分布式环境监测与照明一体化系统

陈 薇，张 教，余 玲

（1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥蓝鸥自控科技有限公司，安徽 合肥 230088）

在农业自动化中，对于农作物生长的环境进行在线监测一直没有很好的方法.传统的测量方法都是通过人工用简单的仪器仪表来测量大棚中的温度、湿度等物理量，这种测量方法每次只能测量某个局部环境，对于大面积的种植环境，就不能同时实时监测大棚中不同局部的温湿度，同时测量值也因人为因素而变得不精确.而现有的分布式监测系统，往往都是基于Can总线或以太网的，这使得系统复杂而且监测成本很高［1－5］，同时传统的农业环境监测系统往往不具备照明功能［6－8］.针对这些问题，作者基于RS－485总线采用Modbus协议，对大范围的环境监测设计一套分布式在线监测与照明一体化系统.

1 系统总体设计

分布式环境监测与照明一体化系统主要是针对农业自动化中大范围内的环境监测而设计的.为此该系统必须具有以下功能：环境参量的测量、稳定可靠的通信、局部环境的照明控制、在线的环境监控.针对以上功能，作者设计了一套比较完善的分布式环境监测和照明一体化系统.系统总体框图如图1所示.该系统由上位机、主站和子站3部分组成.子站用于局部环境的监测和照明控制，主站用于对各个子站进行管理，收集各个子站上传的数据并对其进行存储和转发.上位机界面实时显示各个局部环境的测量值和挂接在各子站上照明灯的状态，并当测量值超过一定阈值时进行相应的报警.

整个系统采用12VDC供电，照明灯板挂接在各个子站上，用于各个子站的局部照明.采用工业上常用的RS－485总线进行通信，由于RS－485总线信号采用差分方式传输，因此有很强的抗共模干扰能力.通信中采用Modbus通信格式、CRC16校验方式及超时重发等，保证了通信的稳定可靠［9－11］.

2 硬件实现

2.1 通信的硬件实现

采用低功耗电平转换芯片MAX485作为收发器，该芯片的接收器具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出，因此具有较高的抗干扰性能.MAX485接口电路如图2所示.

RO、RE、DE、DI分别连接到单片机的相应管脚，R1、R2、R3为上拉电阻，用于确保单片机在输出高电平时MAX485芯片能接收到正确的高电平.R4为线路的匹配电阻，用于消除线路中的传输信号的反射.为了保证总线上其他分站的通信不受本分站硬件故障的影响，在RS－485电平信号的输出端串接了两个电阻R5和R6.采用稳压管D1和D2组成吸收电路，可以避免总线中的瞬时高压，从而对MAX485芯片进行保护，保障了通信的可靠性.

2.2 照明灯板的硬件实现

采用高亮度LED灯珠来制作照明灯板.由于照明灯板挂接在子站上，而子站是由12V的直流电供电的，所以采用12个LED灯珠的串并联来实现.照明灯板的电路如图3所示.

3 系统软件实现

3.1 程序流程

主站根据上位机下发的命令对其下面的各个子站进行相应的管理，读取各个子站的实时数据，对各个子站进行配置.主站的程序流程如图4所示.子站的作用主要是响应主站的命令，发送实时数据和配置其自身的状态.子站的程序流程如图5所示.

3.2 通信协议

整个系统采用统一的Modbus通信格式来实现，这种通信格式有确定的数据长度，子站可以从接收的数据长度来分析主站是否发送数据完毕，从而避免了总线时序上的混乱，同时采用CRC16的校验方式，校验准确率较高，从而保证了通信的可靠性［12－13］.Modbus通信数据帧格式如表1～4所示.

表1 Modbus协议读请求数据帧格式Tab.1 The read request data frame format of the Modbus protocol

表2 Modbus协议读响应数据帧格式Tab.2 The read response data frame format of the Modbus protocol

表3 Modbus协议写请求数据帧格式Tab.3 The write request data frame format of the Modbus protocol

表4 Modbus协议写响应数据帧格式Tab.4 The write response data frame format of the Modbus protocol

3.3 通信过程

由于RS－485是主从方式通信的，所以在通信设计时要充分考虑接收和发送的时序，否则会造成总线上通信混乱.主机发送命令延时一段时间T后，若从机没有响应，则主机重发命令；若收到从机响应，校验正确则返回确认包，一次通信便完成.根据主机发送命令的时间和从机响应命令的时间，并留有充分余量的基础上来确定延时时间T.上位机发命令时，上位机作为主机，主站作为从机；主站发命令时，主站作为主机，子站作为从机.通信的过程如图6所示.

4 系统实现

实际系统采用每个主站挂接7个子站的监测方式，为了实验方便以一个主站挂接3个子站为例.实验时的实际系统如图7所示.实验结果表明系统完全能满足相应的功能要求，同时通信稳定、可靠性强.该系统上位机采用Microsoft Visual Basic6.0编程，实验时的上位机界面如图8所示.

5 结束语

作者设计了一种基于RS－485总线的分布式环境监测与照明一体化系统.该系统能较好地监测整个大环境中各个局部环境的温湿度，并且具有照明功能.整个系统成本低、可靠性强、便于实现、易推广，具有较强的实用性.

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