基于Modbus-RTU的花卉育種溫室灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)花卉對(duì)按需灌溉和生長(zhǎng)環(huán)境的需求及PLC模擬量輸入、輸出模塊數(shù)量有限等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于西門子S7-200 SMART系列PLC為核心的灌溉控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)利用Modbus-RTU通信，采用輪詢的方式采集變頻器、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度及土壤電導(dǎo)率等參數(shù)，控制變頻器運(yùn)行頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉的按需灌溉，并利用工業(yè)以太網(wǎng)把相關(guān)參數(shù)上傳至MCGS觸摸屏進(jìn)行精細(xì)化管理。

關(guān)鍵詞：Modbus-RTU;灌溉;PLC;溫濕度;光照度;電導(dǎo)率

中圖分類號(hào)：F301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（ 2020）12-0164-03

DOI：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.036

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)溫室大棚中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的精耕細(xì)作與現(xiàn)代信息技術(shù)、智能裝備技術(shù)的深度融合。

在農(nóng)業(yè)智能灌溉控制方面，王福平等[1]、李興澤等[2]為了解決農(nóng)村農(nóng)業(yè)灌溉質(zhì)量不高，能源利用率低等問(wèn)題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PLC控制技術(shù)和GPRS技術(shù)，以GPRS+Zigbee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)為核心，設(shè)計(jì)了以主從模式的灌溉泵站的控制、田間環(huán)境參數(shù)的采集等智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng);在花卉育種溫室環(huán)境控制方面，龍建明等[3]、李燕飛等[4]通過(guò)基于STC單片機(jī)為核心控制器開發(fā)的溫室控制系統(tǒng)，取得了較好的溫濕度控制效果，但單片機(jī)系統(tǒng)相對(duì)開發(fā)周期較長(zhǎng)、且后期維護(hù)較困難的缺點(diǎn)仍然無(wú)法徹底解決。為解決單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)及維護(hù)方面的不足，張伏等[5]提出用西門子S7-200系列PLC（CPU模塊）和EM235模擬量模塊，開發(fā)PLC控制系統(tǒng)對(duì)溫室溫濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集并實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室花卉育苗環(huán)境的控制，但模擬量模塊擴(kuò)展數(shù)量不足的缺點(diǎn)仍然無(wú)法解決。

鑒于此，針對(duì)農(nóng)業(yè)智能灌溉和花卉育種溫室環(huán)境監(jiān)控兩個(gè)方面的需求，以西門子S7-200 SMART系列PLC為控制核心，利用Modbus-RTU通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)作物用水的按需灌溉和溫室環(huán)境調(diào)節(jié)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

花卉育種溫室灌溉控制系統(tǒng)結(jié)合了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、PLC控制技術(shù)等，通過(guò)PLC對(duì)花卉育種溫室大棚內(nèi)的相關(guān)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和對(duì)灌溉用水的按需自動(dòng)調(diào)節(jié)，為花卉提供較理想的生長(zhǎng)環(huán)境，滿足花卉育種溫室的生產(chǎn)要求。

1.1 總體方案

控制系統(tǒng)采用MCGS觸摸屏和西門子S7-200SMART系列PLC作為主控制器，通過(guò)PLC自帶的RS485接口，利用Modbus-RTU通信實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境傳感器信息的采集、變頻器控制水泵機(jī)組按需運(yùn)行，并利用以太網(wǎng)將信息上傳到溫室大棚的觸摸屏中，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚智能灌溉和環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)總體示意圖如圖1所示。

1.2 控制策略

1）灌溉控制策略。農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化，主要是依靠控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)環(huán)境參數(shù)的智能化分析，為了科學(xué)地灌溉，需要對(duì)溫室內(nèi)的花卉生長(zhǎng)情況做統(tǒng)計(jì)分析。不同種類的花卉育苗在不同溫度、光照度等環(huán)境條件下對(duì)于灌溉要求是多樣的，而且同種花卉植株在不同生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)于水分的要求也不同，此外土壤質(zhì)地對(duì)水分也有很大影響[6]。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得出花卉等植物的需水量生長(zhǎng)模型，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上確定溫室灌溉規(guī)則（圖2）。

2）花卉育苗溫室環(huán)境控制策略。在溫室環(huán)境控制策略中，主要是對(duì)溫室環(huán)境的溫度、濕度和光照度等參數(shù)的調(diào)節(jié)控制，其中根據(jù)季節(jié)不同，溫度、濕度控制有著明顯不同的優(yōu)先級(jí)，夏季以濕度控制優(yōu)先，溫度控制為輔;冬季以溫度控制優(yōu)先，濕度控制為輔[7，8]。在保證溫濕度控制優(yōu)先的情況下，調(diào)節(jié)光照度控制，實(shí)現(xiàn)花卉育苗溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控（圖3）。

1.3 控制系統(tǒng)的PLC實(shí)現(xiàn)

1）控制網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)?；ɑ苡N溫室控制系統(tǒng)以西門子PLC為控制器，利用S7-200 SMART PLC自帶的RS485通信口構(gòu)成Modbus-RTU通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器、傳感器之間信息的遠(yuǎn)程傳輸[9，10]PLC自帶工業(yè)以太網(wǎng)口（PN口）與MCCS觸摸屏之間實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作和溫室信息等的實(shí)時(shí)監(jiān)控。Modbus-RTU通信示意圖如圖4所示。

溫室灌溉控制系統(tǒng)硬件部分由上位機(jī)MCGS觸摸屏、西門子S7-200 SMART PLC和數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊、變頻器、土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器及光照度檢測(cè)傳感器等組成。具體硬件選型考慮如下。

①PLC型號(hào)選擇：?jiǎn)蝹€(gè)溫室灌溉控制系統(tǒng)需要頂窗、遮陽(yáng)簾、濕簾、灌溉電磁閥等開關(guān)量輸出信號(hào)32個(gè)及限位信號(hào)20個(gè)，選擇SR40CPU模塊和EMDR16數(shù)字量輸出模塊，能夠滿足系統(tǒng)控制要求。

②變頻器選擇：選用三菱FR-E740系列變頻器，利用其自帶PU接口與SR30 CPU之間的Mod-bus-RTU通信，實(shí)現(xiàn)變頻器的啟動(dòng)、停止、故障報(bào)警及調(diào)速控制。

③觸摸屏選擇：選用昆侖通態(tài)TPC7062Ti觸摸屏，可以實(shí)現(xiàn)與SR30 PLC工業(yè)以太網(wǎng)口之間10/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)通信。

灌溉控制系統(tǒng)中各器件功能，如表1所示。

2） Modbus-RTU通信數(shù)據(jù)采集。利用SR40CPU的RS485端口采用Modbus-RTU的輪詢方式，周期性采集、控制變頻器、土壤溫濕度、空氣光照度、空氣溫濕度等信息。通訊基本參數(shù)采用數(shù)據(jù)位8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，停止位1位，波特率9 600 bps，并設(shè)置變頻器、各傳感器的Modbus-RTU通信地址。Modbus-RTU通信相關(guān)寄存器地址如表2所示。

3）觸摸屏界面設(shè)計(jì)。PLC通過(guò)自帶的工業(yè)以太網(wǎng)接口，把采集到的環(huán)境參數(shù)上傳至MCCS觸摸屏進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，觸摸屏環(huán)境參數(shù)如圖5所示。主要功能如下。

①實(shí)時(shí)顯示溫室內(nèi)外的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)數(shù)值，包括溫濕度、光照度及電導(dǎo)率等。

②控制系統(tǒng)手自動(dòng)切換及手動(dòng)灌溉下的灌溉時(shí)間設(shè)置，自動(dòng)情況下根據(jù)具體環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

③對(duì)溫濕度、光照度及電導(dǎo)率等環(huán)境參數(shù)的趨勢(shì)跟蹤，可顯示單日內(nèi)各參數(shù)的變化曲線。

2 總結(jié)

本研究提出了一種基于Modbus-RTU通信的溫室灌溉控制系統(tǒng)，結(jié)合以溫濕度、光照度及土壤電導(dǎo)率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)溫室灌溉的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，控制系統(tǒng)基本能夠滿足植物在不同環(huán)境下的灌溉需求，從而能夠保證花卉作物處于其最佳生長(zhǎng)狀態(tài)環(huán)境。

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基金項(xiàng)目：湖州市科技特派員項(xiàng)目（ 2017KT21）

作者簡(jiǎn)介：盛強(qiáng)（1981-），男，浙江金華人，副教授，碩士，主要從事T業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信及智能控制研究，（電話）13567235453（電子信箱）376041718@qq.com。