一种数字农业执行终端的故障防护系统及方法

技术领域

本发明涉及数字农业设备领域，具体涉及一种数字农业执行终端的故障防护系统及方法。

背景技术

数字农业用于实现在农业生产过程中对农作物、土壤等从宏观到微观的实时监测和管理，以实现对农作物生长、发育状况、病虫害、水肥状况以及相应的环境进行定期信息获取和调控，生成动态空间信息系统，对农业生产中的现象、过程进行模拟，达到合理利用农业资源，降低生产成本，改善生态环境，提高农作物产品和质量的目的。

数字农业系统中的执行终端则是直接作用于环境及农作物的输出部件，比如施肥设备、灌溉设备、温湿度调节设备等的执行元件及对应的软件，是整个管理系统中的核心组成部分。

执行终端是对接环境及农作物本身的控制部件，这些控制部件影响局部环境中的温度、湿度，气体浓度，农作物的灌溉量、施肥浓度与含量等，关系到农作物生长的方方面面。如果执行终端出现故障且故障导向失控，将直接影响到数字农业的农作物生长环境，影响农作物的生长过程，甚至造成一些不可逆的后果。因此，在提高执行终端可靠性的同时，在执行终端出现故障时控制其输出导向一种受控状态并输出报警以降低影响，是目前数字农业控制系统中越来越受到重视的设计要求。

由于存在上述情形和场景，目前的数字农业执行终端故障管理方法存在以下问题：

（1）对执行终端的硬件故障没有进行系统性的管理，只是尽可能选用高可靠的元件，这种方式使得执行终端的整体成本很高，而且重要的是对存在一定概率的故障无法实时检测。当某一种故障导致不受控的输出（比如无法按要求通风、无法按要求控制杀虫剂喷雾剂量、无法停止灌溉或者停止施肥等），则会导致实际控制与预期的偏差很大，无法形成数字系统的闭环控制。

（2）在数字化农业系统中，执行终端往往由分布式子系统的软件进行控制。对软件中存在的Bug没有进行防护，也会导致异常的不受控的输出，从而影响整个系统的控制效能。

（3）对执行终端的故障没有进行自动化和实时管理，通常由人工的方式进行定期检查和故障更换，或者进行预防性的提前更换。管理效率低，人力成本高，没有体现数字化的系统效能。

发明内容

为了解决上述技术问题，提出了对数字农业执行终端进行闭环的、完整的控制，对其进行软件、硬件故障的防护数字农业执行终端的故障防护系统及方法。

本发明采取的技术方案如下：一种数字农业执行终端的故障防护系统，包括输出管理模块、处理器模块和对外通信模块，其中：

所述处理器模块设置有预设操作信息；

所述输出管理模块配置为自动检查电路的硬件故障，并将故障信息发送给所述处理器模块；

所述处理器模块接收故障信息后控制所述输出管理模块停止输出信号从而控制停止操作信息，

同时所述输出管理模块同步记录停止输出的时刻以及停止时刻前已执行的输出量信息并将停止输出信号及已执行的输出量信息反馈给处理器模块保存；

故障解除后，所述输出管理模块从所述处理器模块中读取预设操作信息及已执行的输出量信息并继续执行未完成操作；

所述未完成操作为预设操作信息除去已执行的输出量信息。

优选地，所述输出管理模块包括数字输出开关电路、防护电路和输出自检电路，其中：

数字输出开关电路、防护电路和输出自检电路均与所述处理器模块连接；

所述处理器模块输出方波信号经过防护电路后转化成直流信号控制数字输出开关电路的电源；

所述数字输出开关电路控制操作信号的输出；

所述自检电路检测输出开关电路的开关器件的状态并将结果输入到处理器模块。

优选地，所述处理器模块为CPU控制器。

优选地，所述数字输出开关电路包括两个串联的开关器件及隔离后的数字驱动信号DO和DI，所述CPU控制器输出两路所述数字驱动信号DO隔离后分别控制两个开关器件，所述开关器件常开触点串联输出控制外部设备。

优选地，所述外部设备为数字农业执行终端。

优选地，开关器件为继电器。

优选地，若任意一个电子器件出现开路故障，则停止输出外部控制信号，同时通过两个继电器的常闭触点的数字驱动信号DI输入可检测到继电器的状态与预期状态不符，此时判定为硬件故障；

若任意一个继电器出现触点短路故障，而串联的另一个继电器正常，则数字输出开关电路正常输出外部控制信号，通过两个继电器的常闭触点的数字驱动信号DI输入可检测到继电器的状态与预期状态不符，则判断为继电器故障。

优选地，所述防护电路包括两路并行且相同的电路支路一和电路支路二、二极管全波整流单元和谐波滤除单元；

所述电路支路一和电路支路二的一端接CPU控制器，另一端均依次与二极管全波整流单元和谐波滤除单元连接。

优选地，所述电路支路一和电路支路均包括依次连接的光耦隔离单元、门电路整形单元和MOSFET管单元；

所述CPU控制器通过定时器中断输出两路频率相同、相位相差180°、占空比为50%的方波一和方波二，所述方波一和方波二分别进入到电路支路一和电路支路二后一起进入到二极管全波整流单元整流再输入到谐波滤除单元滤波后输出直流信号。

一种数字农业执行终端的故障防护方法，应用了上述数字农业执行终端的故障防护系统，该方法包括以下步骤：

步骤1：CPU控制器输出两路方波信号通过防护电路控制输出管理模块的正常输出工作；

步骤2：当所述CPU控制器检测到软件故障时，自动停止方波信号的输出，停止为输出管理模块供电，进而控制停止外部设备的操作。

步骤2中检测软件故障的步骤如下：

步骤2-1：当出现软件时序异常时，软件无法将定时中断函数中的计数累加值清零，导致计算累加值超过设定的门限值；

步骤2-2：定时器中断服务函数检测到计算累加值超过设定的门限值，判定为软件故障，并停止方波信号的输出。

本发明有益的技术效果：本发明通过输出管理模块，用于在当电路中某个元器件出现各种模式的失效时，停止输出，并同步记录停止输出的时刻以及对应的已执行的输出量，保证整个数字控制系统的输出受控，且具备记忆功能，可在故障消除后继续执行未完成的操作，确保对整个农作物环境的控制和农作物要素的控制是闭环的、完整的，从而实现对硬件故障的防护，确保了农作物环境和生长要素不受影响。

本发明所述的方法和装置，对数字农业执行终端的故障进行了输出防护，消除了失控输出的隐患，避免了人工检查和临时的、紧急的处理，有效防范了风险，提升了管理效率。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构框图；

图2为本发明系统中输出管理模块结构原理图；

图3为本发明系统中防护电路的结构原理图；

图4为本发明CPU控制器的整体结构示意图；

图5为本发明方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

本发明所对应的执行终端故障影响防护系统及方法，用于数字农业中对控制输出的执行终端的故障管理，重点针对硬件故障和软件异常进行输出防护。

具体地，如图1-4所示，一种数字农业执行终端的故障防护系统，包括输出管理模块、处理器模块和对外通信模块，其中：

所述处理器模块设置有预设操作信息，这里的预设操作信息是外部设备的预设操作信息，本实施例中的外部设备是农业执行终端，即直接作用于环境及农作物的输出部件，比如施肥设备、灌溉设备、温湿度调节设备等的执行元件及对应的软件，预设操作信息指对应不同的农作物预设的施肥量、灌溉量及温湿度调节范围。

具体地，所述输出管理模块配置为自动检查电路的硬件故障，并将故障信息发送给所述处理器模块；而所述处理器模块接收故障信息后控制所述输出管理模块停止输出信号从而控制停止操作信息，同时所述输出管理模块同步记录停止输出的时刻以及停止时刻前已执行的输出量信息并将停止输出信号及已执行的输出量信息反馈给处理器模块保存；故障解除后，所述输出管理模块从所述处理器模块中读取预设操作信息及已执行的输出量信息并继续执行未完成操作；所述未完成操作为预设操作信息除去已执行的输出量信息。

对外通信模块包括无线通信电路和有线通信电路，本发明采用全网通4G方式实现装置与服务器的无线通信。CPU通过USB口与4G模块进行数据交互，通信速率可达200Mbps，充足的带宽可满足各类现场的应用需求。软件上简单调用装置与服务器预设的通信协议接口便可实现与数据中心的连接。

本发明同时具备以太网形式的有线通信电路，可通过交换机、网关等路径将装置与服务器进行实时有线连接，通信过程不受运营商流量影响，且速率更高。

以上两种通信方式都满足单个数据中心和多个装置终端的分布式连接方式，在各类组网应用中具有通用的网络交互能力，为现场带来极大的便利。

其中输出管理模块的输出量信息控制农业执行终端的作业量，具体可以是施肥量、灌溉量及温湿度调节量。

具体地，各个模块的具体结构及原理如下：

如图2所示，所述输出管理模块包括数字输出开关电路、防护电路和输出自检电路，其中：其中数字输出开关电路、防护电路和输出自检电路均与所述处理器模块连接，所述处理器模块为CPU控制器，本实施例中CPU控制器可采用STM系统单片机、Cortex-M系列ARM内核处理器等性价比高的CPU型号，如图4所示，本实施例的CPU控制器具有时钟、复位和存储，还包括USB、定时器、GPIO和调试串口。

所述CPU控制器输出方波信号经过防护电路经隔离、驱动、整流后转化成直流信号控制数字输出开关电路的电源，其中防护电路通过开关K与数字输出开关电路连接，通过控制开关K的开启与关闭控制数字输出开关电路的导通与关闭。

具体地，所述数字输出开关电路与外部设备连接控制操作信号的输出，即控制外部设备的开启，关闭及用量；所述自检电路检测输出开关电路的开关器件的状态并将结果输入到处理器模块。

具体地，所述数字输出开关电路包括两个串联的开关器件S1，S2及隔离后的数字驱动信号DO和DI，开关器件为继电器，所述CPU控制器输出两路所述数字驱动信号DO隔离后分别控制两个开关器件，所述开关器件常开触点串联输出控制外部设备。

优选地，若任意一个电子器件出现开路故障，则停止输出外部控制信号，同时通过两个继电器的常闭触点的数字驱动信号DI输入可检测到继电器的状态与预期状态不符，此时判定为硬件故障；

若任意一个继电器出现触点短路故障，而串联的另一个继电器正常，则数字输出开关电路正常输出外部控制信号，通过两个继电器的常闭触点的数字驱动信号DI输入可检测到继电器的状态与预期状态不符，则判断为继电器故障。

具体为CPU输出两路数字量信号DO，控制两个继电器的线圈，继电器的常开触点串联输出控制外部设备。如果单个继电器出现开路故障，则停止输出外部控制信号，同时通过继电器常闭触点的DI输入可检测到继电器的状态与预期状态不符，判定为故障。同理，如果单个继电器出现触点短路故障，因串联的第二个继电器正常，对外输出仍然正常，且同样可通过检测回路判断继电器存在故障。两个继电器同时出现故障的概率极低且存在针对单个继电器故障的实时检测，故可忽略不计。

除继电器本身以外，输出控制电路中的其他元器件，如电平转换芯片、隔离光耦等，如果出现故障导致单路开关失效，也可基于反馈回路发现故障并控制输出状态正常或者导向停止输出的状态。

如图3所示，所述防护电路包括两路并行且相同的电路支路一和电路支路二、二极管全波整流单元和谐波滤除单元；所述电路支路一和电路支路二的一端接CPU控制器，另一端均依次与二极管全波整流单元和谐波滤除单元连接。所述电路支路一和电路支路均包括依次连接的光耦隔离单元、门电路整形单元和MOSFET管单元；所述CPU控制器通过定时器中断输出两路频率相同、相位相差180°、占空比为50%的方波一和方波二，所述方波一和方波二分别进入到电路支路一和电路支路二后一起进入到二极管全波整流单元整流再输入到谐波滤除单元滤波后输出直流信号。该直流信号控制执行终端输出回路中的开关K，可使能或切断对外的输出。在该防护电路的设计中，其内部组成元器件，无论是光耦、MOSFET管、整流二极管、电阻、电容，对应的各种模式的失效都只会导致防护电路无法输出直流信号，切断开关K，即停止输出外部控制信号。

出现上述硬件故障，软件均可检测，并将故障信息通过有线网络或者无线网络发回控制中心，以便即时接入处理，确保数字农业控制系统的有序工作且为受控状态。

软件故障处理如下：

具体地，如图5所示，一种数字农业执行终端的故障防护方法，应用了上述数字农业执行终端的故障防护系统，该方法包括以下步骤：

步骤1：CPU控制器输出两路方波信号通过防护电路控制输出管理模块的正常输出工作；

步骤2：当所述CPU控制器检测到软件故障时，自动停止方波信号的输出，停止为输出管理模块供电，进而控制停止外部设备的操作。

步骤2中检测软件故障的步骤如下：

步骤2-1：当出现软件时序异常时，软件无法将定时中断函数中的计数累加值清零，导致计算累加值超过设定的门限值；

步骤2-2：定时器中断服务函数检测到计算累加值超过设定的门限值，判定为软件故障，并停止方波信号的输出。

检测软件故障的原理是：CPU处理器的定时器中断服务函数设置了中断次数的计数累加逻辑，当软件正常运行时，每周期都会将该计数值清零，因此该计数值不会超过软件周期对应的最大值；当CPU处理器因内部硬件故障或软件缺陷等原因出现软件时序异常时，软件无法维持原周期方式运行，从而不能将定时中断函数中的计数累加值清零，并导致该累加值超过设定的门限值，定时器中断服务函数会检测到超限异常，并停止方波信号的输出。因此实现了在软件异常时执行终端停止输出外部控制信号的受控管理。

本发明采用专用的开关输出执行电路，用于在当该电路中某个元器件出现各种模式的失效时，输出导向固定状态，即停止输出。同步记录停止输出的时刻以及对应的已执行的输出量，这样可保证整个数字控制系统的输出受控，且具备记忆功能，可在故障消除后继续执行未完成的操作，确保对整个农作物环境的控制和农作物要素的控制是闭环的、完整的，从而实现对硬件故障的防护。

对控制执行终端开关量输出的软件进行时序监控和管理。当软件中存在某种故障，或者因外部电磁干扰导致程序执行异常或跑飞，本实施例可监控进程发现异常并将开关量输出导向固定可控状态（停止），从而实现对软件故障的防护。

本实施例硬件故障和软件异常状态可检测，并通过网络方式传输到控制中心，实现对数字化系统的远程管理，减少人工检测的工作。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。