CN111837746B - 野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***及其控制方法，包括传感器数据采集部分、控制器控制部分和无线通讯部分，所述传感器数据采集部分和控制器控制部分通过CAN总线与无线通讯部分相连接。本发明将相对分离的监测与模拟融为一体，使得大气湿沉降的降水频率和降水强度与实际降水同步，更接近现实，提高大气湿沉降生态环境效益的真实性；装置采用总‑分的连接方式，三通和CAN总线传输方式使该装置采集的参数可随意改变，更换传感器方便。本发明解决了现有技术中对户外试验对象的管理不便的难题，避免了测量参数和设备不能随意更换等缺陷，大大降低了成本和维护难度，提高装置适用性，具有很大的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***及其控制方法。
背景技术
随着人类活动的加剧，排放到大气中氮和重金属等物质增加，并通过干湿沉降进入各种生态***中，威胁生态***的安全与功能，如土壤酸化、重金属迁移和粮食安全等。当前，自动化采集大气湿沉降的装置较多，但体积大、价格相对高；在进行大气沉降的生态效应的研究中，以模拟大气湿沉降为主，采用的方法多为一次或多次人工或无人机喷施，费工或不能满足小面积尤其是同位素示踪研究的需求，不能同步模拟大气湿沉降，进而影响对大气沉降生态效应的评估及相关机制的解析。随着智能化技术发展，各种传感器如温度、湿度、风速、风向、雨水计重和控制器及数据采集、显示、存储及传输等技术日益成熟，为大气湿沉降的野外监测与同步模拟与远程提供了条件。然而，目前仍无集大气湿沉降监测与同步模拟的一体化设备，限制了大气沉降及其生态环境效应的评估及机制研究。现有技术中对户外试验对象不便于管理，测量参数和设备不能随意更换和扩充。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***及其控制方法，集监测与同步模拟培育为一体，实现对降水等环境的自动监测和湿沉降的同步模拟，一套装置的测量对象可以随意更改，并且更换方便，使该装置不再仅针对于一种对象的培育，某一传感器的损坏或更换完全不影响装置整体的测量结果。
为解决上述技术问题，本发明提供一种野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***，包括传感器数据采集部分、控制器控制部分和无线通讯部分，所述传感器数据采集部分和控制器控制部分通过CAN总线与无线通讯部分相连接；
所述传感器数据采集部分包括多个采集端，每个采集端包括传感器和转换模组，所述转换模组包括第一微控制器模块和第一CAN总线收发模块，所述传感器和第一微控制器模块相连，第一微控制器模块采集并处理传感器的数据，通过第一CAN总线收发模块把数据发送到CAN总线上；
所述控制器控制部分包括多个控制端，每个控制端包括控制器、执行设备和转换模组，所述执行设备和控制器相连，控制器和转换模组的第一微控制器模块相连，第一微控制器模块通过第一CAN总线收发模块接收并解析CAN总线上相应采集端的数据并作出判断，然后通过控制器控制执行设备进行相应的动作，并且第一微控制器模块把当前执行设备的状态通过第一CAN总线收发模块发送到CAN总线上；
所述无线通讯部分包括第二CAN总线收发模块、第二微控制器模块和无线通讯模块，所述CAN总线依次和第二CAN总线收发模块、第二微控制器模块和无线通讯模块相连，第二微控制器模块通过第二CAN总线收发模块接收CAN总线上所有端口设备的数据，把数据处理后通过无线通讯模块发送到数据库上，第二微控制器模块通过无线通讯模块接收来自数据库的数据，把数据通过第二CAN总线收发模块发送到CAN总线，控制控制端的执行设备动作。
优选地，还包括数据显示部分，所述数据显示部分包括显示端，所述显示端包括液晶显示屏和转换模组，液晶显示屏和转换模组的第一微控制器模块相连，第一微控制器模块通过第一CAN总线收发模块接收并处理CAN总线上所有采集端的数据，然后把传感器数据显示在液晶显示屏上。
优选地，所述采集端、控制端和显示端分别通过防水三通接口连接在CAN总线上。
优选地，还包括培育箱，所述培育箱内部和外部分别设有传感器和控制器，所述培育箱一侧设有模拟液存储罐，所述模拟液存储罐通过水管与培育箱内的喷头连接。
优选地，所述培育箱包括铝合金框架，所述铝合金框架嵌入阳光PC板和扇窗；所述模拟液存储罐表面设有液位计，所述水管上连接有水泵。
优选地，所述采集端的传感器包括位于培育箱外面顶部的风速传感器、风向传感器、降水量传感器、雨滴传感器，位于培育箱内部的二氧化碳浓度传感器，位于培育箱底部***土壤中的土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤pH值传感器，位于模拟液存储罐内的液位高度传感器和模拟液存储罐出口的水流量传感器。
优选地，所述控制端的控制器包括位于培育箱内部的扇窗控制器和水泵控制器，所述扇窗控制器与扇窗连接，所述水泵控制器与水泵连接。
优选地，所述无线通讯部分还包括供电模块，所述供电模块与电源连接。
本发明还提供一种基于上述的野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***的控制方法，包括：
传感器实时采集环境和装置状态数据，通过转换模组中的第一微控制器模块的处理，由第一CAN总线收发模块发送到CAN总线上；
控制器通过转换模组中的第一CAN总线收发模块接收CAN总线上的传感器数据，通过转换模组中的第一微控制器模块的处理控制执行设备动作，并把设备状态通过第一微控制器模块的处理由第一CAN总线收发模块发送到CAN总线上；
第二CAN总线收发模块接收CAN总线上的传感器和控制器的数据，通过第二微控制器模块处理数据，由无线通讯模块发送数据到数据库，并由无线通讯模块接收来自数据库的数据，通过第二微控制器模块处理数据，由第二CAN总线收发模块发送数据到CAN总线上，控制端接收数据后控制执行设备动作。
优选地，还包括液晶显示屏通过转换模组中的第一CAN总线收发模块接收CAN总线上的传感器数据，通过转换模组中的第一微控制器模块的处理显示传感器数据。
本发明所达到的有益效果：
（1）本发明可根据培育箱外部的天气自动控制培育箱内部通风、降水等操作，同时也可以通过服务器进行远程控制，将相对分离的监测与模拟融为一体，使得大气湿沉降的降水频率和降水强度与实际降水同步，更接近现实，提高大气湿沉降生态环境效益的真实性。
（2）本发明的连接方式为总-分式，防水三通、直通作为装置电力及通讯布线的节点，可以无限扩展，连接的数量不限，布线的位置不限。根据测量的参数自由选择传感器，接上即用。同时控制部分采用同样的方式，将制作好的控制器按照相同的方式连接上即用，而且不限位置，互不干扰。本发明对户外试验对象便于管理，测量参数和设备可随意更换和扩充，大大降低了成本和维护难度，提高了装置的适用性。
（3）本发明的传输方式为CAN总线传输，具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多优点， CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现像在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于"死锁"状态。CAN总线理论上单条总线最多可以连接101个节点，最远通讯距离可达40km，足够用户使用。基于这些优点，在每一个节点接上带有CAN总线的传感器、控制器，即可实现数据的采集、动作的控制，并且随意更换节点，互不干扰。
（4）本发明的数据传输采用无线模块，实时上传测量的数据、控制的状态，并可以通过服务器或网页远程操控动作，实现装置的自动化、智能化。
附图说明
图1为本发明野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***的原理框图；
图2为本发明野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***，包括传感器数据采集部分、控制器控制部分、数据显示部分、无线通讯部分、模拟液存储罐和培育箱，实现装置的智能化、自动化，数据的实时上传、远程操控，传感端、控制端可随意更换，具有很强适用性。
图1为野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***的原理框图，如图所示包括传感器数据采集部分、控制器控制部分、数据显示部分、无线通讯部分，它们由一条总线连接为一体，总线为防水三通与四芯线，连接成一条直线，其中两条供电线，两条CAN总线。
采集端传感器包括位于培育箱外面顶部的风速传感器7、风向传感器8、降水量传感器9、雨滴传感器10，位于培育箱内部的二氧化碳浓度传感器11，位于培育箱底部***土壤中的土壤温度传感器12、土壤湿度传感器13、土壤pH值传感器14，位于模拟液存储罐3内的液位高度传感器和模拟液存储罐3出口的水流量传感器15。传感器用于收集野外环境和装置状态参数，并通过转换模组发送到总线上，总线上所有端口设备都可接收。转换模组包括第一微控制器模块和第一CAN总线收发模块，传感器和第一微控制器模块相连，第一微控制器模块采集并处理传感器的数据，通过第一CAN总线收发模块把数据发送到总线上。
控制器控制部分包括多个控制端，每个控制端包括控制器、执行设备和转换模组。控制器包括位于培育箱内部的扇窗控制器16和水泵控制器17，所述扇窗控制器16与扇窗2连接，所述水泵控制器17与水泵连接，扇窗控制器16根据转换模组接收的雨滴传感器10的数据，控制装置上扇窗2的开闭，达到防雨和通风的目的。水泵控制器17根据转换模组接收的降水量传感器9、水流量传感器15的数据，控制培育箱内降水，达到模拟野外降雨的目的。液晶显示屏18通过转换模组接收处理采集端数据并显示在屏幕上。
无线通讯部分是一个主控盒，主控盒内的供电模块给整个装置***供电，主控盒通过第二CAN总线收发模块接收总线上传感器和控制器的数据，经过第二微控制器模块处理后，通过无线通讯模块发送数据到数据库，也可以从数据库接收数据，经过第二微控制器模块处理后，由第二CAN总线收发模块发送数据到总线上的控制端。
图2为野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***的结构示意图，包括培育箱，培育箱包括铝合金框架1，铝合金框架1嵌入阳光PC板和扇窗2，使装置既防风防水、又能正常日照且不影响观察内部。其上有一可打开的门，操作人员可以进入装置内部，两侧有两个扇窗2，根据天气自动控制其开闭。培育箱一侧设有模拟液存储罐3，模拟液存储罐3表面设有液位计4，模拟液存储罐3通过水管5与培育箱内的喷头6连接，水管5上连接有水泵，可喷洒模拟液存储罐3中的水等特制液体。培育箱周围及内部可摆放若干传感器和控制器，由防水三通和直通相连。传感器包括位于培育箱外面顶部的风速传感器7、风向传感器8、降水量传感器9、雨滴传感器10，位于培育箱内部的二氧化碳浓度传感器11，位于培育箱底部***土壤中的土壤温度传感器12、土壤湿度传感器13、土壤pH值传感器14，位于模拟液存储罐3内的液位高度传感器和模拟液存储罐3出口的水流量传感器15。控制器包括位于培育箱内部的扇窗控制器16和水泵控制器17，所述扇窗控制器16与扇窗2连接，所述水泵控制器17与水泵连接。
本发明的工作过程是：传感器实时采集环境和装置状态数据，通过转换模组中的第一微控制器模块的处理，由第一CAN总线收发模块发送到CAN总线上；液晶显示屏通过转换模组中的第一CAN总线收发模块接收CAN总线上的传感器数据，通过转换模组中的第一微控制器模块的处理显示传感器数据；控制器通过转换模组中的第一CAN总线收发模块接收CAN总线上的传感器数据，通过转换模组中的第一微控制器模块的处理控制执行设备动作，并把设备状态通过第一微控制器模块的处理由第一CAN总线收发模块发送到CAN总线上；第二CAN总线收发模块接收CAN总线上的传感器和控制器的数据，通过第二微控制器模块处理数据，由无线通讯模块发送数据到数据库，并由无线通讯模块接收来自数据库的数据，通过第二微控制器模块处理数据，由第二CAN总线收发模块发送数据到CAN总线上，控制端接收数据后控制执行设备动作。
具体的，传感器把采集的数据通过转换模组发送到CAN总线上，控制器通过转换模组接收CAN总线上相应的传感器参数来控制相应的装置，如根据雨滴传感器发出的是否有雨信号，控制扇窗的打开和关闭:当外面下雨时关闭扇窗，阻止外界雨水进入装置；当外面没雨时打开扇窗，使装置内部与外界空气流通。根据降水量传感器得到的降雨量，通过流量传感器控制水泵供水，自动向箱内喷洒和外面降水量等同的模拟液存储罐中的液体。模拟液存储罐中装有液位高度传感器，提醒使用者及时补充液体。液晶屏通过转换模组接收CAN总线上传感器的参数并显示在屏幕上。转换模组由第一CAN总线收发模块和第一微控制器模块组成，第一CAN总线收发模块负责控制CAN总线和第一微控制器模块之间的数据传输，第一微控制器模块负责把传感器和控制器的数据转化为特殊格式的CAN总线数据，并解析接收到的CAN总线数据发送给液晶屏和根据不同数据对控制器进行控制。主控盒把收到的CAN总线数据通过第二微控制器整合在一起，再发送给通讯模块上传到数据库，数据库发回来的控制信号经过主控盒发送到CAN总线上可以控制扇窗、水泵等的动作。
防水三通、直通作为装置电力布线的节点，可以无限扩展，连接的数量不限、布线的位置不限。根据测量的参数自由选择传感器，接上即用。同时控制部分采用同样的方式，将制作好的控制器按照相同的方式接上即用，而且不限位置，互不干扰。简化了操作、降低了成本、大大提高了装置适用性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***，其特征是，包括传感器数据采集部分、控制器控制部分和无线通讯部分，所述传感器数据采集部分和控制器控制部分通过CAN总线与无线通讯部分相连接；
所述传感器数据采集部分包括多个采集端，每个采集端包括传感器和转换模组，所述转换模组包括第一微控制器模块和第一CAN总线收发模块，所述传感器和第一微控制器模块相连，第一微控制器模块采集并处理传感器的数据，通过第一CAN总线收发模块把数据发送到CAN总线上；
所述控制器控制部分包括多个控制端，每个控制端包括控制器、执行设备和转换模组，所述执行设备和控制器相连，控制器和转换模组的第一微控制器模块相连，第一微控制器模块通过第一CAN总线收发模块接收并解析CAN总线上相应采集端的数据并作出判断，然后通过控制器控制执行设备进行相应的动作，并且第一微控制器模块把当前执行设备的状态通过第一CAN总线收发模块发送到CAN总线上；
所述无线通讯部分包括第二CAN总线收发模块、第二微控制器模块和无线通讯模块，所述CAN总线依次和第二CAN总线收发模块、第二微控制器模块和无线通讯模块相连，第二微控制器模块通过第二CAN总线收发模块接收CAN总线上所有端口设备的数据，把数据处理后通过无线通讯模块发送到数据库上，第二微控制器模块通过无线通讯模块接收来自数据库的数据，把数据通过第二CAN总线收发模块发送到CAN总线，控制控制端的执行设备动作；
还包括培育箱，所述培育箱内部和外部分别设有传感器和控制器，所述培育箱一侧设有模拟液存储罐，所述模拟液存储罐通过水管与培育箱内的喷头连接；
所述培育箱包括铝合金框架，所述铝合金框架嵌入阳光PC板和扇窗；所述模拟液存储罐表面设有液位计，所述水管上连接有水泵；
所述采集端的传感器包括位于培育箱外面顶部的风速传感器、风向传感器、降水量传感器、雨滴传感器，位于培育箱内部的二氧化碳浓度传感器，位于培育箱底部***土壤中的土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤pH值传感器，位于模拟液存储罐内的液位高度传感器和模拟液存储罐出口的水流量传感器；
所述控制端的控制器包括位于培育箱内部的扇窗控制器和水泵控制器，所述扇窗控制器与扇窗连接，所述水泵控制器与水泵连接。
2.根据权利要求1所述的野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***，其特征是，还包括数据显示部分，所述数据显示部分包括显示端，所述显示端包括液晶显示屏和转换模组，液晶显示屏和转换模组的第一微控制器模块相连，第一微控制器模块通过第一CAN总线收发模块接收并处理CAN总线上所有采集端的数据，然后把传感器数据显示在液晶显示屏上。
3.根据权利要求2所述的野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***，其特征是，所述采集端、控制端和显示端分别通过防水三通接口连接在CAN总线上。
4.根据权利要求1所述的野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***，其特征是，所述无线通讯部分还包括供电模块，所述供电模块与电源连接。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***的控制方法，其特征是，包括：
传感器实时采集环境和装置状态数据，通过转换模组中的第一微控制器模块的处理，由第一CAN总线收发模块发送到CAN总线上；
控制器通过转换模组中的第一CAN总线收发模块接收CAN总线上的传感器数据，通过转换模组中的第一微控制器模块的处理控制执行设备动作，并把设备状态通过第一微控制器模块的处理由第一CAN总线收发模块发送到CAN总线上；
第二CAN总线收发模块接收CAN总线上的传感器和控制器的数据，通过第二微控制器模块处理数据，由无线通讯模块发送数据到数据库，并由无线通讯模块接收来自数据库的数据，通过第二微控制器模块处理数据，由第二CAN总线收发模块发送数据到CAN总线上，控制端接收数据后控制执行设备动作。
6.根据权利要求5所述的野外大气湿沉降自动监测与同步模拟培育***的控制方法，其特征是，还包括液晶显示屏通过转换模组中的第一CAN总线收发模块接收CAN总线上的传感器数据，通过转换模组中的第一微控制器模块的处理显示传感器数据。
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