多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫浩然，徐曉輝，張圣明，蘇彥莽，李婉寧，張鈺輝（河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300401）

多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫浩然，徐曉輝，張圣明，蘇彥莽，李婉寧，張鈺輝
（河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300401）

隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展，溫室控制的自動化越來越重要。溫室中的各個監(jiān)控區(qū)域距離在幾十到上千米之間，它們與溫室操作人員距離較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的獨(dú)立控制往往不方便。為了便于控制和數(shù)據(jù)管理，需要建立分布式溫室控制系統(tǒng)進(jìn)行集中測控。本系統(tǒng)選用合適的傳感器和單片機(jī)進(jìn)行環(huán)境采集，并通過搭建RS-485總線來連接各個采集點(diǎn)與用戶PC端，實(shí)現(xiàn)對多個溫室環(huán)境的采集，然后將數(shù)據(jù)上傳到用戶PC客戶端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PC客戶端可以方便高效地對多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的溫室進(jìn)行綜合測控。

RS-485總線；智能溫室；多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；監(jiān)控系統(tǒng)

土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、CO2濃度和光照度等因素，對作物生長起著關(guān)鍵性作用。溫室能為作物提供相對穩(wěn)定、適宜的生長環(huán)境。用多個傳感器和具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器等構(gòu)成一個獨(dú)立的溫室控制系統(tǒng)，來測量和控制單個溫室相應(yīng)環(huán)境參數(shù)，使植物獲得生長的最佳條件。然而，在實(shí)際中，一個農(nóng)場往往由多個獨(dú)立溫室組成，各個溫室可能有不同環(huán)境參數(shù)要求。為了便于監(jiān)控管理，數(shù)據(jù)分析以及節(jié)約系統(tǒng)布置成本，將多個這樣的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)構(gòu)成多網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是建立基于RS-485總線的傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對多個溫室進(jìn)行環(huán)境檢測與控制。其中，控制具有自動控制和用戶手動控制兩種模式。本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核心模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制執(zhí)行器、GSM模塊等組成；軟件部分由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核心處理系統(tǒng)以及PC客戶端組成。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核心模塊能夠直接處理來自采集模塊的數(shù)據(jù)，并對執(zhí)行器發(fā)出控制指令，亦可接收來自PC客戶端的主動控制指令。采集模塊負(fù)責(zé)采集空氣濕度、溫度，CO2濃度，土壤濕度，光照強(qiáng)度等溫室環(huán)境參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核心模塊獲取環(huán)境參數(shù)后通過RS-485總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C客戶端。系統(tǒng)可以通過GSM向手機(jī)端傳遞溫室基本信息和警報(bào)信息。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)各模塊設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境參數(shù)采集模塊

在環(huán)境采集中，不同的傳感器模塊具有不同的輸出特性，本系統(tǒng)采用了多種采集方式，如電流、數(shù)字信號、電壓，系統(tǒng)具有可拓展性。

2.1.1 土壤水分傳感器

土壤濕度傳感器選用基于 FDR（Frequency Domain Reflectometry）頻域反射技術(shù)的濕度傳感器，具體型號為TDR-3。它主要利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在土壤中傳播的頻率來測試土壤的表觀靜電常數(shù)，從而得到土壤體積含水量[3]。

因?yàn)橥粋€溫室里土壤濕度分布不均勻，所以每個節(jié)點(diǎn)需要采集多個地點(diǎn)的土壤濕度。一片區(qū)域中某些采集點(diǎn)距離單片機(jī)片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換模塊較遠(yuǎn)，所以需要利用電流傳輸采集的濕度信息并在單片機(jī)端轉(zhuǎn)換成電壓量再進(jìn)行AD采集。TDR-3A的輸出電流為4～20 mA。Kinetis系列單片機(jī)AD采集的參考電壓為3.3 V，需要增加一個轉(zhuǎn)換電路，使4～20 mA的電流量轉(zhuǎn)換為最高3.3 V的電壓量。轉(zhuǎn)換電路使用MCP6002和一個165 Ω電阻，如圖2電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖2 電流信號轉(zhuǎn)電壓信號的電路

2.1.2 溫度傳感器

系統(tǒng)對溫室的大氣溫度與土壤溫度分別進(jìn)行采集。溫度傳感器采用DS18B20。DS18B20具有單線接口方式，在與單片機(jī)連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊，且每一個傳感器都有獨(dú)立的編碼。

DS18B20具有外部供電和寄生供電兩種模式。如果采用寄生供電，在溫度較高的時候內(nèi)部供電電容會存在較大的漏電流。本系統(tǒng)的每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都需要連接多個DS18B20，所以采用外部供電才能滿足電流需求，連接方式如圖3所示。

圖3 溫度傳感器總線連接方式

2.1.3 CO2濃度傳感器

采用NDIR技術(shù)的B530 CO2濃度傳感器是一款電壓量輸出模塊。其線性度好，靈敏度高。測量范圍從0%～10%，且對應(yīng)的電壓輸出為0.5～4.5 V。圖4為該傳感器的輸出特性曲線，滿足現(xiàn)場需求。

圖4 B530輸出特性曲線

2.2 GSM通信模塊

GSM通信在移動通信方式中具有技術(shù)成熟穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛、布置成本較低的優(yōu)點(diǎn)，即使偏遠(yuǎn)種植區(qū)或林區(qū)也有信號覆蓋。利用GSM模塊將環(huán)境參數(shù)采集模塊采集到的異常信息以短消息的形式及時傳送到手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端對溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，為用戶提供預(yù)警。

2.2.1 GTM900C模塊硬件連接

本系統(tǒng)選用GTM900C模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令和V2.5AT指令，能提供短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能。應(yīng)用在農(nóng)業(yè)控制領(lǐng)域價格比較合適，利用GSM通信切實(shí)可行。

在本系統(tǒng)中，將GSM模塊與單片機(jī)連接，通過UART進(jìn)行串行通信，通信采用默認(rèn)速率，9600 bit/s。GTM900C模塊有40個引腳，其中主要引腳與K60單片機(jī)連接方式如表1所示。

表1GTM900C主要引腳接法

2.2.2 GSM模塊程序設(shè)計(jì)

溫室系統(tǒng)的短信報(bào)警觸發(fā)由上位機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定的閾值來決定。當(dāng)任意節(jié)點(diǎn)采集到超出正常范圍的環(huán)境參數(shù)時，由上位機(jī)向總線發(fā)出短信警報(bào)指令給GSM模塊。

為了系統(tǒng)工作穩(wěn)定，GSM模塊上電半分鐘后，單片機(jī)再發(fā)送設(shè)置短信上報(bào)機(jī)制的指令。初始化完成后，因?yàn)槭彝猸h(huán)境相對不穩(wěn)定，單片機(jī)發(fā)送AT控制指令時采用多次發(fā)送的方式，如果經(jīng)過20次發(fā)送仍然沒有得到正確響應(yīng)，則亮起故障指示燈。程序流程圖如圖5所示。

圖5GSM模塊程序框圖

3 多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)RS485通信設(shè)計(jì)

將各個設(shè)備（溫室網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、PC客戶端等）都連接在RS-485通信總線上。總線采用差分信號負(fù)邏輯方式，具有抑制共模干擾的特點(diǎn)。最大通信距離為1.219 km，能夠滿足溫室監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場使用條件。

3.1 RS-485總線通信與其他硬件電路搭接

該設(shè)計(jì)采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)，而各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)所發(fā)送的都是TTL電平，故需要在節(jié)點(diǎn)與總線間連接MAX485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為485電平。反之，與總線連接的上位機(jī)能夠接受的是TTL電平，故還需將電路中485總線與上位機(jī)連接處接入MAX485芯片，將485電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。通信總線采用屏蔽雙絞線連接，可以有效地避免共模干擾。

為了方便電路設(shè)計(jì)，將該電路分為了電源、232電平轉(zhuǎn)換、和485電路3個模塊。該電路采用了無源RS232/RS485芯片，可以將RS-232串行口的TXD和RXD信號轉(zhuǎn)換成平衡的半雙工的RS-485信號。MAX485和HIN232P芯片可以從PC端RS-232接口的DTR端和RTS供電，因此無需額外電源。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得，232串口的RTS和DTR針腳輸出高電平時大約能提供18 mA的電流，完全滿足整個電路的需求。

3.2 控制系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

3.2.1 RS-485通信協(xié)議

通信協(xié)議包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層功能包含串并轉(zhuǎn)換、起始位、校驗(yàn)位、停止位。Linux系統(tǒng)驅(qū)動程序已經(jīng)很成熟，實(shí)現(xiàn)了物理層所有功能。

鏈路層由數(shù)據(jù)幀和特殊功能幀組成。其中數(shù)據(jù)幀依次包含起始位（0x7E）、源地址（1 Byte）、目的地址（1 Byte）、數(shù)據(jù)長度（1 Byte）、數(shù)據(jù)段（0Byte～255 Byte）、CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)（1 Byte）、停止符（0x7D）。源地址和目的地址用于尋址，每個節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)都有唯一的地址，用于區(qū)分主機(jī)與其它節(jié)點(diǎn)，0xFF作為廣播地址。數(shù)據(jù)段的長度由數(shù)據(jù)長度位控制，最大255 BVFyte，通常一個現(xiàn)場的溫室節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過32個，每個節(jié)點(diǎn)包含的環(huán)境參數(shù)信息不超過10個，所以最大255字節(jié)足夠。對于數(shù)據(jù)段大于255 Byte的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分幀傳輸，每完成一幀發(fā)送后等待接收應(yīng)答，確認(rèn)后繼續(xù)發(fā)送下一幀。

特殊功能幀包含申請幀 （0xB1）、總線釋放幀（0xB0）、確認(rèn)幀（0xAA）?？偩€上同一時刻只能有一個節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，否則會引起沖突。若收到0xB1，則總線繁忙狀態(tài)置1；若為0xB0則狀態(tài)置0。

3.2.2 手動控制協(xié)議設(shè)計(jì)

上位機(jī)收到節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)后會存貯數(shù)據(jù)并顯示。用戶可以利用上位機(jī)將溫室系統(tǒng)切換到手動模式，通過發(fā)送特定的節(jié)點(diǎn)的地址編號，對相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接控制?？刂茀f(xié)議數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 控制段數(shù)據(jù)單元

表2中的控制指令說明如下：Oder，為指令編號，由主機(jī)發(fā)出，0x01表示控制灌溉，0x02表示啟用GSM模塊報(bào)警；ConPort，按端口進(jìn)行控制；ConT，開啟端口的持續(xù)時間，單位為秒，此位對GSM模塊無效。

4 結(jié)束語

本文論述了基于RS-485總線對多個溫室進(jìn)行智能控制的方案。每個溫室節(jié)點(diǎn)既是獨(dú)立的控制閉環(huán)系統(tǒng)，也是能受用戶端手動控制的一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。短信預(yù)警功能穩(wěn)定、成本較低，切合實(shí)際需求，本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中受到用戶好評。

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Design of the intelligent control system for greenhouse with multiple network nodes

MO Hao-ran，XUN Xiao-hui，ZHANG Sheng-ming，SU Yan-mang，LI Wan-ning，ZHANG Yu-hui
（School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

Modern greenhouse usually adopts distributed detection and control system.And the distance between two monitoring areas is ranging from a few tens of meters to several kilometers.These greenhouses are far away from greenhouse operators.For this system，collection points and user sides are connected by RS-485 bus.Thus，the greenhouse environment is collected by multiple collection points and the related data is uploaded to the PC side of users.In addition，in case of abnormal environment parameters，text-message alerts will be sent.

RS-485 bus；intelligent greenhouse；multiple network nodes；monitor system.

TN<711.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A class="emphasis_bold">711.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674－6236（2017）07-0144-04711.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1674－6236（2017）07-0144-04

A 文章編號：1674－6236（2017）07-0144-04

2016-05-19稿件編號：201605186

河北省科技支撐計(jì)劃（16220308D）；石家莊市科技支撐計(jì)劃（161130032A）；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410080028）

莫浩然（1993—），男，重慶人。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。