多網絡節點的智能溫室控制系統設計

莫浩然，徐曉輝，張圣明，蘇彥莽，李婉寧，張鈺輝（河北工業大學 電子信息工程學院，天津300401）

多網絡節點的智能溫室控制系統設計

莫浩然，徐曉輝，張圣明，蘇彥莽，李婉寧，張鈺輝
（河北工業大學 電子信息工程學院，天津300401）

隨著農業發展，溫室控制的自動化越來越重要。溫室中的各個監控區域距離在幾十到上千米之間，它們與溫室操作人員距離較遠，傳統的獨立控制往往不方便。為了便于控制和數據管理，需要建立分布式溫室控制系統進行集中測控。本系統選用合適的傳感器和單片機進行環境采集，并通過搭建RS-485總線來連接各個采集點與用戶PC端，實現對多個溫室環境的采集，然后將數據上傳到用戶PC客戶端。實驗結果表明，PC客戶端可以方便高效地對多個網絡節點的溫室進行綜合測控。

RS-485總線；智能溫室；多網絡節點；監控系統

土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、CO2濃度和光照度等因素，對作物生長起著關鍵性作用。溫室能為作物提供相對穩定、適宜的生長環境。用多個傳感器和具有執行機構的控制器等構成一個獨立的溫室控制系統，來測量和控制單個溫室相應環境參數，使植物獲得生長的最佳條件。然而，在實際中，一個農場往往由多個獨立溫室組成，各個溫室可能有不同環境參數要求。為了便于監控管理，數據分析以及節約系統布置成本，將多個這樣的網絡節點組網構成多網路節點的控制系統。

1 系統方案總體設計

系統設計目標是建立基于RS-485總線的傳感器網絡，并對多個溫室進行環境檢測與控制。其中，控制具有自動控制和用戶手動控制兩種模式。本設計包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分由網絡節點核心模塊、數據采集模塊、控制執行器、GSM模塊等組成；軟件部分由網絡節點核心處理系統以及PC客戶端組成。

網絡節點核心模塊能夠直接處理來自采集模塊的數據，并對執行器發出控制指令，亦可接收來自PC客戶端的主動控制指令。采集模塊負責采集空氣濕度、溫度，CO2濃度，土壤濕度，光照強度等溫室環境參數。網絡節點核心模塊獲取環境參數后通過RS-485總線將數據傳輸到PC客戶端。系統可以通過GSM向手機端傳遞溫室基本信息和警報信息。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 網絡節點各模塊設計

2.1 環境參數采集模塊

在環境采集中，不同的傳感器模塊具有不同的輸出特性，本系統采用了多種采集方式，如電流、數字信號、電壓，系統具有可拓展性。

2.1.1 土壤水分傳感器

土壤濕度傳感器選用基于 FDR（Frequency Domain Reflectometry）頻域反射技術的濕度傳感器，具體型號為TDR-3。它主要利用電磁脈沖原理，根據電磁波在土壤中傳播的頻率來測試土壤的表觀靜電常數，從而得到土壤體積含水量[3]。

因為同一個溫室里土壤濕度分布不均勻，所以每個節點需要采集多個地點的土壤濕度。一片區域中某些采集點距離單片機片內AD轉換模塊較遠，所以需要利用電流傳輸采集的濕度信息并在單片機端轉換成電壓量再進行AD采集。TDR-3A的輸出電流為4～20 mA。Kinetis系列單片機AD采集的參考電壓為3.3 V，需要增加一個轉換電路，使4～20 mA的電流量轉換為最高3.3 V的電壓量。轉換電路使用MCP6002和一個165 Ω電阻，如圖2電路進行轉換。

圖2 電流信號轉電壓信號的電路

2.1.2 溫度傳感器

系統對溫室的大氣溫度與土壤溫度分別進行采集。溫度傳感器采用DS18B20。DS18B20具有單線接口方式，在與單片機連接時僅需要一條口線即可實現雙向通訊，且每一個傳感器都有獨立的編碼。

DS18B20具有外部供電和寄生供電兩種模式。如果采用寄生供電，在溫度較高的時候內部供電電容會存在較大的漏電流。本系統的每個網絡節點都需要連接多個DS18B20，所以采用外部供電才能滿足電流需求，連接方式如圖3所示。

圖3 溫度傳感器總線連接方式

2.1.3 CO2濃度傳感器

采用NDIR技術的B530 CO2濃度傳感器是一款電壓量輸出模塊。其線性度好，靈敏度高。測量范圍從0%～10%，且對應的電壓輸出為0.5～4.5 V。圖4為該傳感器的輸出特性曲線，滿足現場需求。

圖4 B530輸出特性曲線

2.2 GSM通信模塊

GSM通信在移動通信方式中具有技術成熟穩定、應用廣泛、布置成本較低的優點，即使偏遠種植區或林區也有信號覆蓋。利用GSM模塊將環境參數采集模塊采集到的異常信息以短消息的形式及時傳送到手機端，實現手機客戶端對溫室環境參數的監測，為用戶提供預警。

2.2.1 GTM900C模塊硬件連接

本系統選用GTM900C模塊，支持標準AT指令和V2.5AT指令，能提供短信、數據業務等功能。應用在農業控制領域價格比較合適，利用GSM通信切實可行。

在本系統中，將GSM模塊與單片機連接，通過UART進行串行通信，通信采用默認速率，9600 bit/s。GTM900C模塊有40個引腳，其中主要引腳與K60單片機連接方式如表1所示。

表1GTM900C主要引腳接法

2.2.2 GSM模塊程序設計

溫室系統的短信報警觸發由上位機根據用戶設定的閾值來決定。當任意節點采集到超出正常范圍的環境參數時，由上位機向總線發出短信警報指令給GSM模塊。

為了系統工作穩定，GSM模塊上電半分鐘后，單片機再發送設置短信上報機制的指令。初始化完成后，因為室外環境相對不穩定，單片機發送AT控制指令時采用多次發送的方式，如果經過20次發送仍然沒有得到正確響應，則亮起故障指示燈。程序流程圖如圖5所示。

圖5GSM模塊程序框圖

3 多網絡節點RS485通信設計

將各個設備（溫室網絡節點、PC客戶端等）都連接在RS-485通信總線上。總線采用差分信號負邏輯方式，具有抑制共模干擾的特點。最大通信距離為1.219 km，能夠滿足溫室監測系統的現場使用條件。

3.1 RS-485總線通信與其他硬件電路搭接

該設計采用RS-485串行總線標準，而各個網絡節點、上位機所發送的都是TTL電平，故需要在節點與總線間連接MAX485芯片將TTL電平轉換為485電平。反之，與總線連接的上位機能夠接受的是TTL電平，故還需將電路中485總線與上位機連接處接入MAX485芯片，將485電平轉換為TTL電平。通信總線采用屏蔽雙絞線連接，可以有效地避免共模干擾。

為了方便電路設計，將該電路分為了電源、232電平轉換、和485電路3個模塊。該電路采用了無源RS232/RS485芯片，可以將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。MAX485和HIN232P芯片可以從PC端RS-232接口的DTR端和RTS供電，因此無需額外電源。經過實驗測得，232串口的RTS和DTR針腳輸出高電平時大約能提供18 mA的電流，完全滿足整個電路的需求。

3.2 控制系統通信協議設計

3.2.1 RS-485通信協議

通信協議包括物理層和數據鏈路層。物理層功能包含串并轉換、起始位、校驗位、停止位。Linux系統驅動程序已經很成熟，實現了物理層所有功能。

鏈路層由數據幀和特殊功能幀組成。其中數據幀依次包含起始位（0x7E）、源地址（1 Byte）、目的地址（1 Byte）、數據長度（1 Byte）、數據段（0Byte～255 Byte）、CRC循環冗余校驗（1 Byte）、停止符（0x7D）。源地址和目的地址用于尋址，每個節點和上位機都有唯一的地址，用于區分主機與其它節點，0xFF作為廣播地址。數據段的長度由數據長度位控制，最大255 BVFyte，通常一個現場的溫室節點數不超過32個，每個節點包含的環境參數信息不超過10個，所以最大255字節足夠。對于數據段大于255 Byte的數據，進行分幀傳輸，每完成一幀發送后等待接收應答，確認后繼續發送下一幀。

特殊功能幀包含申請幀 （0xB1）、總線釋放幀（0xB0）、確認幀（0xAA）。總線上同一時刻只能有一個節點處于發送狀態，否則會引起沖突。若收到0xB1，則總線繁忙狀態置1；若為0xB0則狀態置0。

3.2.2 手動控制協議設計

上位機收到節點的環境參數后會存貯數據并顯示。用戶可以利用上位機將溫室系統切換到手動模式，通過發送特定的節點的地址編號，對相應節點進行直接控制。控制協議數據如表2所示。

表2 控制段數據單元

表2中的控制指令說明如下：Oder，為指令編號，由主機發出，0x01表示控制灌溉，0x02表示啟用GSM模塊報警；ConPort，按端口進行控制；ConT，開啟端口的持續時間，單位為秒，此位對GSM模塊無效。

4 結束語

本文論述了基于RS-485總線對多個溫室進行智能控制的方案。每個溫室節點既是獨立的控制閉環系統，也是能受用戶端手動控制的一個網絡節點。短信預警功能穩定、成本較低，切合實際需求，本系統在實際應用中受到用戶好評。

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Design of the intelligent control system for greenhouse with multiple network nodes

MO Hao-ran，XUN Xiao-hui，ZHANG Sheng-ming，SU Yan-mang，LI Wan-ning，ZHANG Yu-hui
（School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

Modern greenhouse usually adopts distributed detection and control system.And the distance between two monitoring areas is ranging from a few tens of meters to several kilometers.These greenhouses are far away from greenhouse operators.For this system，collection points and user sides are connected by RS-485 bus.Thus，the greenhouse environment is collected by multiple collection points and the related data is uploaded to the PC side of users.In addition，in case of abnormal environment parameters，text-message alerts will be sent.

RS-485 bus；intelligent greenhouse；multiple network nodes；monitor system.

TN<711.5 文獻標識碼：A class="emphasis_bold">711.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674－6236（2017）07-0144-04711.5 文獻標識碼：A

1674－6236（2017）07-0144-04

A 文章編號：1674－6236（2017）07-0144-04

2016-05-19稿件編號：201605186

河北省科技支撐計劃（16220308D）；石家莊市科技支撐計劃（161130032A）；國家大學生創新創業訓練計劃項目（201410080028）

莫浩然（1993—），男，重慶人。研究方向：物聯網系統。