基于MODBUS通信協(xié)議的智能農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)采集無線傳輸系統(tǒng)設計

沈斌

（1.蘇州高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇蘇州，215000；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院蘇州分院，江蘇蘇州，215000）

0 前言

當今社會科學技術(shù)日新月異，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚在規(guī)模化、智能化、無人化上已經(jīng)無法滿足要求。本設計基于MODBUS通信協(xié)議設計了一套數(shù)據(jù)采集無線傳輸系統(tǒng)，將傳感器、智能儀表、無線傳輸設備、智能控制設備（PLC）引入到農(nóng)業(yè)大棚中，通過農(nóng)業(yè)大棚中的各類傳感器和智能儀表自動采集數(shù)據(jù)，無線傳輸給幾公里外的控制室智能控制系統(tǒng)，智能控制接收數(shù)據(jù)進行處理后，自動發(fā)出各類控制指令，傳輸給農(nóng)業(yè)大棚中的執(zhí)行機構(gòu)，完成溫度、濕度、光照度等參數(shù)和作業(yè)的自動調(diào)節(jié)。極大地提高了農(nóng)作物的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

1 硬件設計

本設計中通過攜帶MODBUS通信協(xié)議的溫濕度傳感器、光照度傳感器、智能儀表（數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表），實時采集多個農(nóng)業(yè)大棚中的溫度、濕度、光照度及相關(guān)設備的電壓、電流的數(shù)據(jù)。通過農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)本地LORA無線透傳模塊傳輸?shù)綆坠锿獾目刂剖覂?nèi)LORA無線透傳模塊中，進而LORA無線透傳模塊把數(shù)據(jù)傳送至控制室內(nèi)PLC中，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后，在人機上顯示出來。同時PLC內(nèi)的智能程序會根據(jù)這些數(shù)據(jù)的變化遠距離驅(qū)動風扇、水泵、照明燈的運行，進而完成通風、增濕、輔助照明等功能，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚遠距離數(shù)據(jù)采集及智能控制，使得農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境滿足植物的生長需要，原理框圖如圖1所示。

圖1 遠距離智能農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖

1.1 智能儀表模塊設計

本設計所采用的智能儀表為AOB195U-9TY DC30V數(shù)字電壓表和AOB195I-9TY DC5A數(shù)字電流表，這兩個儀表都自帶MODBUS標準通信協(xié)議，如圖2所示。本設計智能儀表由兩組構(gòu)成（一個電壓表和電流表為一組）。其中一組智能儀表安裝在農(nóng)業(yè)大棚中，主要監(jiān)控各類傳感器、風機、水泵、照明燈等設備的用電量。另一組安裝在控制室中，監(jiān)測PLC、人機等控制設備的用電量。兩組智能儀表的數(shù)據(jù)也是通過RS-485總線傳送至PLC中，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，進行顯示。智能儀表1、2腳接AC220V供電，7、8腳INPUT接待監(jiān)測的直流電壓/直流電流（0～30V/0～5A），61、62腳接RS-485總線A、B線。其通訊參數(shù)設置如下：波特率bAud設置在9600bps，通訊格式pAr設置為n8.1（無校驗，8個數(shù)據(jù)位，一個停止位），通訊地址Adr設置為2～247（地址1被光照度傳感器所單獨占有）的其他數(shù)值。本設計用到兩個數(shù)字電壓表和兩個數(shù)字電流表，故而通訊地址設置為2（農(nóng)業(yè)大棚電壓表）、3（農(nóng)業(yè)大棚電流表）、4（控制室電壓表）、5（控制室電流表）。在上述通訊參數(shù)設置下通過MODBUS標準通信協(xié)議進行通信。

圖2 智能儀表（數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表）實物、接線圖

1.2 無線通信模塊設計

無線通信模塊采用LORA無線透傳模塊，型號為F8L10T，兩個一組進行配對完成數(shù)據(jù)交互功能，如圖3所示。該組LORA無線透傳模塊均采用DC24V供電。一個安裝在農(nóng)業(yè)大棚中，通過RS-485總線A、B線與智能儀表及傳感器相連，另一個安裝在控制室，與PLC數(shù)據(jù)通信端相連。參數(shù)設置時，波特率設置在9600bps。ID和透傳地址為不同的數(shù)值，且配對的兩個LORA無線透傳模塊互為相反，例如：LORA無線透傳模塊A，ID為0，透傳地址為1。那么LORA無線透傳模塊B則ID為1，透傳地址為0。工作頻率則應該根據(jù)允許范圍內(nèi)自行設定，如果有多組LORA無線透傳模塊，則每組的工作頻率應該區(qū)分開來，通過實踐我們得出建議間隔1MHz。發(fā)射功率一般在5～20W之間設置，原則上距離越遠功率越大，在城市范圍內(nèi)一組LoRa無線透傳模塊可以傳輸?shù)木嚯x在2～5km，如果在開闊無遮擋的區(qū)域，則傳輸范圍更大。

圖3 LORA無線透傳模塊實物、參數(shù)設置圖

1.3 傳感器模塊設計

本設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心為光照、溫濕度傳感器，這兩個傳感器均自帶MODBUS通信協(xié)議，且由DC24V供電，安裝在農(nóng)業(yè)大棚中，實時采樣數(shù)據(jù)，如圖4所示。其中光照度傳感器選用型號為HYDZ-GZD，溫濕度傳感器選用型號為AW1485B。他們都通過RS-485總線A、B線（并聯(lián)）與LORA無線透傳模塊A相連。

圖4 光照度、溫濕度傳感器實物圖

傳感器設置方面，光照度傳感器通訊地址默認設置為1。溫度和濕度傳感器地址設置為6，在傳輸數(shù)據(jù)時在地址中同時讀取溫度和濕度兩個數(shù)據(jù)。

1.4 I/O模塊設計

PLCI/O模塊設計如表1所示。

表1 I/O模塊設計

PLC輸入采用6按鍵組合按鈕。包括手動模式I0.0、自動模式I0.1、手動照明I0.2、手動報警I0.3、手動風機I0.4、手動水泵I0.5。

PLC輸出有六盞指示燈（過濕報警Q0.4、高溫報警Q0.5、過干報警Q0.6、低溫報警Q0.7、手動模式Q1.0、自動模式Q1.1），一個獨立的帶蜂鳴器的閃爍報警燈Q1.3，風機Q0.2，水泵Q0.0，LED照明燈Q1.2。

2 軟件設計

2.1 MODBUS通信程序設計

本設計利用MODBUS通訊協(xié)議在PLC內(nèi)部編寫通信程序，通過程序輪詢多個智能儀表（數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表）以及光照度、溫濕度傳感器，把農(nóng)業(yè)大棚的各項數(shù)據(jù)進行實時采集、監(jiān)控、調(diào)節(jié)，完成智能化的控制。

要訪問各個智能儀表以及傳感器，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，則需要根據(jù)MODBUS協(xié)議的要求，構(gòu)建數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，讀取指令構(gòu)成如表2所示。

表2 MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

表2中指令由從機地址、功能碼、數(shù)據(jù)、校驗四部分組成。從機地址即為前文所提的通訊地址。功能碼03則為讀保持寄存器即讀取儀表、傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)部分分兩段，前一半為儀表、傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)所存放的地址，后一半為讀取的字節(jié)數(shù)。校驗采用MODBUS CRC16校驗。在調(diào)試階段我們可通過485轉(zhuǎn)USB接口，通過電腦端串口調(diào)試助手來檢測所有智能儀表和傳感器是否正常工作。

在完成檢測后，編寫PLC端的MODBUS通訊協(xié)議。PLC我們可選擇三菱、西門子等品牌的各類支持MODBUS通訊協(xié)議的型號，本設計選擇運用較廣泛的西門子進行舉例。

編寫通訊協(xié)議時分為四步。

第一步，創(chuàng)建一個名字為MODBUS的子程序，如圖5所示。在子程序中編寫整個MODBUS通訊協(xié)議來訪問智能儀表及傳感器。這里需要指出的是在主程序中始終接通這個子程序，這樣子程序所采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r的被PLC所記錄。

圖5 MODBUS子程序圖

第二步，進行MODBUS通訊程序初始化設定（MBUS_CTRL指令），如圖6所示。MBUS_CTRL指令中EN和MODE始終處于接通狀態(tài)。Baud波特率設置為9600，與智能儀表和傳感器保持一致。Parity設置為0。Timeout設置為1000～1500（根據(jù)經(jīng)驗超時時間大約1～1.5s之間），這個數(shù)值太小則智能儀表和傳感器以及LORA無線透傳模塊來不及把數(shù)據(jù)傳輸過來，如果太長則實時數(shù)據(jù)更新太慢。Done設置為L0.0即完成該功能后的L0.0標志位置1。Error出現(xiàn)錯誤后存儲在LB0區(qū)域。

圖6 MODBUS初始化設定圖

第三步，進行智能儀表及傳感器的數(shù)據(jù)讀取程序設置（MBUS_MSG指令），如圖7所示。數(shù)據(jù)讀取程序采用的輪詢的方式，即同一時間段只讀取和傳輸一個智能儀表和傳感器的數(shù)據(jù)，完成一個關(guān)閉一個，隨即打開下一個，以此循環(huán)。MBUS_MSG指令中，Slave為從機地址（例如光照度傳感器從機地址為1）。RW為讀寫指令，讀為0，寫為1，本設計為讀取儀表數(shù)據(jù)，設置為0。Addr為讀取數(shù)據(jù)的地址，在PLC的程序中地址與智能儀表和傳感器中數(shù)據(jù)存儲地址不同，前者是從0開始計算地址，后者是從1開始計算地址。以數(shù)字電壓、流表為例，數(shù)據(jù)存儲在29（十進制）里，在PLC程序中該地址為30。所以地址的正確數(shù)值應為40030。Count為讀取幾位，一般只讀一個數(shù)據(jù)故而為1。如果像溫濕度傳感器，溫度和濕度數(shù)據(jù)在一起，則需要讀取2個，應設置為2。DataPtr為讀取的數(shù)據(jù)在PLC內(nèi)的存儲區(qū)域，一般情況下，存儲在V區(qū)，應該用指針來填寫，例如：&VB XXXX。Done為完成數(shù)據(jù)讀取后的標志位，我們這里為了能夠?qū)崿F(xiàn)輪詢，使用M0.0～M0.6，將上一個智能儀表或傳感器讀取程序標志位復位的同時，打開下一個智能儀表或傳感器讀取程序。Error出現(xiàn)錯誤后存儲在LB1～LB7區(qū)域。

圖7 MODBUS數(shù)據(jù)讀取程序（部分程序）圖

第四步，數(shù)據(jù)處理程序，如圖8所示。該部分程序分成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)運算三部分。

圖8 MODBUS數(shù)據(jù)處理程序圖

（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，主要功能是把讀取的數(shù)據(jù)類型由整數(shù)轉(zhuǎn)化成實數(shù)。例如西門子PLC沒有直接把整型轉(zhuǎn)換成實數(shù)的指令，所以轉(zhuǎn)換過程中先把整型轉(zhuǎn)換成雙整型，再轉(zhuǎn)換成實數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)處理，主要是在數(shù)據(jù)上保留多位小數(shù)，方便進行計算和顯示。主要方式是使用乘法、取整和除法指令實現(xiàn)。例如將電壓24.5678V要保留兩位小數(shù)進行顯示的話，則需要先將數(shù)據(jù)乘以100，得到2456.78，然后取整得到2456，再除以100得到24.56V。

（3）數(shù)據(jù)運算。主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的計算。例如電功率的計算，就是由電壓乘以電流。

2.2 PLC主程序設計

（1）手動模式和自動模式切換程序，如圖9所示。

圖9 手動、自動模式切換程序圖

本設計中為了提高手動和自動模式切換的便利性，不僅設置了實體按鈕而且在人機里設置了虛擬按鈕M2.0。按下手動模式（I0.0或M2.0），對應指示燈點亮，操作人員可以根據(jù)此時的溫度、濕度、光照度進行通風、加濕、照明操作。按下自動模式（I0.1或M2.0），對應指示燈點亮，自動程序根據(jù)傳感器傳輸數(shù)據(jù)進行自動調(diào)節(jié)。由于手動模式和自動模式是互斥條件，故而在編程的時候采用RS觸發(fā)器。同時為了防止被干擾，采用邊沿觸發(fā)。

（2）溫濕度、光照度自動報警程序，如圖10所示。

圖10 溫濕度、光照度自動報警程序圖

自動模式下，Q1.1常開觸點閉合，比較指令將土壤濕度VD6500與濕度上限VD6700進行比較，高于設定的濕度上限時，過濕報警指示燈亮起；低于設定的濕度下限VD6800時，過干報警指示燈亮起。當比較指令將土壤溫度VD6900與溫度上限VD6100進行比較，高于設定的溫度上限時，高溫報警指示燈亮起；低于設定的溫度下限VD6300時，低溫報警指示燈亮起。當光照度VD4000低于光照度設定值VD7000時，M1.2照明燈間接控制線圈得電，進行輔助照明。

（3）輸出控制程序，如圖11所示。

圖11 輸出控制程序圖

本段程序為手動模式和自動模式下實現(xiàn)水泵、風機和照明燈的雙控。先分析手動模式下控制方式，其功能為按下相應的按鈕，對應的設備工作，再按一次就停止，水泵為例。當前系統(tǒng)處于手動模式下，RS觸發(fā)器R1和S兩輸入端口從左母線開始：Q1.0常開觸點閉合，按下手動水泵按鈕I0.5，兩個I0.5常開觸點閉合，觸發(fā)上升沿P，S端口水泵Q0.0常閉觸點閉合，R1端口常開觸點斷開，故而只有S端口接通，Q0.0置位，水泵啟動。同時Q0.0常開觸點閉合，常閉觸點斷開，為下一次Q0.0復位做好準備。當再次按下手動水泵按鈕I0.5后，RS觸發(fā)器R1端口接通，Q0.0復位，水泵停止，其觸點復位。

自動模式下，還是以水泵為例。當過干報警Q0.6時，其常開觸點接通，觸發(fā)上升沿P，使得RS觸發(fā)器S輸入端口接通，Q0.0置位，水泵啟動。當過濕報警啟動或者過干報警停止，都接通RS觸發(fā)器R1端口接通，Q0.0復位，水泵停止。實現(xiàn)水泵的手動和自動模式的雙控。

風機和照明燈的雙控類似。

2.3 人機界面及程序設計

本設計人機設計3個界面分別是：主界面、電量控制界面和管理員界面。

（1）主界面完成實時采集的溫度、濕度和光照度數(shù)據(jù)，以及風扇、水泵、照明燈、報警燈的狀態(tài)，如圖12所示。

圖12 人機主界面

（2）電量控制界面顯示設備的實時用電數(shù)據(jù)，如圖13所示。

圖13 人機電量控制界面

（3）管理員界面設計以下功能，如圖14所示。

圖14 人機管理員界面

可進行手動模式和自動模式的切換。

輸入溫濕度的偏移量，用于校準溫濕度模塊采集的溫濕度值，即實際溫濕度值=傳感器采集的溫濕度值+溫濕度偏移量。

溫濕度上下限的設置。當實際溫濕度處于設定的溫濕度上下限范圍內(nèi)時，對應 LED 指示燈和報警燈熄滅，風扇和水泵均停止工作。反之則啟動。

3 結(jié)束語

得益于MODBUS通信協(xié)議及智能控制設備（PLC）的數(shù)據(jù)處理能力，使得我們最多能夠帶247個從站，接收幾百個傳感器的數(shù)據(jù)，因此可以實現(xiàn)多個農(nóng)業(yè)大棚管理的智能化、規(guī)?；蜔o人化，進而不斷提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。但本設計也有一些需要改進的地方，比如由于采用輪詢訪問從站時的數(shù)據(jù)更新的速度較慢。此外5公里以上的數(shù)據(jù)傳輸問題等，我們會在今后的設計中進行升級和改進。