陳 薇，張 教，余 玲

（1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥藍鷗自控科技有限公司，安徽 合肥 230088）

在農(nóng)業(yè)自動化中，對于農(nóng)作物生長的環(huán)境進行在線監(jiān)測一直沒有很好的方法.傳統(tǒng)的測量方法都是通過人工用簡單的儀器儀表來測量大棚中的溫度、濕度等物理量，這種測量方法每次只能測量某個局部環(huán)境，對于大面積的種植環(huán)境，就不能同時實時監(jiān)測大棚中不同局部的溫濕度，同時測量值也因人為因素而變得不精確.而現(xiàn)有的分布式監(jiān)測系統(tǒng)，往往都是基于Can總線或以太網(wǎng)的，這使得系統(tǒng)復雜而且監(jiān)測成本很高［1－5］，同時傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)往往不具備照明功能［6－8］.針對這些問題，作者基于RS－485總線采用Modbus協(xié)議，對大范圍的環(huán)境監(jiān)測設計一套分布式在線監(jiān)測與照明一體化系統(tǒng).

1 系統(tǒng)總體設計

分布式環(huán)境監(jiān)測與照明一體化系統(tǒng)主要是針對農(nóng)業(yè)自動化中大范圍內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測而設計的.為此該系統(tǒng)必須具有以下功能：環(huán)境參量的測量、穩(wěn)定可靠的通信、局部環(huán)境的照明控制、在線的環(huán)境監(jiān)控.針對以上功能，作者設計了一套比較完善的分布式環(huán)境監(jiān)測和照明一體化系統(tǒng).系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.該系統(tǒng)由上位機、主站和子站3部分組成.子站用于局部環(huán)境的監(jiān)測和照明控制，主站用于對各個子站進行管理，收集各個子站上傳的數(shù)據(jù)并對其進行存儲和轉(zhuǎn)發(fā).上位機界面實時顯示各個局部環(huán)境的測量值和掛接在各子站上照明燈的狀態(tài)，并當測量值超過一定閾值時進行相應的報警.

整個系統(tǒng)采用12VDC供電，照明燈板掛接在各個子站上，用于各個子站的局部照明.采用工業(yè)上常用的RS－485總線進行通信，由于RS－485總線信號采用差分方式傳輸，因此有很強的抗共模干擾能力.通信中采用Modbus通信格式、CRC16校驗方式及超時重發(fā)等，保證了通信的穩(wěn)定可靠［9－11］.

2 硬件實現(xiàn)

2.1 通信的硬件實現(xiàn)

采用低功耗電平轉(zhuǎn)換芯片MAX485作為收發(fā)器，該芯片的接收器具有失效保護特性，當輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出，因此具有較高的抗干擾性能.MAX485接口電路如圖2所示.

RO、RE、DE、DI分別連接到單片機的相應管腳，R1、R2、R3為上拉電阻，用于確保單片機在輸出高電平時MAX485芯片能接收到正確的高電平.R4為線路的匹配電阻，用于消除線路中的傳輸信號的反射.為了保證總線上其他分站的通信不受本分站硬件故障的影響，在RS－485電平信號的輸出端串接了兩個電阻R5和R6.采用穩(wěn)壓管D1和D2組成吸收電路，可以避免總線中的瞬時高壓，從而對MAX485芯片進行保護，保障了通信的可靠性.

2.2 照明燈板的硬件實現(xiàn)

采用高亮度LED燈珠來制作照明燈板.由于照明燈板掛接在子站上，而子站是由12V的直流電供電的，所以采用12個LED燈珠的串并聯(lián)來實現(xiàn).照明燈板的電路如圖3所示.

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 程序流程

主站根據(jù)上位機下發(fā)的命令對其下面的各個子站進行相應的管理，讀取各個子站的實時數(shù)據(jù)，對各個子站進行配置.主站的程序流程如圖4所示.子站的作用主要是響應主站的命令，發(fā)送實時數(shù)據(jù)和配置其自身的狀態(tài).子站的程序流程如圖5所示.

3.2 通信協(xié)議

整個系統(tǒng)采用統(tǒng)一的Modbus通信格式來實現(xiàn)，這種通信格式有確定的數(shù)據(jù)長度，子站可以從接收的數(shù)據(jù)長度來分析主站是否發(fā)送數(shù)據(jù)完畢，從而避免了總線時序上的混亂，同時采用CRC16的校驗方式，校驗準確率較高，從而保證了通信的可靠性［12－13］.Modbus通信數(shù)據(jù)幀格式如表1～4所示.

表1 Modbus協(xié)議讀請求數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 The read request data frame format of the Modbus protocol

表2 Modbus協(xié)議讀響應數(shù)據(jù)幀格式Tab.2 The read response data frame format of the Modbus protocol

表3 Modbus協(xié)議寫請求數(shù)據(jù)幀格式Tab.3 The write request data frame format of the Modbus protocol

表4 Modbus協(xié)議寫響應數(shù)據(jù)幀格式Tab.4 The write response data frame format of the Modbus protocol

3.3 通信過程

由于RS－485是主從方式通信的，所以在通信設計時要充分考慮接收和發(fā)送的時序，否則會造成總線上通信混亂.主機發(fā)送命令延時一段時間T后，若從機沒有響應，則主機重發(fā)命令；若收到從機響應，校驗正確則返回確認包，一次通信便完成.根據(jù)主機發(fā)送命令的時間和從機響應命令的時間，并留有充分余量的基礎上來確定延時時間T.上位機發(fā)命令時，上位機作為主機，主站作為從機；主站發(fā)命令時，主站作為主機，子站作為從機.通信的過程如圖6所示.

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

實際系統(tǒng)采用每個主站掛接7個子站的監(jiān)測方式，為了實驗方便以一個主站掛接3個子站為例.實驗時的實際系統(tǒng)如圖7所示.實驗結(jié)果表明系統(tǒng)完全能滿足相應的功能要求，同時通信穩(wěn)定、可靠性強.該系統(tǒng)上位機采用Microsoft Visual Basic6.0編程，實驗時的上位機界面如圖8所示.

5 結(jié)束語

作者設計了一種基于RS－485總線的分布式環(huán)境監(jiān)測與照明一體化系統(tǒng).該系統(tǒng)能較好地監(jiān)測整個大環(huán)境中各個局部環(huán)境的溫濕度，并且具有照明功能.整個系統(tǒng)成本低、可靠性強、便于實現(xiàn)、易推廣，具有較強的實用性.

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