基于RS-485總線(xiàn)的溫室環(huán)境數據采集系統的研究

植物生長(cháng)需要一個(gè)適宜的環(huán)境，在可控環(huán)境下，可以不分季節、不分地區地種植所需要的植物。溫室作為植物生長(cháng)的環(huán)境，其內部的因子(如溫度、濕度、光照度和CO2濃度等)是植物生長(cháng)的關(guān)鍵因素。所以，對溫室環(huán)境因子進(jìn)行數據采集，不僅可以為分析環(huán)境與植物生長(cháng)之間的關(guān)系提供依據，而且為實(shí)現溫室環(huán)境控制奠定基礎。

在規模生產(chǎn)中，一般使用多座溫室，溫室之間在空間上相對分散，且與計算機監控室也存在一段距離，信號傳輸距離長(cháng)達幾十米甚至上千米，分布在現場(chǎng)的監測節點(diǎn)與操作人員之間有大量的數據傳輸，采用一般的傳輸線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)來(lái)構成溫室環(huán)境遠程數據采集系統，是一種較好的技術(shù)。RS-485總線(xiàn)技術(shù)比較簡(jiǎn)單、總線(xiàn)結構穩定、成熟易于實(shí)現，且總線(xiàn)傳輸速率高、傳輸距離遠、可靠性較好、支持多點(diǎn)通信等優(yōu)點(diǎn)。所以本文介紹采用RS-485構成溫室環(huán)境數據采集系統。系統主要用于溫室內的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等環(huán)境因子的自動(dòng)采集，對溫室的異常情況進(jìn)行故障初發(fā)期的報警處理，為控制植物生長(cháng)環(huán)境所需的溫度、濕度、光照度和CO2濃度奠定基礎。

1 系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

溫室環(huán)境遠程數據采集系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲采用RS-485總線(xiàn)方式，系統以PC機為主機，以RM417模塊為從機，二者通過(guò)RS-232/RS-485接口轉換器連接，系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖1所示。

系統采用主從方式進(jìn)行多機通信，每個(gè)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(luò )的連接線(xiàn)采用雙屏蔽線(xiàn)，圖1中的R為平衡電阻，R=120 Ω，通信波特率為9 600 bit/s，串行數據格式為：1位起始位，8位數據位和1位停止位，無(wú)奇偶校驗位。

主機呼叫某一從機時(shí)，會(huì )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(shuō)明主機在呼叫自己，則將采集到的溫度、濕度、光照度和CO2濃度數據發(fā)送到網(wǎng)上，如果地址不相符，則不予理睬，繼續處于監聽(tīng)狀態(tài)。通信結束后，所有從機繼續處于監聽(tīng)和等待呼叫狀態(tài)。

2 系統硬件

2.1 傳感器

1)溫、濕度傳感變送器

本系統的室內外溫、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(shí)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，串行數據線(xiàn)DATA與單片機P0.5口連接，用于讀取數據，微處理器應驅動(dòng)DATA在低電平，采用一個(gè)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+讀數的1.5%，重復性：小于±20x10-6，穩定性：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(xiàn)采用12 V電源輸入，由于單片機P1口具有A/D轉換功能，將數據口與單片機的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的下拉電阻將數據口拉至低電平。

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(guò)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(mǎn)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(shí)，輸出為0～5 V電壓信號。

2.2 RS-232/RS-485接口轉換器

本系統采用無(wú)源RS232/RS485轉換器，能夠將RS-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(guò)RE和DE兩個(gè)引腳來(lái)控制數據的輸入和輸出。轉換電路如5所示，在本電路使用TX線(xiàn)和HIN232的9腳及Q5來(lái)控制MAX485的狀態(tài)切換。當N1H232芯片的9腳輸出高電平時(shí)，加在Q5的基極，經(jīng)過(guò)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(shí)MAX485就處于數據接收狀態(tài)。當PC機發(fā)送數據時(shí)，NIH232的9腳輸出低電平，加在Q5的基極，經(jīng)過(guò)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(shí)MAX485就處于數據發(fā)送狀態(tài)。

2.3 繼電器控制電路

繼電器控制電路見(jiàn)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(shí)，繼電器閉合，指示燈亮，外接電器開(kāi)始工作。當P3.6口輸出高電平時(shí)，繼電器斷開(kāi)，指示燈滅，外接電器停止工作。

2.4 前端數據采集器

前端數據采集器為中泰研創(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(xiàn)最多可以接16個(gè)RM模塊，每個(gè)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(lèi)型為讀操作。指令返回數據總共66位，前64位為16位通道上的數據，最后兩位為校驗碼。

3 系統軟件設計

3.1 主機軟件結構

在溫室環(huán)境遠程數據采集系統中，按照網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的幀格式編寫(xiě)的數據采集通信軟件，通過(guò)物理層最終完成主機與從機的數據傳送。系統主機為PC機，從機為前端數據采集器，主機與從機的通信采用半雙工方式，主機具有發(fā)送命令，接收和顯示數據、查詢(xún)歷史數據、曲線(xiàn)顯示、存儲打印、對數據采集進(jìn)行標度變換、數字濾波等預處理功能。從機完成數據采集、預處理和上傳數據等任務(wù)。溫室環(huán)境遠程數據采集系統軟件采用VC語(yǔ)言編程，采用層次模型組織數據采集系統的軟件，數據采集系統軟件結構如圖7所示。

進(jìn)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接口大多數是基于RS-232接口與電腦進(jìn)行通信，485協(xié)議的編程多數是基于串口編程的，RS-485支持一點(diǎn)對多點(diǎn)半雙工通信。因此系統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(shí)中斷0實(shí)現了串行控制的功能，在通信協(xié)議中詳細規定了控制命令幀、參數幀、地址幀、數據信息幀、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(yǔ)

文中提出了一種基于RS-485總線(xiàn)型溫室監測系統的方案，實(shí)現了監測節點(diǎn)對環(huán)境因子(溫濕度、CO2濃度測量、光照強度)的采集經(jīng)過(guò)RS-485總線(xiàn)傳輸到上位機，并能通過(guò)控制模塊電路對外圍設備的調控將溫室內的環(huán)境因子控制在作物生長(cháng)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(dòng)報警。系統作為一種便捷的數據采集監測系統，具有較好的可移植性，在后續的研究中可以采用模糊控制算法作為系統的控制策略，設計出溫室監測系統的模糊控制器，也可以加入其他所需的傳感器，實(shí)現其他參數的數據采集與傳輸。