基于RS-485總線的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

 植物生長需要一個適宜的環(huán)境，在可控環(huán)境下，可以不分季節(jié)、不分地區(qū)地種植所需要的植物。溫室作為植物生長的環(huán)境，其內(nèi)部的因子(如溫度、濕度、光照度和CO2濃度等)是植物生長的關鍵因素。所以，對溫室環(huán)境因子進行數(shù)據(jù)采集，不僅可以為分析環(huán)境與植物生長之間的關系提供依據(jù)，而且為實現(xiàn)溫室環(huán)境控制奠定基礎。

在規(guī)模生產(chǎn)中，一般使用多座溫室，溫室之間在空間上相對分散，且與計算機監(jiān)控室也存在一段距離，信號傳輸距離長達幾十米甚至上千米，分布在現(xiàn)場的監(jiān)測節(jié)點與操作人員之間有大量的數(shù)據(jù)傳輸，采用一般的傳輸線通信由于速度比較慢、通信質(zhì)量不高、抗干擾能力差，往往達不到要求。

在這種情況下，采用串行總線技術來構成溫室環(huán)境遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是一種較好的技術。RS-485總線技術比較簡單、總線結構穩(wěn)定、成熟易于實現(xiàn)，且總線傳輸速率高、傳輸距離遠、可靠性較好、支持多點通信等優(yōu)點。所以本文介紹采用RS-485構成溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要用于溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等環(huán)境因子的自動采集，對溫室的異常情況進行故障初發(fā)期的報警處理，為控制植物生長環(huán)境所需的溫度、濕度、光照度和CO2濃度奠定基礎。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

溫室環(huán)境遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲采用RS-485總線方式，系統(tǒng)以PC機為主機，以RM417模塊為從機，二者通過RS-232/RS-485接口轉換器連接，系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

系統(tǒng)采用主從方式進行多機通信，每個從機擁有自己固定的地址，由主機控制完成網(wǎng)上的每一次通信。網(wǎng)絡的連接線采用雙屏蔽線，圖1中的R為平衡電阻，R=120 Ω，通信波特率為9 600 bit/s，串行數(shù)據(jù)格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無奇偶校驗位。

主機呼叫某一從機時，會向網(wǎng)上發(fā)出從機的地址，所有從機接收到該地址，先與自己的地址比較，如果地址相符，說明主機在呼叫自己，則將采集到的溫度、濕度、光照度和CO2濃度數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上，如果地址不相符，則不予理睬，繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)。通信結束后，所有從機繼續(xù)處于監(jiān)聽和等待呼叫狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 傳感器

1)溫、濕度傳感變送器

本系統(tǒng)的室內(nèi)外溫、濕度傳感變送器選用E+E公司的產(chǎn)品HCT01，溫度測量范圍：-25～60℃，精度±0.2攝氏度，相對濕度測量范圍：0～100%RH，精度±2.5%RH，輸出信號：4～20 mA。HCT01溫濕度傳感器接口電路如圖2所示。在串行時鐘輸入SCK于單片機的P0.4口連接，用于處理微處理器與傳感器之間的同步通信，串行數(shù)據(jù)線DATA與單片機P0.5口連接，用于讀取數(shù)據(jù)，微處理器應驅(qū)動DATA在低電平，采用一個4.7 kΩ的上拉電阻將信號拉至高電平。

2)CO2傳感變送器

從精度、可靠性和使用方便等方面考慮，本系統(tǒng)選用VAISALA公司的GMW22D紅外式CO2傳感變送器，測量范圍：0～2 000x10-6，精度：小于±20x10-6+讀數(shù)的1.5%，重復性：小于±20x10-6，穩(wěn)定性：小于±20x10-6/5年，輸出信號：0～20mA。CO2傳感器接口電路如圖3所示，電源線采用12 V電源輸入，由于單片機P1口具有A/D轉換功能，將數(shù)據(jù)口與單片機的P1.1口連接即可，微處理器處理的DATA應在高電平，所以電路中接10K的下拉電阻將數(shù)據(jù)口拉至低電平。

3)光照傳感變送器

光照傳感變送器選用NHZD10CI，將光照強度轉換為電流信號，測量范圍：0～2 000 Klx，輸出信號4～20 mA，再經(jīng)運算放大器轉換為電壓信號輸出。電流電壓轉換電路如圖4所示。流過反饋電阻Rf的電流等于(UO-UN)/Rf，與UN/R1+(UN-Uf)/R5相等。由此可得輸出電壓UO=(1+Rf/R1+Rf/R5)*UN-(R4/R5)/Uf，由于集成運放滿足虛短，即UN=UP= Ii*s4，用UP代替UO表達式中的UN，若R4=200 Ω，R1=18 kΩ，則UO=0.313*Ii-1.250，當輸入為4～20 mA電流信號時，輸出為0～5 V電壓信號。

2.2 RS-232/RS-485接口轉換器

本系統(tǒng)采用無源RS232/RS485轉換器，能夠?qū)S-232串行口的TXD和RXD信號轉換成平衡的半雙工的RS-485信號。232電平轉換電路選擇使用HIN232芯片，485電路采用MAX485集成電路，該芯片通過RE和DE兩個引腳來控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。轉換電路如5所示，在本電路使用TX線和HIN232的9腳及Q5來控制MAX485的狀態(tài)切換。當N1H232芯片的9腳輸出高電平時，加在Q5的基極，經(jīng)過Q5反相后，從Q5的集電極輸出低電平，使MAX485的RE和DE也為低電平，此時MAX485就處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當PC機發(fā)送數(shù)據(jù)時，NIH232的9腳輸出低電平，加在Q5的基極，經(jīng)過Q5反相后，從Q5的集電極輸出高電平，使MAX485的RE和DE也為高電平，此時MAX485就處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。

2.3 繼電器控制電路

繼電器控制電路見圖6所示，采用SRD-05VDC-SL-C固態(tài)繼電器，三極管組成共集電極放大電路，二極管D2起保護作用，由單片機P3.6口產(chǎn)生繼電器觸發(fā)信號，當P3.6口輸出低電平時，繼電器閉合，指示燈亮，外接電器開始工作。當P3.6口輸出高電平時，繼電器斷開，指示燈滅，外接電器停止工作。

2.4 前端數(shù)據(jù)采集器

前端數(shù)據(jù)采集器為中泰研創(chuàng)公司生產(chǎn)的RM417遠端模擬量采集模塊，該模塊為16路模擬量輸入，12位A/D轉換。一條485總線最多可以接16個RM模塊，每個RM417有16位通道。該模塊讀指令格式為：@+站號+R。@是指令標示符;站號也叫模塊號或者模塊地址，從00～15;R指明操作類型為讀操作。指令返回數(shù)據(jù)總共66位，前64位為16位通道上的數(shù)據(jù)，最后兩位為校驗碼。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主機軟件結構

在溫室環(huán)境遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，按照網(wǎng)絡協(xié)議的幀格式編寫的數(shù)據(jù)采集通信軟件，通過物理層最終完成主機與從機的數(shù)據(jù)傳送。系統(tǒng)主機為PC機，從機為前端數(shù)據(jù)采集器，主機與從機的通信采用半雙工方式，主機具有發(fā)送命令，接收和顯示數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、曲線顯示、存儲打印、對數(shù)據(jù)采集進行標度變換、數(shù)字濾波等預處理功能。從機完成數(shù)據(jù)采集、預處理和上傳數(shù)據(jù)等任務。溫室環(huán)境遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件采用VC語言編程，采用層次模型組織數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結構如圖7所示。

進入主界面后的主機操作流程如圖8所示。

3.2 通信控制程序設計

RS-485接口大多數(shù)是基于RS-232接口與電腦進行通信，485協(xié)議的編程多數(shù)是基于串口編程的，RS-485支持一點對多點半雙工通信。因此系統(tǒng)采用半雙工異步通信，串行控制模塊使用了串行中斷和定時中斷0實現(xiàn)了串行控制的功能，在通信協(xié)議中詳細規(guī)定了控制命令幀、參數(shù)幀、地址幀、數(shù)據(jù)信息幀、應答幀、校驗碼等格式。RS-485通信模塊流程圖如圖9所示。

4 結束語

文中提出了一種基于RS-485總線型溫室監(jiān)測系統(tǒng)的方案，實現(xiàn)了監(jiān)測節(jié)點對環(huán)境因子(溫濕度、CO2濃度測量、光照強度)的采集經(jīng)過RS-485總線傳輸?shù)缴衔粰C，并能通過控制模塊電路對外圍設備的調(diào)控將溫室內(nèi)的環(huán)境因子控制在作物生長的最佳范圍，并能對環(huán)境因子設定閾值，超出閾值范圍將啟動報警。系統(tǒng)作為一種便捷的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)，具有較好的可移植性，在后續(xù)的研究中可以采用模糊控制算法作為系統(tǒng)的控制策略，設計出溫室監(jiān)測系統(tǒng)的模糊控制器，也可以加入其他所需的傳感器，實現(xiàn)其他參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸。