植物消毒车控制系统设计

吴中坚　汪剑辉　李坚　马新宝

摘 要： 植物消毒车是海关入境报关时使用的专项消毒处理装置，通过对其控制系统进行设计以实现作业功能，以STM32F106ZET6为MCU的控制板为下位机，以安装MCGS的工业计算机为上位机，采用Modbus RTU协议实现两者通信。在MCGS中通过策略和脚本增强上位机逻辑功能；在下位机中设计数据接收软件握手程序，增强通信稳定性。控制系统功能经过实车验证，其性能稳定，人机交互界面友好，可为相关企业利用现有成熟设备组建车载控制系统提供借鉴。

关键词： 控制； 植物消毒； MCGS； STM32； Modbus RTU； RS 232

中图分类号： TN876?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 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

按照我国法律规定，进口原木必须由检疫部门实施强制性检验检疫，合格后出具检疫证明方能报关入境。活体植物检疫消毒系统（以下简称植物消毒系统）是一种用于进口活体植物在检验检疫隔离之前进行专项消毒处理的装置，对保护国家自然生态安全具有重要意义[1?5]。原有的植物消毒系统固定安装在场地内，其供水、供电等管路需预先埋设，建造时间长，且设备使用受制于场地面积，灵活度较差，处置效率较低。通过设计一种方便移动作业的植物消毒车，解决固定式系统的不足。本文主要对其控制系统设计进行介绍。

1 移动式植物消毒系统总体构成

根据移动式植物消毒系统需实现的具体功能设计系统总体结构[6?7]，如图1所示。

进口活体植物为带根部土球的大茎叶形式，如罗汉松等，很多为成年，较大的根部体积可达1 m3以上。对该类活体植物的检疫消毒分为两部分：根部采用滴灌，茎叶采用喷雾。滴灌方式采用三种液体原料按一定比例配置成原液，再经1[∶]500的清水稀释，后经缠绕在土球上的滴灌管路释放进入土壤；喷雾方式采用专用乳液经稀释后加压喷射为雾状，使其分散在茎叶表面进行消毒。

1.1 控制系统

控制系统由工控机、主控制器、模拟量采集模块等组成，可以实现对整个系统的自动控制。

1.2 被控单元

原液配比装置：由4套相同的供液路组成，供液路由原液罐、隔膜式计量泵、液位传感器、电控开关阀组成，由控制系统实现原液不同比例的精确配比。

水装置：主要为原液稀释提供水源，由储水罐、过滤器、水泵等组成。

循环搅拌装置：主要由搅拌罐、循环泵、放液阀及液位计组成，可以将稀释后的药液通过循环流动的方式搅拌均匀。搅拌罐与4个原液配比装置、供水装置都有管路连接，以获取原液和清水。

滴灌装置：由储液罐、隔膜泵、16条供液管路及管路上的流量计、滴灌软管及滴头组成，可以向多个作业对象同时滴灌。

喷雾装置：作为单独向植物茎叶进行雾化药液的喷洒装置，其原液由第四路原液罐单独提供，不需要与其他三种原液混合。喷雾原液同样需要按一定比例与清水配比搅拌，后经柱塞泵加压后由雾化喷枪喷射而出。

通过电气设计，可将被控单元根据被控方式分为三种类型，分别是数字量输入、数字量输出和模拟量输入。

1.3 系统作业流程

系统作业流程如图2所示。系统根据信息录入中的植物類型、根部土球直径等信息自动计算液料配比，确定作业内容。消毒杀菌作业过程实现清水自动加注、自动配药、自动循环搅拌液料、定量供液滴灌、定量供液喷洒等功能，且保证所有液料罐作业过程中不溢出、不空置。消毒杀菌结束自动弹出打印提示，进行报告单打印，所有作业记录存入数据库以供查询。

2 控制系统总体设计

控制系统采取主从结构设计，上下位机之间采用RS 232串口连接，Modbus RTU协议通信[8?9]。安装有MCGS的PC为主机，负责人机交互，接收人工操作命令，并与下位机实时通信；基于STM32的主控制器为下位机，负责数据采集和命令执行。同时，采用在PC机挂载模拟量采集模块的方式，弥补主控制器端口不够的缺点。

控制系统总体结构框图如图3所示。系统工作时上位机按照设定的时间间隔查询下位机状态，人机交互操作命令则实时发送至下位机。

3 硬件设计

根据系统的总体构成，控制系统硬件设计的主要任务在下位机，下位机包含两部分：信号处理板和驱动电路接口板。其中，信号处理板以ARM Cortex?M3内核的32位RISC高性能微控制器STM32F103ZET6为主控芯片，基于神舟Ⅲ号ARM板进行开发。信号处理板虽然接口丰富，但是存在驱动能力上的不足。

为提高驱动电路能力，针对数字量输入、数字量输出和模拟量输入三种不同类型，设计相应的驱动电路，进行电压变换和脉冲隔离。信号处理板与驱动电路接口板总体结构如图4所示。

驱动电路接口板如图5所示，驱动电路板与主控板通过插针进行电气连接。

4 软件设计

控制系统工作时上位机程序对下位机数据定时进行查询，而人机交互操作命令则实时下达。下位机程序从不主动发送数据，只对来自上位机的数据帧进行数据回传。控制系统软件为了兼顾系统调试和客户使用方便，设置了手动控制模式和自动控制模式。

4.1 上下位机数据通信

为了系统拓展的方便，并保证系统的通用性，上下位机数据通信没有采用自定义协议的形式，而是采用Modbus通信协议。该协议包括一个主站（只有一个主站）和多个从站（最大数量为247）。通信时总是由主站发起数据请求，从站若未收到主站发出的请求时不会进行数据发送。Modbus通信协议格式如表1所示。

本系统只有1个下位机，所以地址码只有一个为01。上位机读取下位机数据时使用的功能码包括：功能码01，读取数字量；功能码03，读取模拟量；功能码05，写入数字量。下位机为了增加通信效率，将开关量、模拟量分别设置为连续的寄存器地址，这样主机只要一条功能码为01的查询指令就可以查询到所有开关量数据，只要一条功能码为03的查询指令就可以查询到所有模拟量数据。

4.2 上位机MCGS程序设计

上位机程序选择北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS组态软件开发，其具有设备驱动程序全，系统开发周期短，人机交互界面简单明了等特点。本文设计的上位机程序是在MCGS 6.2通网版开发的[10]。

上位机程序的开发方法如下：

1） 在设备窗口进行设备驱动连接。按照Modbus RTU设备与功能码的对应关系（见表2），将采集到的下位机寄存器数据与上位机变量进行关联，其中MCGS配置的寄存器地址=实际读取寄存器地址+1，如图6，图7所示。

2） 在用户窗口新建界面，在新建界面中利用MCGS系统组件搭建运行窗口。

3） 将MCGS系统组件与变量、脚本、策略等进行关联，为系统组件增加逻辑功能。上位机使用脚本、策略的目的是将部分逻辑运算完成后将结果输出至下位机，减轻下位机运算负担，降低通信数据量，提高系统运行速率。

4） 系统运行调试及优化。系统滴灌、喷洒等消毒杀菌作业完毕后，需要打印报告单及将数据存入数据库以备查询。通过在MCGS实时数据库中建立组对象，设置组对象成员列表，为组对象建立数据库进行管理。建立在变量数据库基础上的信息录入界面和记录查询界面如图8，图9所示。

4.3 下位机STM32F106ZET6程序设计

下位机程序在Keil μVision 4开发环境下进行开发与调试[11]，根据系统结构组成工作流程，系统主函数流程图如图10所示。

为了保证通信的稳定性，在程序中设计了通信握手过程[12]。因为下位机采用单字节接收中断触发，在中断函数void USART1_IRQHandler（void）中设计了握手程序，当第一个字节为01，且第二个字节为01，03，05，接收标志位置为2时，表示握手成功。接收到错误帧后，相关标志位将清零，需要重新进行握手。数据接收中断函数流程如图11所示。

4.3.1 手动控制模式

手动控制模式下，人机交互界面为每一个被控设备都设置了控制按钮，为每一个传感器都设置了显示窗口，这样就可以在调试过程中实现对所有设备进行点对点的控制，极大减少了测试的工作量。

4.3.2 自动控制模式

自动模式程序设计时，首先需要对系统的自动化流程进行结构划分，如本系统将流程分为喷洒配料流程、滴灌配料流程、喷洒作业、滴灌作业流程、管路清洗流程、水箱自加清水流程、急停流程等，不同的流程之间原则上不应有交叉；其次为每个子流程编写开始和停止子函数；然后在上位机上设置相应的开关按键并进行变量关联；最后需要对系统存在的交叉和冲突部分进行合理调整。自动控制人机交互界面如图12所示。

5 结 语

本设计以PC和STM32嵌入式系统为基本硬件，采用模块化程序设计思路，实现了植物消毒车自动作业的功能，且作业结束后自动打印结果报告单。经过实车验证，该控制系统的特点包括：一是控制方式灵活，拓展能力强，因而能够应用到其他车载设备控制系统中；二是通过选配精度较高的流量计，配合自动作业控制程序，输出的药物浓度得到有效控制；三是在PC进行设备控制的人机交互界面友好，可操作性强。本控制系统对于其他专用车辆车载控制系统有较强的借鉴意义。

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