllImport("\\can_pci.dll", EntryPoint = "CAN_Init")]

static extern Boolean CAN_Init(int mindex, Byte[] config);

[DllImport("\\can_pci.dll", EntryPoint = "CAN_Trans")]

static extern Boolean CAN_Trans(int mindex, byte[] config, int wtimeout);

[DllImport("\\can_pci.dll", EntryPoint = "CAN_Recv")]

static extern Boolean CAN_Recv(int mindex, byte[] config, int rtimeout);

public void openChannel(Byte station_, Byte channel)//打开can通道

{ long data, data1;

Byte[] canbuff = new Byte[11];

Byte func;

Byte[] canbuff1 = new Byte[5];

Byte setout1, setout2;

Byte station = station_;

func = 8; //置输出数据指令为&h8

setout1 = channel;//设定输出通道1置位

setout2 = 0x0;//设定输出通道9置位

data = cframe(station, func);

data = data & 0xFFFF;

data1 = (data & 0xFF00) / 256;

canbuff1[0] = 2;//第一字节填入本帧数据场长度

canbuff1[1] = (byte)data1;

canbuff1[2] = (byte)(data & 0xFF);

canbuff1[3] = setout1;//要输出的1-8通道数据内容

canbuff1[4] = setout2;//要输出的9-16通道数据内容

}

public long cframe(Byte station1, Byte func1) //处理转发帧的信息头

{long a1, b1;

a1 = (station1 * 32) & 0xFF0;

b1 = func1;

b1 = (b1 * 4096) & 0xF000;

return a1 | b1; }

5 结论

1) 将CAN总线技术应用于远距离数据采集和控制工程中,随着距离的增加通讯速率呈现明显下降趋势,但对于实时性要求不高的控制系统,完全能够满足使用要求。

2) 模块化设计开发,提高系统开发效率,降低开发成本。项目中分别对硬件底层编程、上位机监控系统的开发和Web应用服务的设计进行了模块化得分工。

3) 将计算机应用技术与现代农业相结合,提高农业生产效率。

参考文献:

[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.