智能溫室育苗房環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石英

摘 要：針對(duì)智能溫室育苗房PLC控制系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的智能溫室育苗房環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過控制傳感器對(duì)溫室育苗房?jī)?nèi)的溫度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行多點(diǎn)采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算、處理，然后以Modbus格式，通過RS-485總線上傳至PLC系統(tǒng)，作為控制依據(jù)，并上傳至PC機(jī)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)存檔。該系統(tǒng)已應(yīng)用于黑龍江墾區(qū)的智能溫室育苗房中，具有成本低、可靠性高、采集接口多、可傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能溫室育苗房 單片機(jī) 傳感器 RS-485 PLC

中圖分類號(hào)：TP273.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（a）-0091-04

溫室育苗技術(shù)可以有效降低病蟲草害、抵御自然災(zāi)害，有利于提高幼苗的成活率和質(zhì)量；解決了優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種生育期長和無霜期短的矛盾，使優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種的推廣得到了可靠的技術(shù)保證，特別在寒冷期較長的北方，溫室育苗技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。傳統(tǒng)溫室育苗房主要依靠人工管理，成本高、效率低、數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)性。為了方便、高效、科學(xué)化的管理，溫室育苗房正向著智能化方向發(fā)展。智能溫室育苗房PLC控制系統(tǒng)，主要包括環(huán)境參數(shù)采集和環(huán)境參數(shù)控制兩部分，溫室環(huán)境參數(shù)控制是建立在溫室環(huán)境參數(shù)采集基礎(chǔ)之上。PLC控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的獲取溫室育苗房?jī)?nèi)的溫度、濕度、光強(qiáng)、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，然后控制相應(yīng)的執(zhí)行單元改變環(huán)境參數(shù)，進(jìn)而確保溫室內(nèi)的環(huán)境適合幼苗生長。

該文針對(duì)PLC控制系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)了一種以C8051單片機(jī)為核心的環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)有多種、多路傳感器接口，可以通過外接傳感器，對(duì)溫室育苗房?jī)?nèi)的溫度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行多點(diǎn)采集，采集到的數(shù)據(jù)以Modbus格式，通過RS-485總線上傳至PLC系統(tǒng)，作為PLC系統(tǒng)控制執(zhí)行單元的依據(jù)，并上傳至PC端進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)存檔。該系統(tǒng)具有成本低，可靠性高、采集接口多、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。

1 PLC智能溫室育苗房環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)

PLC智能溫室環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)主要由環(huán)境參數(shù)采集單元、PLC、PC機(jī)和執(zhí)行單元5個(gè)核心部分構(gòu)成。環(huán)境參數(shù)采集模塊是對(duì)溫室中的溫度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，為PLC控制系統(tǒng)提供溫室環(huán)境中各項(xiàng)參數(shù)信息，作為控制系統(tǒng)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)設(shè)備的依據(jù)，是整個(gè)溫室控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分。PLC作為控制系統(tǒng)的核心，主要用于動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化，根據(jù)農(nóng)作物生長的需求匹配參數(shù)，同時(shí)完成與上位機(jī)的通信。PC機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控終端，負(fù)責(zé)對(duì)溫室環(huán)境信息進(jìn)行顯示與存檔，將當(dāng)前環(huán)境信息與適合農(nóng)作物生長環(huán)境信息進(jìn)行比對(duì)，發(fā)出相應(yīng)命令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)設(shè)備工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括很多可以改變環(huán)境參數(shù)的設(shè)備，如加熱設(shè)備、降溫設(shè)備、CO2生成設(shè)備等，其作用是負(fù)責(zé)執(zhí)行監(jiān)控終端發(fā)來的相應(yīng)指令，運(yùn)行相應(yīng)的設(shè)備，進(jìn)而改變環(huán)境中相應(yīng)的參數(shù)。

2 環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)硬件電路主要包括C8051F345單片機(jī)系統(tǒng)電路、傳感器接口電路、RS-485電平轉(zhuǎn)換電路、供電電路4個(gè)核心部分。溫度傳感器采用單總線數(shù)字輸出的DS18B20，DS18B20自制成干濕球溫度傳感器，通過獲取干濕球溫度可以計(jì)算出相對(duì)濕度值。光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度傳感器，分別采用高靈敏度電流輸出的GZD-AI-200000光照強(qiáng)度變送器和LCO2-AI-5二氧化碳濃度變送器。單片機(jī)采用工業(yè)級(jí)C8051F345芯片。C8051F345具有豐富的外設(shè)接口，內(nèi)部集成了A/D模塊、上電復(fù)位模塊、時(shí)鐘振蕩器等功能模塊，并具有64 KB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器和多達(dá)4 352字節(jié)片內(nèi)RAM。采用高度集成的C8051F345芯片，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低硬件設(shè)計(jì)成本。

2.1 C8051F345單片機(jī)系統(tǒng)電路

C8051F345單片機(jī)采用3.3 V供電，時(shí)鐘源采用高精度、可編程控制的12 MHz內(nèi)部晶振，復(fù)位方式采用內(nèi)部的上電復(fù)位電路，P2.0-P2.3、P2.5、P4.0作為6路模擬輸出二氧化碳傳感器接口，P2.6、P3.0、P3.1、P3.4、P3.5、P4.3-P4.5作為8路模擬輸出光照強(qiáng)度傳感器接口，P0.0-P0.2、P0.6、P0.7、P1.0-P1.4、P1.6、P1.7、P2.4、P2.7、P3.2、P3.3作為16路數(shù)字輸出溫度傳感器接口，UART1用作通信接口，采用C2二線開發(fā)接口加載調(diào)試程序。C8051F345系統(tǒng)電路見圖1。

2.2 傳感器接口電路

環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)有14個(gè)DB9接頭的A/D轉(zhuǎn)換接口和4個(gè)自制接頭的單總線接口。每個(gè)自制接頭的單總線接口可以外接4個(gè)DS18B20溫度傳感器。A/D轉(zhuǎn)換接口電路和單總線接口電路如圖2、圖3所示。單總線接口電路為了穩(wěn)壓、濾除干擾設(shè)有穩(wěn)壓管和濾波電容、濾波電阻。綜合考慮了靈敏度和采樣電壓限制，A/D轉(zhuǎn)換接口電路中電流轉(zhuǎn)電壓的電阻采用160 Ω精密電阻。

2.3 RS-485電平轉(zhuǎn)換電路

環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)、PLC、PC終端之間的通信距離較遠(yuǎn)，因此采用RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3075，該芯片工作電壓為3.3 V，EN端口與處理器管腳相連，作為數(shù)據(jù)收發(fā)控制信號(hào)，收發(fā)管腳RD、DI分別串入10 Ω電阻，過濾信號(hào)，管腳A、B之間接入120 Ω電阻，進(jìn)行阻抗匹配。RS-485電平轉(zhuǎn)換電路見圖4。

2.4 供電電路

環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)采用24 V直流供電，經(jīng)共模電感，LC濾波電路后作為光照強(qiáng)度傳感器和二氧化碳濃度傳感器的供電電源，24 V先經(jīng)DC-DC降壓變換獲得5 V電源，然后5 V經(jīng)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后獲得3.3 V電源，3.3 V作為處理器C8051F345、溫度傳感器、RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片的供電電源。為了防止電源反插造成芯片損壞，在干路上設(shè)有二極管。供電電路見圖5。

3 環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能函數(shù)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件程序主要由主函數(shù)程序、干濕球溫度采集模塊程序、AD采樣模塊程序和串口通信模塊程序組成，各功能模塊軟件流程圖見圖6。其中主函數(shù)程序主要負(fù)責(zé)各功能模塊的初始化和數(shù)據(jù)采集、傳輸順序的控制。干濕球溫度采集函數(shù)用來完成16路DS18B20溫度傳感器的數(shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)換。A/D采樣函數(shù)用來采集6路二氧化碳濃度傳感器和8路光照強(qiáng)度傳感器輸出的模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)值。串口通信函數(shù)用來完成數(shù)據(jù)的打包以及與PLC控制器、PC機(jī)通信。

3.2 通信協(xié)議

為了確保數(shù)據(jù)通信時(shí)的準(zhǔn)確可靠，該系統(tǒng)基于Modbus協(xié)議約定了數(shù)據(jù)上傳格式，數(shù)據(jù)格式如表1所示。

共30路數(shù)據(jù)，每路2個(gè)字節(jié)，高字節(jié)先傳，其中第1～16路為干濕球溫度信息，第17～22路為二氧化碳?xì)怏w濃度信息，第23～30路為光照度數(shù)據(jù)，共66個(gè)字節(jié)。如下所示，示例：55 03 AA 3C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0A 35。高低2個(gè)字節(jié)組成一個(gè)short型數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)除以10表示實(shí)際測(cè)量溫度值，二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)乘以10表示實(shí)際二氧化碳濃度和光照度值，0表示沒有檢測(cè)到傳感器。流水號(hào)“N+1”用于識(shí)別是否同一組數(shù)據(jù)重發(fā)。設(shè)發(fā)送一組采集數(shù)時(shí)，用數(shù)字“N”，如果該組數(shù)據(jù)重發(fā)，則重發(fā)時(shí)仍用N，如果發(fā)送新的一組數(shù)據(jù)，則用N+1，以此類推。因?yàn)椴徊捎脩?yīng)答機(jī)制，為提高準(zhǔn)確度，故每采集一組數(shù)據(jù)，應(yīng)向上位機(jī)發(fā)送2次。每組數(shù)據(jù)最后2個(gè)字節(jié)為循環(huán)冗余碼校驗(yàn)位。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

溫室育苗房環(huán)境采集系統(tǒng)實(shí)物圖見圖7，PLC系統(tǒng)控制及顯示界面見圖8。該系統(tǒng)溫度測(cè)量范圍0 ℃～60 ℃，測(cè)量精度±0.1 ℃；二氧化碳濃度測(cè)量范圍0～5 000 ppm，測(cè)量精度±6 ppm；光照強(qiáng)度測(cè)量范圍0～200 000 lux，測(cè)量精度±250 lux；最遠(yuǎn)傳輸距離1 000 m。

5 結(jié)語

該文根據(jù)智能育苗房PLC控制系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)多點(diǎn)采集與傳輸?shù)墓δ?。?jīng)過實(shí)地測(cè)試，該系統(tǒng)滿足PLC控制系統(tǒng)的需求，并具有良好的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋福金.寒地水稻兩段式育苗高產(chǎn)栽培技術(shù)研究[D].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2006.

[2] 劉廣信.水稻大棚育苗插秧技術(shù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009（9）： 194-198.

[3] 邢麗英.寒地稻作區(qū)水稻大棚育苗技術(shù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（13）：63-66.