基于Modbus-RTU的花卉育種溫室灌溉控制系統設計

摘要：針對花卉對按需灌溉和生長環境的需求及PLC模擬量輸入、輸出模塊數量有限等缺點，設計了基于西門子S7-200 SMART系列PLC為核心的灌溉控制系統。該控制系統利用Modbus-RTU通信，采用輪詢的方式采集變頻器、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度及土壤電導率等參數，控制變頻器運行頻率實現對花卉的按需灌溉，并利用工業以太網把相關參數上傳至MCGS觸摸屏進行精細化管理。

關鍵詞：Modbus-RTU;灌溉;PLC;溫濕度;光照度;電導率

中圖分類號：F301

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020）12-0164-03

DOI：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.036

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著科學技術的日新月異，現代自動控制技術在農業溫室大棚中的應用也越來越廣泛，實現傳統農業生產方式的精耕細作與現代信息技術、智能裝備技術的深度融合。

在農業智能灌溉控制方面，王福平等[1]、李興澤等[2]為了解決農村農業灌溉質量不高，能源利用率低等問題，結合物聯網技術、PLC控制技術和GPRS技術，以GPRS+Zigbee無線組網技術為核心，設計了以主從模式的灌溉泵站的控制、田間環境參數的采集等智能灌溉監控系統;在花卉育種溫室環境控制方面，龍建明等[3]、李燕飛等[4]通過基于STC單片機為核心控制器開發的溫室控制系統，取得了較好的溫濕度控制效果，但單片機系統相對開發周期較長、且后期維護較困難的缺點仍然無法徹底解決。為解決單片機系統開發及維護方面的不足，張伏等[5]提出用西門子S7-200系列PLC（CPU模塊）和EM235模擬量模塊，開發PLC控制系統對溫室溫濕度等環境參數進行采集并實現對溫室花卉育苗環境的控制，但模擬量模塊擴展數量不足的缺點仍然無法解決。

鑒于此，針對農業智能灌溉和花卉育種溫室環境監控兩個方面的需求，以西門子S7-200 SMART系列PLC為控制核心，利用Modbus-RTU通信技術設計了一種能夠實現農作物用水的按需灌溉和溫室環境調節的自動化控制系統。

1 控制系統設計

花卉育種溫室灌溉控制系統結合了工業以太網技術、PLC控制技術等，通過PLC對花卉育種溫室大棚內的相關環境參數進行監測和對灌溉用水的按需自動調節，為花卉提供較理想的生長環境，滿足花卉育種溫室的生產要求。

1.1 總體方案

控制系統采用MCGS觸摸屏和西門子S7-200SMART系列PLC作為主控制器，通過PLC自帶的RS485接口，利用Modbus-RTU通信實時對現場環境傳感器信息的采集、變頻器控制水泵機組按需運行，并利用以太網將信息上傳到溫室大棚的觸摸屏中，實現對溫室大棚智能灌溉和環境狀態的實時監控。控制系統總體示意圖如圖1所示。

1.2 控制策略

1）灌溉控制策略。農業灌溉系統實現智能化，主要是依靠控制系統對各個環境參數的智能化分析，為了科學地灌溉，需要對溫室內的花卉生長情況做統計分析。不同種類的花卉育苗在不同溫度、光照度等環境條件下對于灌溉要求是多樣的，而且同種花卉植株在不同生長過程中對于水分的要求也不同，此外土壤質地對水分也有很大影響[6]。通過對試驗獲得數據進行分析可得出花卉等植物的需水量生長模型，進而在此基礎上確定溫室灌溉規則（圖2）。

2）花卉育苗溫室環境控制策略。在溫室環境控制策略中，主要是對溫室環境的溫度、濕度和光照度等參數的調節控制，其中根據季節不同，溫度、濕度控制有著明顯不同的優先級，夏季以濕度控制優先，溫度控制為輔;冬季以溫度控制優先，濕度控制為輔[7，8]。在保證溫濕度控制優先的情況下，調節光照度控制，實現花卉育苗溫室環境的實時監控（圖3）。

1.3 控制系統的PLC實現

1）控制網絡組網實現。花卉育種溫室控制系統以西門子PLC為控制器，利用S7-200 SMART PLC自帶的RS485通信口構成Modbus-RTU通信網絡，實現PLC與變頻器、傳感器之間信息的遠程傳輸[9，10]PLC自帶工業以太網口（PN口）與MCCS觸摸屏之間實現現場操作和溫室信息等的實時監控。Modbus-RTU通信示意圖如圖4所示。

溫室灌溉控制系統硬件部分由上位機MCGS觸摸屏、西門子S7-200 SMART PLC和數字量輸出擴展模塊、變頻器、土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器及光照度檢測傳感器等組成。具體硬件選型考慮如下。

①PLC型號選擇：單個溫室灌溉控制系統需要頂窗、遮陽簾、濕簾、灌溉電磁閥等開關量輸出信號32個及限位信號20個，選擇SR40CPU模塊和EMDR16數字量輸出模塊，能夠滿足系統控制要求。

②變頻器選擇：選用三菱FR-E740系列變頻器，利用其自帶PU接口與SR30 CPU之間的Mod-bus-RTU通信，實現變頻器的啟動、停止、故障報警及調速控制。

③觸摸屏選擇：選用昆侖通態TPC7062Ti觸摸屏，可以實現與SR30 PLC工業以太網口之間10/100 Mbps自適應以太網通信。

灌溉控制系統中各器件功能，如表1所示。

2） Modbus-RTU通信數據采集。利用SR40CPU的RS485端口采用Modbus-RTU的輪詢方式，周期性采集、控制變頻器、土壤溫濕度、空氣光照度、空氣溫濕度等信息。通訊基本參數采用數據位8位，無奇偶校驗位，停止位1位，波特率9 600 bps，并設置變頻器、各傳感器的Modbus-RTU通信地址。Modbus-RTU通信相關寄存器地址如表2所示。

3）觸摸屏界面設計。PLC通過自帶的工業以太網接口，把采集到的環境參數上傳至MCCS觸摸屏進行動態顯示，觸摸屏環境參數如圖5所示。主要功能如下。

①實時顯示溫室內外的各項環境參數數值，包括溫濕度、光照度及電導率等。

②控制系統手自動切換及手動灌溉下的灌溉時間設置，自動情況下根據具體環境參數進行自動調節。

③對溫濕度、光照度及電導率等環境參數的趨勢跟蹤，可顯示單日內各參數的變化曲線。

2 總結

本研究提出了一種基于Modbus-RTU通信的溫室灌溉控制系統，結合以溫濕度、光照度及土壤電導率等參數實現溫室灌溉的自動調節。通過實際驗證，控制系統基本能夠滿足植物在不同環境下的灌溉需求，從而能夠保證花卉作物處于其最佳生長狀態環境。

參考文獻：

[1]王福平，馮盼盼.基于CPRS和ZigBee的智能灌溉監控系統的設計[J].江蘇農業科學，2014，42（ 12）：404-406.

[2]李興澤，王福平基于物聯網的農業大棚智能管控系統[J].江蘇農業科學，2018，46（1）：181-183

[3]龍建明，熊剛，張爭剛，等基于單片機的溫室環境控制系統設計[J].湖北農業科學，2015，54（9）：2238-2241.

[4]李燕飛，張文志，王洪娟，等.基于PLC的智能溫室控制系統[J].機械工程與自動化，2016（4）：172-173.

[5]張伏，王唯，張亞坤，等.PLC和MCCS組態軟件在溫室控制中的應用[J]農機化研究，2014（ 10）：205-208.

[6]韓貴黎，蔡宗慧.基于PLC的物聯網感應的智能灌溉節水系統設計[J].農機化研究，2017（ 12）：215-218.

[7]盛強.基于PLC花卉種植溫室小氣候控制系統的設計[J].貴州農業科學，2017，45（6）：137-139.

[8]李洪軍，吳玉環，張志祥，等，溫度變化對木本植物光合生理生態的影響[J]貴州農業科學，2009，37（9）：39-42.

[9]張曉玲，嚴小軍，趙旺升.PLC白由口實現Modbus多站點輪詢研究[J].機電信息，2019（5）：6-7.

[10]袁金云，尹生強，李俊杰，等.基于Modbus協議的PLC與多臺電表通信研究[J].青島大學學報（工程技術版），2015，30（3）：59- 63.

基金項目：湖州市科技特派員項目（ 2017KT21）

作者簡介：盛強（1981-），男，浙江金華人，副教授，碩士，主要從事T業網絡通信及智能控制研究，（電話）13567235453（電子信箱）376041718@qq.com。