基于RS-485總線(xiàn)的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

吳曉云，李亞文，楊濱峰

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西 商洛 726000）

植物生長(zhǎng)需要一個(gè)適宜的環(huán)境，在可控環(huán)境下，可以不分季節(jié)、不分地區(qū)地種植所需要的植物。溫室作為植物生長(zhǎng)的環(huán)境，其內(nèi)部的因子（如溫度、濕度、光照度和CO2濃度等）是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。所以，對(duì)溫室環(huán)境因子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不僅可以為分析環(huán)境與植物生長(zhǎng)之間的關(guān)系提供依據(jù)，而且為實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境控制奠定基礎(chǔ)[1]。

在規(guī)模生產(chǎn)中，一般使用多座溫室，溫室之間在空間上相對(duì)分散，且與計(jì)算機(jī)監(jiān)控室也存在一段距離，信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)達(dá)幾十米甚至上千米，分布在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與操作人員之間有大量的數(shù)據(jù)傳輸，采用一般的傳輸線(xiàn)通信由于速度比較慢、通信質(zhì)量不高、抗干擾能力差，往往達(dá)不到要求[2]。

在這種情況下，采用串行總線(xiàn)技術(shù)來(lái)構(gòu)成溫室環(huán)境遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是一種較好的技術(shù)。RS-485總線(xiàn)技術(shù)比較簡(jiǎn)單、總線(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、成熟易于實(shí)現(xiàn)，且總線(xiàn)傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性較好、支持多點(diǎn)通信等優(yōu)點(diǎn)。所以本文介紹采用RS-485構(gòu)成溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要用于溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等環(huán)境因子的自動(dòng)采集，對(duì)溫室的異常情況進(jìn)行故障初發(fā)期的報(bào)警處理，為控制植物生長(zhǎng)環(huán)境所需的溫度、濕度、光照度和CO2濃度奠定基礎(chǔ)[3]。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

溫室環(huán)境遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎肦S-485總線(xiàn)方式，系統(tǒng)以PC機(jī)為主機(jī)，以RM417模塊為從機(jī)，二者通過(guò)RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換器連接，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Network topology of the greenhouse environmental data acquisition system

系統(tǒng)采用主從方式進(jìn)行多機(jī)通信，每個(gè)從機(jī)擁有自己固定的地址，由主機(jī)控制完成網(wǎng)上的每一次通信。網(wǎng)絡(luò)的連接線(xiàn)采用雙屏蔽線(xiàn)，圖1中的R為平衡電阻，R=120 Ω，通信波特率為9 600 bit/s，串行數(shù)據(jù)格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。主機(jī)呼叫某一從機(jī)時(shí)，會(huì)向網(wǎng)上發(fā)出從機(jī)的地址，所有從機(jī)接收到該地址，先與自己的地址比較，如果地址相符，說(shuō)明主機(jī)在呼叫自己，則將采集到的溫度、濕度、光照度和CO2濃度數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上，如果地址不相符，則不予理睬，繼續(xù)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。通信結(jié)束后，所有從機(jī)繼續(xù)處于監(jiān)聽(tīng)和等待呼叫狀態(tài)[4]。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 傳感器

1）溫、濕度傳感變送器

本系統(tǒng)的室內(nèi)外溫、濕度傳感變送器選用E+E公司的產(chǎn)品HCT01，溫度測(cè)量范圍：-25～60℃，精度±0.2攝氏度，相對(duì)濕度測(cè)量范圍：0～100%RH，精度±2.5%RH，輸出信號(hào)：4～20 mA。HCT01溫濕度傳感器接口電路如圖2所示。在串行時(shí)鐘輸入SCK于單片機(jī)的P0.4口連接，用于處理微處理器與傳感器之間的同步通信，串行數(shù)據(jù)線(xiàn)DATA與單片機(jī)P0.5口連接，用于讀取數(shù)據(jù)，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平，采用一個(gè)4.7 kΩ的上拉電阻將信號(hào)拉至高電平。

圖2 溫濕度傳感器接口電路Fig.2 Interface circuit of temperature and humidity sensor

2）CO2傳感變送器

從精度、可靠性和使用方便等方面考慮，本系統(tǒng)選用VAISALA公司的GMW22D紅外式CO2傳感變送器，測(cè)量范圍：0～2 000x10-6，精度：小于±20x10-6+讀數(shù)的 1.5%，重復(fù)性：小于±20x10-6，穩(wěn)定性：小于±20x10-6/5年，輸出信號(hào)：0～20 mA。CO2傳感器接口電路如圖3所示，電源線(xiàn)采用12 V電源輸入，由于單片機(jī)P1口具有A/D轉(zhuǎn)換功能，將數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的 P1.1口連接即可，微處理器處理的DATA應(yīng)在高電平，所以電路中接10K的下拉電阻將數(shù)據(jù)口拉至低電平。

圖3 CO2傳感器接口電路Fig.3 Interface circuit of CO2sensor

3）光照傳感變送器

光照傳感變送器選用NHZD10CI，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，測(cè)量范圍：0～2 000 Klx，輸出信號(hào)4～20 mA，再經(jīng)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。電流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。 流過(guò)反饋電阻 Rf的電流等于（UO-UN）/Rf，與 UN/R1+（UNUf）/R5相等。 由此可得輸出電壓 UO=（1+Rf/R1+Rf/R5）*UN-（R4/R5）/Uf，由于集成運(yùn)放滿(mǎn)足虛短，即 UN=UP=Ii*s4，用 UP代替 UO表達(dá)式中的 UN，若 R4=200 Ω，R1=18 kΩ，則 UO=0.313*Ii-1.250，當(dāng)輸入為4～20 mA電流信號(hào)時(shí)，輸出為0～5 V電壓信號(hào)。

圖4 電流電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.4 I/V circuit

2.2 RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換器

本系統(tǒng)采用無(wú)源RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)S-232串行口的TXD和RXD信號(hào)轉(zhuǎn)換成平衡的半雙工的RS-485信號(hào)。232電平轉(zhuǎn)換電路選擇使用HIN232芯片，485電路采用MAX485集成電路，該芯片通過(guò)RE和DE兩個(gè)引腳來(lái)控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。轉(zhuǎn)換電路如5所示，在本電路使用TX線(xiàn)和HIN232的9腳及Q5來(lái)控制MAX485的狀態(tài)切換。當(dāng)N1H232芯片的9腳輸出高電平時(shí)，加在Q5的基極，經(jīng)過(guò)Q5反相后，從Q5的集電極輸出低電平，使MAX485的RE和DE也為低電平，此時(shí)MAX485就處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng)PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，NIH232的9腳輸出低電平，加在Q5的基極，經(jīng)過(guò)Q5反相后，從Q5的集電極輸出高電平，使MAX485的RE和DE也為高電平，此時(shí)MAX485就處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)[5]。

2.3 繼電器控制電路

繼電器控制電路見(jiàn)圖6所示，采用SRD-05VDC-SL-C固態(tài)繼電器，三極管組成共集電極放大電路，二極管D2起保護(hù)作用，由單片機(jī)P3.6口產(chǎn)生繼電器觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)P3.6口輸出低電平時(shí)，繼電器閉合，指示燈亮，外接電器開(kāi)始工作。當(dāng)P3.6口輸出高電平時(shí)，繼電器斷開(kāi)，指示燈滅，外接電器停止工作[6]。

圖5 232轉(zhuǎn)485模塊電路Fig.5 232 to 485 circuit

圖6 繼電器控制電路Fig.6 Relay control circuit

2.4 前端數(shù)據(jù)采集器

前端數(shù)據(jù)采集器為中泰研創(chuàng)公司生產(chǎn)的RM417遠(yuǎn)端模擬量采集模塊，該模塊為16路模擬量輸入，12位A/D轉(zhuǎn)換。一條485總線(xiàn)最多可以接16個(gè)RM模塊，每個(gè)RM417有16位通道。該模塊讀指令格式為：@+站號(hào)+R。@是指令標(biāo)示符；站號(hào)也叫模塊號(hào)或者模塊地址，從00～15；R指明操作類(lèi)型為讀操作。指令返回?cái)?shù)據(jù)總共66位，前64位為16位通道上的數(shù)據(jù)，最后兩位為校驗(yàn)碼。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

在溫室環(huán)境遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的幀格式編寫(xiě)的數(shù)據(jù)采集通信軟件，通過(guò)物理層最終完成主機(jī)與從機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。系統(tǒng)主機(jī)為PC機(jī)，從機(jī)為前端數(shù)據(jù)采集器，主機(jī)與從機(jī)的通信采用半雙工方式，主機(jī)具有發(fā)送命令，接收和顯示數(shù)據(jù)、查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)、曲線(xiàn)顯示、存儲(chǔ)打印、對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行標(biāo)度變換、數(shù)字濾波等預(yù)處理功能[7]。從機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和上傳數(shù)據(jù)等任務(wù)[8]。溫室環(huán)境遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件采用VC語(yǔ)言編程，采用層次模型組織數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

進(jìn)入主界面后的主機(jī)操作流程如圖8所示。

3.2 通信控制程序設(shè)計(jì)

RS-485接口大多數(shù)是基于RS-232接口與電腦進(jìn)行通信，485協(xié)議的編程多數(shù)是基于串口編程的，RS-485支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)半雙工通信。因此系統(tǒng)采用半雙工異步通信，串行控制模塊使用了串行中斷和定時(shí)中斷0實(shí)現(xiàn)了串行控制的功能，在通信協(xié)議中詳細(xì)規(guī)定了控制命令幀、參數(shù)幀、地址幀、數(shù)據(jù)信息幀、應(yīng)答幀、校驗(yàn)碼等格式[9]。RS-485通信模塊流程圖如圖9所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.7 Software structure of data acquisition system

圖8 主機(jī)監(jiān)測(cè)操作流程圖Fig.8 Flow chart of host monitoring operation

圖9 RS-485模塊通信流程圖Fig.9 Flow chart of RS-485 communication module

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于RS-485總線(xiàn)型溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境因子（溫濕度、CO2濃度測(cè)量、光照強(qiáng)度）的采集經(jīng)過(guò)RS-485總線(xiàn)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并能通過(guò)控制模塊電路對(duì)外圍設(shè)備的調(diào)控將溫室內(nèi)的環(huán)境因子控制在作物生長(zhǎng)的最佳范圍，并能對(duì)環(huán)境因子設(shè)定閾值，超出閾值范圍將啟動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)作為一種便捷的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有較好的可移植性，在后續(xù)的研究中可以采用模糊控制算法作為系統(tǒng)的控制策略，設(shè)計(jì)出溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模糊控制器，也可以加入其他所需的傳感器，實(shí)現(xiàn)其他參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸[11]。

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