基于Modbus协议的育苗大棚温湿度在线监测系统

基于Modbus协议的育苗大棚温湿度在线监测系统桑娟萍;梁明亮;赵子忠【摘要】temperature and humidity plays an important role on the plant cutting, growth and development, and the area of nursery greenhouses is large, so it is must use industry net multipoint monitoring. In this paper, a system of temperature and humidity monitoring for nursery greenhouses based on Modbus protocol was introduced, network architecture, detailed circuit and communication protocol was described, and tested the temperature and humidity, the test results shows the monitoring can meet the requirements of temperature and humidity on nursery greenhouses, and has the value of application.%温湿度对植物的扦插、生长、发育起着重要作用,而育苗大棚的面积大,因此必须采用网络化多点监测方式对其进行监测.该文介绍了一种基于Modbus协议的育苗大棚温湿度监测系统,详细介绍了其网络体系架构,具体实现电路和详细的通信协议,并进行了温湿度的监测试验.试验结果表明该监测系统可以满足育苗大棚的需求,具有一定的推广价值.【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》【年(卷),期】2012(000)003【总页数】4页(P48-51)【关键词】Modbus协议;温湿度传感器;在线监测;单片机【作者】桑娟萍;梁明亮;赵子忠【作者单位】甘肃林业职业技术学院信息工程系,甘肃天水741020;郑州铁路职业技术学院电子工程系,郑州450052;甘肃林业职业技术学院信息工程系,甘肃天水741020【正文语种】中文【中图分类】TP190 引言在植物育苗中，应光明［1］等人认为温湿度管理是红花木大规模育苗技术中最为重要的关键技术之一;徐生旺［2］在祁连圆柏育苗造林技术研究中得出温湿度调控是扦插育苗及造林技术的关键因素，指出有控温控湿设备的大棚和温室条件下，春夏冬三季均可进行容器扦插繁殖;在植物生长方面，温湿度对植物起着重要的作用［3］。

传统温湿度检测采用水银温度湿度计进行检测［4］，缺点是无法实现远程查询温湿度，无法实现在线监测。

模拟温湿度传感器，如热电偶、热电阻传感器等［5］，其输出信号为模拟信号，线性度差，需要对传感器的每一个温度点进行校验，产品调试时间长。

为克服这一缺陷，数字温湿度传感器诞生［6］，数字温度传感器在出厂前就校验完毕，用户使用时无需对其进行校验，因此数字温湿度传感器使得温湿度在线监测系统的设计更加容易。

由于育苗大棚所需监测面积广，监测点位多，其监测应采用本地网络通信方式，而集散控制系统(DCS)是一种在数公里内的本地监控网络常用的一种系统架构［7］，在网络的传输上分为有线网络和无线网络两种传输方式［8－10］，无线监测分为无线射频监测和无线GPRS监测，前者传输距离短，后者借助无线运营商网络，传输距离长，但存在要收取运营费用的问题。

485总线是一种广泛应用工业监测领域的串行总线［9］，其控制方式采用主从控制模式。

485总线仅为数据的传输媒介，其通信协议可以采用自定义通信协议和采用现有通信协议模式，为了实现与育苗大棚内其他设备的互联，应采用在工业现场广泛使用的Modbus通信协议［11－12］，该协议具有标准、开放、免费等特点，支持Modbus的厂家众多。

该文提出了基于Modbus协议的育苗大棚温湿度在线监测系统，介绍了温湿度监测系统的组成，温湿度采集方式及其算法，协议构成。

并对系统进行了试验测试，结果表明系统可以满足本地远程监控育苗大棚温湿度的要求。

1 温湿度在线监测系统组成应用RS485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

为了保障系统的可靠性，一个485子网一般只连接8～16个节点。

由于育苗大棚面积大，监测点数多，采用单一的子网难以满足系统要求，因此采用双层网结构。

如图1所示，路由网接入路由数为R(Z)，每一路由最多接入子网数为S(Z)，子网接入的终端数为T(Z)。

由此可以得到接入的终端数N为:图1 监测系统拓扑结构为保障数据通信的可靠性，系统设计中采用每一485网络的节点数为8，路由接入端口数也为8。

该监测系统可带节点数为:N=8×8×8=512。

育苗温室大棚中温湿度监测点位为每一100 m2安装一个监测点即可满足温湿度监测要求，采用此系统结构可以监测面积为76亩以下面积的育苗大棚。

如若更大面积大棚需要监测，则需要加入一层路由网络结构，构成三层网络结构。

该育苗温湿度监控系统上位机采用工业计算机(IPC)，工业计算机通过串口232转485总线访问路由网，再由路由网访问485子网，485子网通过总线访问采集器终端，获取温湿度信息。

2 485路由及其终端设计2.1 485 路由设计485 路由器的结构如图2所示，路由运行时开启路由网接入功能，即CHIN处于接收状态，等待上位机发出命令，根据上位机命令，判断上位要选通的子网(CH0～CH7)，选通子网后，将命令送入子网，然后等待从子网中返回命令和数据信息，返回信息后将返回的命令和信息送入上位机。

若无返回信息，等待1 s后，仍然无返回信息，再发2次后还是无返回信息，则告知上位机子网异常，上位机进行故障告警。

图2 RS485路由结构图RS485路由的具体电路如图3所示，路由的总线驱动芯片采用具有较强抗电磁干扰的MAX485E总线驱动，路由器地址由拨码开关进行设置。

MCU采用可在线应用编程(IAP)的STC89C51单片机进行路由的选择和总线数据收发。

图3 RS485路由电路图2.2 温湿度采集终端设计数字化温湿度采集终端由传感器、看门狗、数据存储、数据收发、LCD显示等组成，如图4所示。

图4 温湿度终端原理图2.2.1 传感器温湿度传感器采用型号为SHT75，该系列产品是一款高度集成的温湿度传感器，提供全标定的数字输出。

具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。

采用CMOSens®技术，可以确保产品具有极高的可靠性与卓越的稳定性。

传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。

校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在标定的过程中使用。

两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。

微小的体积、极低的功耗。

该传感器采用模拟I2C总线串行通信方式，其电路接口如图5所示。

单片机与SHT75之间每读取一个数值都将进行循环冗余码校验，校验方法采用CRC8方式进行校验，以保障读取数据的准确性，同时也可以进行传感器未接入或者故障报警，使得系统具有故障自诊断功能。

图5 传感器接口2.2.2 看门狗复位电路在温湿度监测系统的终端设计上，采用了Maxim公司的看门狗芯片，该芯片具有上电复位、超时复位功能。

在监测系统受到异常扰动死机后，可以让监测系统复位，恢复正常工作状态。

图6 看门狗电路接口2.2.3 通信接口电路温湿度采集终端采用485总线，其接口电路如图7所示，为保障485通信总线的可靠性和抗干扰能力，将MCU电源和485总线电源进行隔离，采用5 V转换5V的DC/DC转换电源IB0505BL;MCU与总线接口芯片之间的控制采用光电隔离，在485总线端，采用短路保护和防雷管和瞬态抑制二极管构成过压保护电路，可以有效防止通信线路受到雷击和强电磁干扰而破坏通信线路的情况。

图7 通信接口电路3 温度、湿度、露点计算SHT75为由能隙材料PTAT研制而成的温湿度传感器，具有极好的线性。

温湿度采集终端可以通过模拟I2C读出温湿度相关的数值，但需要通过计算才能转换为实际的温湿度值。

3.1 温度温湿度传感器输出的温度示值与实际温度之间的关系为:式中:T为实际温度;d1、d2为温度修正系数，其数值如表1所示;SOT为直接读出的传感器读数。

表1 a 温度系数d1VDD(V) d1(℃) d1(℉)－40.00 －40.00 4－39.75 －39.50 3.5 －39.66 －39.35 3－39.60 －39.28 5 2.5 －39.55 －39.23表1 b 温度系数d2A/D位数d2(℃) d2(℉)14 0.01 0.018 12 0.04 0.072为提高系统精度，采用5 V供电，14位A/D，由表1 可知，d1为－40.00 ℃，d2为0.01 ℃。

故可得:3.2 相对湿度为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，建议使用如下公式修正读数:式中:RHlinear为修正后的湿度数值;C1，C2，C3为修正系数;SORH为直接读出的温湿度数值。

表2 湿度转换系数表SORH C1 C2 C3 12 bit －4 0.040 5 －2.8 × 10－6 8 bit －4 0.648 －7.2 × 10－4由于式(4)是在25℃时的修正系数，实际温度与测试参考温度可能是不同的，应考虑湿度传感器的温度修正系数:式中:RH为实际湿度值表3 温度补偿系数SORH t1 t 2 12 bit 0.01 0.000 08 8 bit 0.01 0.001 28湿度传感器的A/D位数选用12位，由表3可知，t1为 0.01，t2为 0.000 08，带入式(5)，可得湿度值3.3 露点计算由马格拉斯等式可以得到:式中:EW为饱和汽压。

当温度范围为－45～60℃，马格拉斯等式的参数为α =6.112 hPa，β =17.62，λ =243.12 ℃。

Dp为露点温度;E为汽压;由于将式(7)、式(9)代入式(8)，可得:将式(11)代人式(10)可得:从式(10)可以看出，只要得到温度和湿度就可以计算出露点温度值。

4 系统通信协议及软件设计4.1 Modbus协议Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。