基于Modbus的寒地水稻育秧環境智能監控系統

范學佳，趙　斌，衣淑娟，董淏鳴，李　鑫

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶　163319)

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基于Modbus的寒地水稻育秧環境智能監控系統

范學佳，趙斌，衣淑娟，董淏鳴，李鑫

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶163319)

摘要：針對墾區工廠化育秧生產自動化與信息化的需求，為了促進育秧生產和管理效率、及時掌握育秧環境的參數，設計了一套基于Modbus的智能監控系統。該系統PC機與育秧大棚主機監控器之間采用無線的形式進行通信，通過監控中心就可以對育秧環境參數進行監測；主機監控器與從機采集器之間采用Modbus協議的RS485總線方式進行通信。該系統還具有噴灌和卷簾自動控制功能。同時，利用嵌入式微處理器技術、自動控制技術、通信技術和傳感器技術相結合的方式，實現對育秧環境的實時監測，進而對秧苗的生長環境進行合理調控，以提高其品質。

關鍵詞：寒地水稻；育秧大棚；嵌入式微處理器；Modbus；監控

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。黑龍江墾區地處東北亞經濟區位中心，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略后備基地，水稻則是墾區主要的糧食作物。目前，墾區的各個農場建有標準的工廠化育秧大棚，進行集中的育秧，以強化管理、降低投入成本。水稻育秧每年的3月份在標準的育秧棚內需要培育1個多月的時間,秧苗長勢的好與壞對作物的產量是有很大的影響。因此，對秧苗的生長環境進行實時監測，從而進行合理的調控，為秧苗的生長提供最佳的生長環境是必要的。目前，墾區對育秧環境的管理還是采用傳統的人工方式，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，設計一套寒地水稻育秧環境智能監控系統來解決育秧大棚環境調控的問題是極為重要的。

席桂清等[1]等提出并開發了基于GSM網絡的智能監測系統，可以實現對育秧環境參數的測量、顯示、存儲，每隔設定的時間或大棚內溫濕度超過設定的閾值，系統通過GSM網絡自動發送數據到指定手機上，方便、快捷、準確地指導稻農進行育苗管理。魏曉輝等[2]等采用硬件分系統設計方式設計了一套智能化育秧環境監控系統，以實現遠程監控與管理，應用RS485通信技術可以減少棚內布線，提高數據傳輸可靠性和采集設備的拆組性。

以上的系統設計中，在進行通信時都是采用自己定義的協議，系統的擴展性不是很好，自身還存在一些缺陷，對以后的系統維護也會帶來很大的不便。Modbus協議是一種工業上通用現場總線標準，各設備彼此之間通過此協議可以相互進行通信，并可支持RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備[3]。本研究將Modbus協議與RS485總線相結合引入到寒地水稻育秧環境智能監控系統中，以解決上述問題。本文采用嵌入式微處理器技術、傳感器技術、通信技術、計算機技術及自動控制技術，實現育秧棚環境參數的自動調節，提高了墾區工廠化育秧生產過程中的自動化程度、減少了人力資源的浪費，為秧苗生長提供最優的生長環境。

1系統總體設計

系統的總體結構如圖1所示。大多數農場采用集中建設育秧大棚，便于集中育秧、集中管理，為保苗壯秧提供良好的設施條件。該系統由兩部分組成：一是以PC機作為上位機，通過與下位機進行相互通信，把下位機采集的數據傳送到上位機上進行顯示和保存，在監控中心就能時刻監測育秧棚里的環境。同時，上位機也可以向下位機發送一些指令，命令下位機去執行相應的動作。由于育秧大棚離監控中心的距離比較遠，如果采用有線的形式進行數據傳輸可能會造成信號的衰減，所以采用無線模塊形式進行上位機與下位機之間的數據傳輸，可以很好地保證數據傳輸的可靠性，節約成本。二是以嵌入式控制器做下位機，主要實現數據的通信及控制執行機構動作等功能。下位機與采集器之間遵守Modbus協議的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、光照強度及土壤pH值等數據進行采集，把采集的數據傳輸給下位機，并在液晶屏上顯示，便于農戶實時掌握育秧棚內的環境情況。該系統的執行機構可以實現手動控制和自動控制兩種工作方式。如果上位機出現了系統故障，可以采用手動控制方式對育秧棚內環境情況進行調控。

圖1　系統總體設計圖

2下位機的系統設計

下位機系統包括主機監控器和從機采集器兩部分。主機監控器與從機采集器之間進行通信時，從機采集器將采集棚內的參數傳送給主監控器，通過JM12864F液晶屏上顯示當時棚內的環境參數，并將采集的參數通過無線的方式上傳給上位機，且接收上位機發出的指令，控制執行機構工作，對棚內的環境情況進行調控。

2.1主機監控器設計

主機監控器由作為控制核心的STC12C5A08S2、數據接收模塊、執行機構控制電路及無線傳輸接口等電路組成。STC12C5A08S2單片機具有低功耗、抗干擾能力強、運行速度快、高穩定性、內部嵌入A/D轉換，以及具有雙串口、斷電自動保存數據等功能。主機與從機采用主從式多機通信方式，主機同時向多個下位機發送采集數據的指令，下位機根據接收的指令并判斷是否與主機進行通信，下位機利用無線模塊將數據傳遞給上位機，并接收上位機發送的調控指令。

該系統對執行機構的控制具有手動控制和自動控制兩種方式。執行結構的核心部件主要包括卷簾器和電磁閥。如果上位機向下位機發送手動控制方式時，只需通過控制面板就可以控制執行機構動作；如果采用自動控制方式，下位機通過采集的參數與上位機設置好的閾值進行比對，確定是否控制執行機構動作。卷簾器采用24V直流電機KOS4060，為了防止電機破壞棚膜，在左右電機的行程上安裝了上下限位行程開關。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系統產生干擾，利用光電耦合器將5V系統和24V系統隔離開，從而提高了系統的穩定性。

2.2從機采集器的設計

在育秧棚中設置3個從機采集器，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包括2個空氣溫濕度數據、1個土壤溫度數據、1個土壤水分數據；2號采集器在此基礎上增加了1個照度數據、1個CO2濃度數據和1個pH數據。選用STC12C5A08S2作為從機采集器的核心，每個從機采集器主要由單片機最小系統、數據采集模塊及MAX485通信模塊組成，主要負責對環境參數的采集，并與主機監控器進行通信。

該系統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精密電阻來實現電阻—電壓轉換，轉化后將信號輸入STC12C5A08S2的具有A/D轉換功能的I/O中，進行數據處理。二類傳感器是數字類傳感器，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字信號，便于與處理器直接連接，無需在使用A/D轉換功能。

2.3通信模塊的設計

系統采用無線方式與上位機進行通信，無線模塊采用SRWF-1028。該無線通信模塊具有很強的抗干擾能力，全透明傳輸，體積小、具有功耗低傳輸距離遠的特點，與下位機嵌入式微處理器采用232通信方式連接。下位機將采集的環境參數和電磁閥、卷簾器的狀態信息發送給無線模塊，依據與上位機的協議把相應的信息發送給上位機的無線模塊，實現數據的上傳[4]。同時，下位機也可以接受上位機的指令，去完成指令的內容。

3系統通信協議及軟件設計

3.1MODBUS協議

Modbus是目前主流現場總線協議之一，通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其它設備之間可以通信[5]。Modbus協議定義了無論采用何種網絡通信，每個控制器都能認識Modbus協議規范的消息結構。在同一個Modbus網絡中通信時,該協議規定了每個從設備要有自己的地址；主控制與從設備進行通信時，從設備是按照判斷地址發來的消息來完成相應的操作。

Modbus串行鏈路協議是一個主-從協議。在同一時刻，僅有一個主節點(主機)連接與總線上，一個或多個子節點(從機)(最大編號為247)連接于同一個串行總線。通訊方式采用請求/應答的形式，由主機發送請求幀，所有從設備都接收該幀，并對消息地址進行解析，判斷與自己的地址是否匹配：不匹配則丟棄該幀，繼續接受總線上傳來的消息；只有與地址信息相匹配的從機才會進一步進行解析。若解析后校驗的結果是錯誤，從站會丟棄此幀，并向主機發送錯誤信號；如果沒有錯誤，繼續進行解析，提取功能碼的信息，進而執行主機發來的命令。一般情況下，當從設備發送錯誤信號給主機和在設定的時間內主機沒有接到響應時，主機就會立即重新發送信息給從機設備；從機在沒有接收到主機的請求時，不會自動發送數據，從機之間不能進行通信。在任意時刻，主機只能處理一個Modbus事務。

Modbus網絡通信包括ASCII和RTU兩種傳輸模式。無論配置何種傳輸模式，網絡中的所有設備必須采用相同的傳輸模式和相同的串口參數(波特率、校驗方式等)。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據。

在Modbus協議中消息是通過幀的格式進行傳輸，當接收到消息幀時，開始解析幀格式中的每個部分。采用不同的傳輸模式時校驗方法也不相同,RTU傳輸模式通常采用CRC錯誤校驗方法，進行循環冗余校驗碼(CRC)校驗，判斷數據的合法性和有效性。CRC可以檢驗主機或從機在通信時數據傳輸過程中消息是否準確，如果是錯誤的消息，數據即可丟棄[6]。在幀格式中，采用不同的功能代碼表示的指令也不相同，在協議中已經規定了一些功能代碼的功能，編程時必須按照協議的要求進行設置。

3.2軟件設計

寒地水稻育秧環境智能監控系統軟件分為上位機系統軟件和下位機系統軟件：上位機軟件負責數據的存儲、顯示、查詢及下位機管理等功能，系統采用C#語言進行編寫；下位機軟件由主機監控器通信的軟件和從機采集器通信的軟件組成。首先，下位機系統中的主機監視器、各從機采集器初始化，各從機采集器進行采集數據；主機監控器在沒有接到上位機指令時，與各采集器進行通信，接收數據的采集，并儲存在RAM中；當收到上位機指令時，進行上位機指令的處理。為了防止數據跑飛，各單片機都啟動“看門狗”定時器。圖2為主監視器與上位機通信軟件流程圖，圖3為主監視器與從機采集器的通信軟件流程圖。

圖2　主機監控器的通信軟件流程圖

圖3　從機采集器的通信軟件流程圖

4系統運行驗證

在八五九農場的10棟育秧棚中，每棟育秧棚布置了15個傳感器，通過上位機串口通信軟件，實時對育秧棚內的環境參數進行采集。圖4為單個育秧棚內空氣溫度曲線變化圖。

圖4　空氣溫度變化曲線

5結論

針對育秧棚監控系統存在的不足，設計了基于Modbus的寒地水稻育秧環境智能監控系統。本系統已經在八五九農場進行了實際的應用，從現場運行的情況來看，系統運行穩定，可以很好地滿足對育秧棚環境參數的實時監測和育秧棚內環境參數的調控，為秧苗的生長提供適宜的生長環境。

參考文獻：

[1]席桂清,田芳明,衣淑娟.寒地水稻育秧大棚智能監測系統設計與試驗[J].農機化研究，2011,33(11)：40-43.

[2]衣淑娟，魏曉暉，趙斌,等.基于多機通信的智能化水稻育秧棚監控系統設計與應用[J].農機化研究，2014,34(12):11-14.

[3]孫剛,吳文彪，鄭文剛，等.采用MODBUS的灌溉用水遠程自動抄表系統[J].農業工程學報，2008，24(2)：76-80.

[4]田芳明，衣淑娟，譚峰,等.智能育秧群棚監控系統的設計與應用[J].廣東農業科學，2012(2)：126-129.

[5]毛建一，陳淵睿，伍常順.基于Modbus協議的電能監控系統網絡通信的實現[J].工業控制計算機，2008,21(4)：78-79.

[6]文小玲，余飛，盧圣文，等.基于Modbus協議的串口通信軟件設計[J].湖南工業大學學報，2008,22(6)：100-102.

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

文獻標識碼：A

作者簡介：范學佳(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，碩士生導師，(E-mail)616283364@qq.com。

基金項目：黑龍江省科技廳項目(GZ13B013)

收稿日期：2015-01-05