基于485總線和虛擬儀器的智能農業監控系統設計

張曉朋

(平頂山學院 信息工程學院,河南 平頂山 467000)

基于485總線和虛擬儀器的智能農業監控系統設計

張曉朋

(平頂山學院 信息工程學院,河南 平頂山 467000)

針對傳統農業監控系統的不足，為了高效利用農業資源及實現智能農業，設計了一種基于485總線與LabVIEW的智能農業監控系統。選用Arduino控制器作為下位機，以PC機為上位機，兩者通過RS-485總線實現通信;系統能夠對農作物生長環境系統中的溫濕度、光照強度、土壤水分、CO2濃度等參數進行監控；當監控參數超限時，能夠自動控制相關設備進行自動調節，從而確保農作物處于適宜的生長環境;系統具有性價比高、擴展性強等優點，具有一定的推廣應用價值。

虛擬儀器；智能農業；485總線

0 引言

智能農業是目前農業發展的新方向，它根據農作物的生長習性及時調整土壤狀況和環境參數，以最少的投入獲得最高的收益，改變了傳統農業中必須依靠環境種植的弊端及粗放的生產經營管理模式，改善了農產品的質量與品質，調整了農業的產業結構，確保了農產品的總產量。隨著通信、計算機、傳感器等技術的迅猛發展，將物聯網應用到智能農業監控系統中已經是目前的發展趨勢，它將采集到的溫度、濕度、光照強度、土壤水分、二氧化碳濃度等農業信息進行加工、傳輸和利用，為農業生產在各個時期的精確管理和控制提供信息支持，從而制定出高效集約的可持續性發展方式，高效利用農業資源，實現可觀的經濟效益[1]。

基于上述原因，融合物聯網技術和分布式系統的思想，設計了一款基于485總線和虛擬儀器技術的智能農業監控系統。系統中，數據采集和控制終端采用Arduino作為核心，上位機軟件采用LabVIEW，兩者通過RS-485總線實現通信。系統結構模塊化，易于維護，可根據需求熱插拔擴展總線網的傳感器節點，是一種成本經濟、穩定可靠的行業解決方案[2]。

1 系統結構框圖及工作原理

系統的總體結構如圖1所示。各個節點(編號1、2、3、…區分)代表不同的農業監控區域，各節點采用相同的結構；各監控區域中，Arduino控制器通過485總線接收上位機的數據采集命令，分別采集該區域的氣候數據(溫濕度、光照強度、土壤水分、CO2濃度等)，然后將監測數據通過485總線總線傳遞給上位機，使上位機能及時獲取監控節點的現場環境參數；同時，上位機根據設定的環境參數范圍，通過485總線發送控制命令給各監控區域的Arduino控制器，進而控制光藕繼電器陣列啟動對應監控區域的執行機構來調節目標區域的氣候，使各種農作物均處于適宜生長的環境。

圖1 系統的總體結構框圖

2 硬件設計

2.1 Arduion部分設計

Arduino Mega2560是采用USB接口的核心電路板，它的處理器核心是ATmega2560，同時具有54路數字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，4路UART接口，輸出電源電壓主要有5V和3.3 V[3]。在基于485總線的智能農業監控系統中，每個節點配置一個Arduino Mega2560控制器，通過MAX485模塊掛在RS-485總線上。

2.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度傳感模塊，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[4]。將DHT11溫濕度傳感器的VCC、GND、DQ分別連接至Arduino Mega2560控制器的+5V、GND、數字端口D2，并在數字端口D2接一個上拉電阻。

2.3 光照強度傳感器

光照強度傳感器采用BH1750FVI，是一種兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器，可以探測較大范圍的光照度變化[5]。將BH1750FVI傳感器的VCC、GND、SCL、SDA和ADD分別連接至Arduino Mega2560控制器的+5V、GND、SCL、SDA和GND，使BH1750FVI工作在低地址模式。

2.4 土壤水分傳感器

土壤水分傳感器采用價格低廉的電阻式水分傳感器，可以根據使用需要更換為抗電離腐蝕的專用數字土壤水分傳感器。將水分傳感器的VCC、GND、VOUT分別連接至Arduino Mega2560控制器的+5V、GND、模擬端口A0[6]。

2.5 CO2濃度傳感器

CO2濃度傳感器采用MG-811 CO2探頭，對CO2極為敏感，同時還能排除酒精和CO的干擾。將MG-811氣體傳感器的兩個H引腳通過加熱電源接口接至加熱電源的正負極；將A端連接至Arduino Mega2560控制器的+5V，將B端接至Arduino Mega2560控制器的模擬輸入端A1，并在A1與GND直接串接負載電阻[7]。

2.6 執行機構的驅動電路設計

執行機構(包括加溫器、水泵、補光燈、風機)的供電電壓為交流220V，而Arduino Mega2560控制器的輸出電壓范圍為直流0～5 V，故不能直接用于驅動執行機構，需要通過繼電器來實現[8]。本設計中采用Easy-Y公司的型號為Relay-4-H-5V的繼電器組，它是一種4路帶光耦繼電器模塊，輸入直流5V，輸出250VAC/10A。

將Relay-4-H-5V固態繼電器模組的輸入控制端分別接至Arduino Mega2560控制器的數字引腳D3、D4、D5、D6、GND；將Relay-4-H-5V固態繼電器模組的輸出控制端分別接至加溫器、水泵、補光燈、風機等執行機構。

2.7 RS-485串行通信模塊

RS-485作為串口通信的標準之一，采用平衡傳輸方式。當采用二線制時，可以實現多點雙向通信，總線上最多可接32個設備，最大傳輸距離約為1 200 m[9]。

在使用RS -485總線時，Arduino端主要采用MAX485接口模塊完成RS-485與TTL電平的轉換，將MAX485接口模塊的RO、DI分別連接至Arduino Mega2560控制器的RX0、TX0，RE、DI分別接數字端口D7、D8。上位機端通過USB/RS-485轉換電路，先將USB信號轉化為TTL信號，再由TTL信號轉化為RS-485信號。

3 軟件設計

3.1 Arduion程序設計

Arduino控制器的工作流程如圖2所示。首先，控制器完成串口、傳感器以及執行機構的初始化；接著，控制器檢測串口是否收到上位機的有效命令，并判斷該命令是否是本節點的命令；然后，控制器根據接收到的采集命令執行溫濕度、光照強度、土壤水分、CO2濃度等參數的采集，并通過串口發送給上位機；最后，控制器根據接收到的控制命令打開或者關閉加溫器、水泵、補光燈、風機等執行機構，完成監控區域的氣候調節。

圖2 Arduino程序流程圖

3.2 LabVIEW程序設計

LabVIEW上位機的工作過程為：1)根據所選擇的節點，依次通過RS -485總線發送不同節點的溫濕度、光照強度、土壤水分、CO2濃度的數據采集命令；2)不同節點的Arduino控制器通過串口和MAX485模塊從RS -485總線上接收上位機的命令，然后判斷接收的命令中節點號是否與自己的節點號匹配，如果匹配則實現相應的數據采集之后并把數據回傳；3)如果不匹配，則舍棄當前接收的命令，重新等待下次命令的到來；4)上位機對相關回傳數據進行顯示，如果相關數據超限，立即向對應節點的下位機Arduino控制器發送命令以控制相關執行機構的打開或關閉，完成該節點監控區域的氣候調節。

3.2.1 前面板設計

前面板如圖3所示。分為串口選擇、節點選擇、工作指示燈、電源開關、數據顯示和超限指示燈模塊。串口選擇用于選擇進行通信的串口；節點選擇用于選擇當前檢測的節點；工作指示燈用于指示系統是否正常工作；電源開關用于打開或關閉監控系統；數據顯示模塊用于顯示各節點的監控數據，這里只給出了3個節點的監控顯示；超限指示燈部分用于各節點監控數據的超限報警。

圖3 LabVIEW上位機界面

3.2.2 程序框圖設計

采用事件結構+超時結構來實現LabVIEW上位機主程序，主程序分為數據測量和執行機構控制兩部分。在0號超時事件中實現數據測量，使用條件結構+移位寄存器的狀態機來實現，將主程序劃分為5個狀態：0狀態為串口初始化，1狀態為溫濕度檢測，2狀態為光照強度檢測，3狀態為土壤水分檢測，4狀態為CO2濃度檢測[10]。

通信部分采用如下的通信協議：幀頭+節點代號+操作碼。0x66為幀頭；節點代號有0xD1位1號節點的代號，0xD2位2號節點的代號，0xD3位3號節點的代號，依次類推；操作碼有0x10為溫濕度檢測，0x20為光照強度檢測，0x30為土壤水分檢測，0x40為CO2濃度檢測，0x50為打開加溫器，0x51為關閉加溫器，0x60為打開補光燈，0x61為關閉補光燈，0x70為打開水泵，0x71為關閉水泵，0x80為打開風機，0x81為關閉風機。

0號超時事件分支中，CO2濃度檢測分支的程序框圖如圖4所示(以1號節點為例)，上位機通過485總線發送數據采集命令0x66D140給下位機Arduino控制器，接著延時一秒，然后通過485總線讀取CO2濃度數據并進行顯示，同時對濃度數據進行判斷，若濃度超限，則濃度超限指示燈由綠燈變為紅燈，從而觸發相應的事件進而打開風機進行CO2濃度調節。溫濕度檢測、光照強度檢測和土壤水分檢測分支的程序框圖和工作過程與此類似。

圖4 超時事件的部分程序框圖

1～15號事件分支分別對應三個節點的溫度、濕度、光照強度、土壤水分和CO2濃度超限事件的處理。1號節點CO2濃度超限事件的程序框圖如圖5所示，當觸發該事件時，通過判斷CO2濃度超限指示燈的狀態，給下位機Arduino控制器發送不同的控制命令，打開或關閉風機，從而自動調節CO2的濃度。若CO2濃度超限指示燈為紅燈，則通過485總線發送控制命令0x66D180給下位機Arduino控制器，通過下位機驅動相應的繼電器進而打開風機進行通風；若CO2濃度超限指示燈為綠燈，則通過485總線發送控制命令0x66D181給下位機Arduino控制器，通過下位機驅動相應的繼電器進而關閉風機。溫度、濕度、光照強度、土壤水分超限事件的程序框圖和工作過程與此類似。

圖5 CO2濃度超限事件的程序框圖

4 實驗測試

系統啟動后，各采集節點每隔一段時間采集一次溫度、濕度、光照強度、土壤水分、二氧化碳濃度等數據，并發送給LabVIEW上位機；上位機根據設定的環境參數范圍，發送控制命令給各監控區域的Arduino控制器，進而控制光藕繼電器陣列啟動對應監控區域的執行機構來調節目標區域的氣候。圖6為1號和2號節點的監控數據及各機構動作情況對比圖。測試結果表明該監控系統數據傳輸可靠高，穩定性好。

圖6 1號和2號節點監控數據對比

5 結束語

基于485總線和虛擬儀器技術的智能農業監控系統，采用RS-485總線作為每個子節點與上位機總站的通信方式，巧妙地利用了485總線的抗干擾能力強的優點實現了上位機遠程的實時監控。數據采集和控制終端采用Arduino作為核心，完成各節點區域農業氣候參數的測量和調節。系統采用模塊化設計，可以增加節點的數量從而擴大監控區域；每個節點也可以增加傳感器和執行機構，實現對更多農業參數的監控和自動調節[11]。系統具有性能穩定、使用靈活、結構模塊化的特點，是智能化監控儀器系統在農業領域的典型應用，具有良好的市場前景和應用價值[12]。

[1] 王 凡，楊 亮. 基于開源硬件與虛擬儀器的智能農業監測系統設討[J]. 電子技術應用，2015，41(4)：73-76.

[2] 可曉海，張文超，唐開輝，等. 基于GSM網絡和485總線的農業監控系統設計[J]. 中國農機化學報，2016，37(5)：213-217.

[3] 廖建尚.基于物聯網的溫室大棚環境監控系統設計方法[J]. 農業工程學報，2016，24(11)：32-35.

[4] 郭陽明.基于虛擬儀器的溫濕度測量系統設計與實現[J].計算機仿真， 2008，25(5)：302-305.

[5] 張 新，陳蘭生，趙 俊. 基于物聯網技術的智慧農業大棚設計與應用[J].中國農機化學報，2015(5)：124-127.

[6] 吳 舟.基于移動互聯網的農業大棚智能監控系統的設計與實現[D]. 北京：北京郵電大學，2013.

[7] 丁文飛，孫會楠，邢彥辰. 基于Wi-Fi的農業大棚監控系統的設計[J]. 安徽農業科學，2015，5(33)：154-157.

[8] 李圣華，肖傳輝.基于物聯網技術的智能農業系統設計[J].科技廣場，2011(7)：73-75.

[9] 周金芝，楊 明. 基于RS-485總線的土壤濕度監控系統設計與實現[J]. 湖北文理學院學報，2016(5)：66-69.

[10] 聶 影，馮向軍，廖 瑛.基于LabVIEW的狀態機模型研究[J].計算機測量與控制，2007，15(9)：1166-1168.

[11] 張小偉.基于物聯網技術的農業大棚監控系統研究[D]. 陜西：陜西科技大學，2014.

[12] 黃 杰. 基于Web的農業溫室遠程監控系統設計[J]. 自動化與信息工程，2015(4)：85-88.

Design of Intelligent Agriculture Monitoring System Based on 485 Bus and Virtual Instrument

Zhang Xiaopeng

(College of Electrical Information Engineering, Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China)

In view of the deficiency of the traditional agricultural monitoring system, a kind of intelligent agriculture monitoring system based on 485 bus and LabVIEW is designed in order to utilize the agricultural resources and realize intelligent agriculture efficiently. Arduino controller as the next bit machine, PC machine as the host computer, both through the RS-485 bus to achieve communication. System can monitor crops growth environment about temperature and humidity, light intensity and soil humidity, CO2 concentration parameter; when the monitoring parameters overrun to automatic control equipment of automatic adjustment, so as to ensure that the crop is in a suitable environment for the growth. The system has the advantages of high cost performance, strong expansibility, and so on. It has certain value of popularization and application.

LabVIEW; intelligent agriculture; 485 bus

2016-09-06；

2016-12-19。

河南省教育廳科學技術研究重點項目(12B510025)。

張曉朋(1978-)，男，河南省許昌市人，碩士研究生，講師，主要從事微電子技術及其應用方向的研究。

1671-4598(2017)02-0085-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.023

TH86；TP277

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