范學(xué)佳，趙　斌，衣淑娟，董淏鳴，李　鑫

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

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基于Modbus的寒地水稻育秧環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)

范學(xué)佳，趙斌，衣淑娟，董淏鳴，李鑫

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

摘要：針對墾區(qū)工廠化育秧生產(chǎn)自動化與信息化的需求，為了促進(jìn)育秧生產(chǎn)和管理效率、及時(shí)掌握育秧環(huán)境的參數(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于Modbus的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)PC機(jī)與育秧大棚主機(jī)監(jiān)控器之間采用無線的形式進(jìn)行通信，通過監(jiān)控中心就可以對育秧環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測；主機(jī)監(jiān)控器與從機(jī)采集器之間采用Modbus協(xié)議的RS485總線方式進(jìn)行通信。該系統(tǒng)還具有噴灌和卷簾自動控制功能。同時(shí)，利用嵌入式微處理器技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對育秧環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而對秧苗的生長環(huán)境進(jìn)行合理調(diào)控，以提高其品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：寒地水稻；育秧大棚；嵌入式微處理器；Modbus；監(jiān)控

0引言

我國是世界上人口最多的國家，因此糧食供給成為不得不面對的問題。黑龍江墾區(qū)地處東北亞經(jīng)濟(jì)區(qū)位中心，屬世界著名的三大黑土之一，也是我國重要商品糧基地和糧食戰(zhàn)略后備基地，水稻則是墾區(qū)主要的糧食作物。目前，墾區(qū)的各個(gè)農(nóng)場建有標(biāo)準(zhǔn)的工廠化育秧大棚，進(jìn)行集中的育秧，以強(qiáng)化管理、降低投入成本。水稻育秧每年的3月份在標(biāo)準(zhǔn)的育秧棚內(nèi)需要培育1個(gè)多月的時(shí)間,秧苗長勢的好與壞對作物的產(chǎn)量是有很大的影響。因此，對秧苗的生長環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而進(jìn)行合理的調(diào)控，為秧苗的生長提供最佳的生長環(huán)境是必要的。目前，墾區(qū)對育秧環(huán)境的管理還是采用傳統(tǒng)的人工方式，不但很難滿足秧苗生長的要求，而且信息化和自動化程度也比較低。所以，設(shè)計(jì)一套寒地水稻育秧環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)來解決育秧大棚環(huán)境調(diào)控的問題是極為重要的。

席桂清等[1]等提出并開發(fā)了基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對育秧環(huán)境參數(shù)的測量、顯示、存儲，每隔設(shè)定的時(shí)間或大棚內(nèi)溫濕度超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)通過GSM網(wǎng)絡(luò)自動發(fā)送數(shù)據(jù)到指定手機(jī)上，方便、快捷、準(zhǔn)確地指導(dǎo)稻農(nóng)進(jìn)行育苗管理。魏曉輝等[2]等采用硬件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)了一套智能化育秧環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，應(yīng)用RS485通信技術(shù)可以減少棚內(nèi)布線，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性和采集設(shè)備的拆組性。

以上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行通信時(shí)都是采用自己定義的協(xié)議，系統(tǒng)的擴(kuò)展性不是很好，自身還存在一些缺陷，對以后的系統(tǒng)維護(hù)也會帶來很大的不便。Modbus協(xié)議是一種工業(yè)上通用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，各設(shè)備彼此之間通過此協(xié)議可以相互進(jìn)行通信，并可支持RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備[3]。本研究將Modbus協(xié)議與RS485總線相結(jié)合引入到寒地水稻育秧環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)中，以解決上述問題。本文采用嵌入式微處理器技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)育秧棚環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，提高了墾區(qū)工廠化育秧生產(chǎn)過程中的自動化程度、減少了人力資源的浪費(fèi)，為秧苗生長提供最優(yōu)的生長環(huán)境。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。大多數(shù)農(nóng)場采用集中建設(shè)育秧大棚，便于集中育秧、集中管理，為保苗壯秧提供良好的設(shè)施條件。該系統(tǒng)由兩部分組成：一是以PC機(jī)作為上位機(jī)，通過與下位機(jī)進(jìn)行相互通信，把下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)上進(jìn)行顯示和保存，在監(jiān)控中心就能時(shí)刻監(jiān)測育秧棚里的環(huán)境。同時(shí)，上位機(jī)也可以向下位機(jī)發(fā)送一些指令，命令下位機(jī)去執(zhí)行相應(yīng)的動作。由于育秧大棚離監(jiān)控中心的距離比較遠(yuǎn)，如果采用有線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可能會造成信號的衰減，所以采用無線模塊形式進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以很好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?jié)約成本。二是以嵌入式控制器做下位機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作等功能。下位機(jī)與采集器之間遵守Modbus協(xié)議的RS-485通信方式,采集器主要對土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、二氧化碳含量、光照強(qiáng)度及土壤pH值等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，把采集的數(shù)據(jù)傳輸給下位機(jī)，并在液晶屏上顯示，便于農(nóng)戶實(shí)時(shí)掌握育秧棚內(nèi)的環(huán)境情況。該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)手動控制和自動控制兩種工作方式。如果上位機(jī)出現(xiàn)了系統(tǒng)故障，可以采用手動控制方式對育秧棚內(nèi)環(huán)境情況進(jìn)行調(diào)控。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2下位機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)包括主機(jī)監(jiān)控器和從機(jī)采集器兩部分。主機(jī)監(jiān)控器與從機(jī)采集器之間進(jìn)行通信時(shí)，從機(jī)采集器將采集棚內(nèi)的參數(shù)傳送給主監(jiān)控器，通過JM12864F液晶屏上顯示當(dāng)時(shí)棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并將采集的參數(shù)通過無線的方式上傳給上位機(jī)，且接收上位機(jī)發(fā)出的指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，對棚內(nèi)的環(huán)境情況進(jìn)行調(diào)控。

2.1主機(jī)監(jiān)控器設(shè)計(jì)

主機(jī)監(jiān)控器由作為控制核心的STC12C5A08S2、數(shù)據(jù)接收模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制電路及無線傳輸接口等電路組成。STC12C5A08S2單片機(jī)具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、高穩(wěn)定性、內(nèi)部嵌入A/D轉(zhuǎn)換，以及具有雙串口、斷電自動保存數(shù)據(jù)等功能。主機(jī)與從機(jī)采用主從式多機(jī)通信方式，主機(jī)同時(shí)向多個(gè)下位機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)的指令，下位機(jī)根據(jù)接收的指令并判斷是否與主機(jī)進(jìn)行通信，下位機(jī)利用無線模塊將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，并接收上位機(jī)發(fā)送的調(diào)控指令。

該系統(tǒng)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制具有手動控制和自動控制兩種方式。執(zhí)行結(jié)構(gòu)的核心部件主要包括卷簾器和電磁閥。如果上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送手動控制方式時(shí)，只需通過控制面板就可以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作；如果采用自動控制方式，下位機(jī)通過采集的參數(shù)與上位機(jī)設(shè)置好的閾值進(jìn)行比對，確定是否控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。卷簾器采用24V直流電機(jī)KOS4060，為了防止電機(jī)破壞棚膜，在左右電機(jī)的行程上安裝了上下限位行程開關(guān)。電磁閥采用24V直流電磁閥DF1-25,為了防止繼電器動作對單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，利用光電耦合器將5V系統(tǒng)和24V系統(tǒng)隔離開，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2從機(jī)采集器的設(shè)計(jì)

在育秧棚中設(shè)置3個(gè)從機(jī)采集器，分別為1號采集器、2號采集器、3號采集器。1號和3號采集器采集的參數(shù)包括2個(gè)空氣溫濕度數(shù)據(jù)、1個(gè)土壤溫度數(shù)據(jù)、1個(gè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)；2號采集器在此基礎(chǔ)上增加了1個(gè)照度數(shù)據(jù)、1個(gè)CO2濃度數(shù)據(jù)和1個(gè)pH數(shù)據(jù)。選用STC12C5A08S2作為從機(jī)采集器的核心，每個(gè)從機(jī)采集器主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊及MAX485通信模塊組成，主要負(fù)責(zé)對環(huán)境參數(shù)的采集，并與主機(jī)監(jiān)控器進(jìn)行通信。

該系統(tǒng)采用的傳感器包括兩類：一類是模擬類傳感器，輸出為4～20mA直流信號，如土壤水分傳感器DBT-1、CO2傳感器BM-1000及pH傳感器GPS-650。該類傳感器與處理器接口是采用100Ω精密電阻來實(shí)現(xiàn)電阻—電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后將信號輸入STC12C5A08S2的具有A/D轉(zhuǎn)換功能的I/O中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。二類傳感器是數(shù)字類傳感器，如空氣溫濕度傳感器DHT21、土壤溫度傳感器DS18B20及照度傳感器SS6101。該類傳感器輸出的信號為數(shù)字信號，便于與處理器直接連接，無需在使用A/D轉(zhuǎn)換功能。

2.3通信模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用無線方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，無線模塊采用SRWF-1028。該無線通信模塊具有很強(qiáng)的抗干擾能力，全透明傳輸，體積小、具有功耗低傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，與下位機(jī)嵌入式微處理器采用232通信方式連接。下位機(jī)將采集的環(huán)境參數(shù)和電磁閥、卷簾器的狀態(tài)信息發(fā)送給無線模塊，依據(jù)與上位機(jī)的協(xié)議把相應(yīng)的信息發(fā)送給上位機(jī)的無線模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳[4]。同時(shí)，下位機(jī)也可以接受上位機(jī)的指令，去完成指令的內(nèi)容。

3系統(tǒng)通信協(xié)議及軟件設(shè)計(jì)

3.1MODBUS協(xié)議

Modbus是目前主流現(xiàn)場總線協(xié)議之一，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信[5]。Modbus協(xié)議定義了無論采用何種網(wǎng)絡(luò)通信，每個(gè)控制器都能認(rèn)識Modbus協(xié)議規(guī)范的消息結(jié)構(gòu)。在同一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)中通信時(shí),該協(xié)議規(guī)定了每個(gè)從設(shè)備要有自己的地址；主控制與從設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，從設(shè)備是按照判斷地址發(fā)來的消息來完成相應(yīng)的操作。

Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主-從協(xié)議。在同一時(shí)刻，僅有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)(主機(jī))連接與總線上，一個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)(從機(jī))(最大編號為247)連接于同一個(gè)串行總線。通訊方式采用請求/應(yīng)答的形式，由主機(jī)發(fā)送請求幀，所有從設(shè)備都接收該幀，并對消息地址進(jìn)行解析，判斷與自己的地址是否匹配：不匹配則丟棄該幀，繼續(xù)接受總線上傳來的消息；只有與地址信息相匹配的從機(jī)才會進(jìn)一步進(jìn)行解析。若解析后校驗(yàn)的結(jié)果是錯(cuò)誤，從站會丟棄此幀，并向主機(jī)發(fā)送錯(cuò)誤信號；如果沒有錯(cuò)誤，繼續(xù)進(jìn)行解析，提取功能碼的信息，進(jìn)而執(zhí)行主機(jī)發(fā)來的命令。一般情況下，當(dāng)從設(shè)備發(fā)送錯(cuò)誤信號給主機(jī)和在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)主機(jī)沒有接到響應(yīng)時(shí)，主機(jī)就會立即重新發(fā)送信息給從機(jī)設(shè)備；從機(jī)在沒有接收到主機(jī)的請求時(shí)，不會自動發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)之間不能進(jìn)行通信。在任意時(shí)刻，主機(jī)只能處理一個(gè)Modbus事務(wù)。

Modbus網(wǎng)絡(luò)通信包括ASCII和RTU兩種傳輸模式。無論配置何種傳輸模式，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備必須采用相同的傳輸模式和相同的串口參數(shù)(波特率、校驗(yàn)方式等)。本文采用RTU的傳輸模式，與ASCII模式在相同的波特率下相比，它可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。

在Modbus協(xié)議中消息是通過幀的格式進(jìn)行傳輸，當(dāng)接收到消息幀時(shí)，開始解析幀格式中的每個(gè)部分。采用不同的傳輸模式時(shí)校驗(yàn)方法也不相同,RTU傳輸模式通常采用CRC錯(cuò)誤校驗(yàn)方法，進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)的合法性和有效性。CRC可以檢驗(yàn)主機(jī)或從機(jī)在通信時(shí)數(shù)據(jù)傳輸過程中消息是否準(zhǔn)確，如果是錯(cuò)誤的消息，數(shù)據(jù)即可丟棄[6]。在幀格式中，采用不同的功能代碼表示的指令也不相同，在協(xié)議中已經(jīng)規(guī)定了一些功能代碼的功能，編程時(shí)必須按照協(xié)議的要求進(jìn)行設(shè)置。

3.2軟件設(shè)計(jì)

寒地水稻育秧環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)系統(tǒng)軟件和下位機(jī)系統(tǒng)軟件：上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、顯示、查詢及下位機(jī)管理等功能，系統(tǒng)采用C#語言進(jìn)行編寫；下位機(jī)軟件由主機(jī)監(jiān)控器通信的軟件和從機(jī)采集器通信的軟件組成。首先，下位機(jī)系統(tǒng)中的主機(jī)監(jiān)視器、各從機(jī)采集器初始化，各從機(jī)采集器進(jìn)行采集數(shù)據(jù)；主機(jī)監(jiān)控器在沒有接到上位機(jī)指令時(shí)，與各采集器進(jìn)行通信，接收數(shù)據(jù)的采集，并儲存在RAM中；當(dāng)收到上位機(jī)指令時(shí)，進(jìn)行上位機(jī)指令的處理。為了防止數(shù)據(jù)跑飛，各單片機(jī)都啟動“看門狗”定時(shí)器。圖2為主監(jiān)視器與上位機(jī)通信軟件流程圖，圖3為主監(jiān)視器與從機(jī)采集器的通信軟件流程圖。

圖2　主機(jī)監(jiān)控器的通信軟件流程圖

圖3　從機(jī)采集器的通信軟件流程圖

4系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證

在八五九農(nóng)場的10棟育秧棚中，每棟育秧棚布置了15個(gè)傳感器，通過上位機(jī)串口通信軟件，實(shí)時(shí)對育秧棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。圖4為單個(gè)育秧棚內(nèi)空氣溫度曲線變化圖。

圖4　空氣溫度變化曲線

5結(jié)論

針對育秧棚監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)了基于Modbus的寒地水稻育秧環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)已經(jīng)在八五九農(nóng)場進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用，從現(xiàn)場運(yùn)行的情況來看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以很好地滿足對育秧棚環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和育秧棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的調(diào)控，為秧苗的生長提供適宜的生長環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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Cold Rice Seedling Environment Intelligent Monitoring System Based on Modbus

Fan Xuejia, Zhao Bin, Yi Shujuan, Dong Haoming, Li Xin

(College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319, China)

Abstract：Reclamation for seedling production factory automation and information needs, in order to promote seedling production and management efficiency, to grasp the parameters seedling environment, we design the intelligent monitoring system based on MODBUS, using the wireless connection between the PC and the greenhouse controller the form of communication, through the monitoring center can monitor environmental parameters for seedlings. Between the master and the collector using MODBUS protocol RS485 bus way to communicate. The system also has automatic sprinkler and shutter control. The use of embedded microprocessor technology, automatic control technology, communications technology and sensor technology combination, to achieve real-time monitoring of the environment seedlings, seedling growth and thus on the environment and reasonable regulation to improve its quality.

Key words：cold rice; seedling greenhouses; embedded microprocessor; Modbus; monitor

文章編號：1003-188X(2016)02-0201-04

中圖分類號：S223.1+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：范學(xué)佳(1985-),男，黑龍江綏濱人，碩士研究生，(E-mail)964774302@qq.com。通訊作者：趙斌(1970-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)616283364@qq.com。

基金項(xiàng)目：黑龍江省科技廳項(xiàng)目(GZ13B013)

收稿日期：2015-01-05