基于Modbus的寒地水稻育秧环境智能监控系统

范学佳，赵　斌，衣淑娟，董淏鸣，李　鑫

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆　163319)



基于Modbus的寒地水稻育秧环境智能监控系统

范学佳，赵斌，衣淑娟，董淏鸣，李鑫

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：针对垦区工厂化育秧生产自动化与信息化的需求，为了促进育秧生产和管理效率、及时掌握育秧环境的参数，设计了一套基于Modbus的智能监控系统。该系统PC机与育秧大棚主机监控器之间采用无线的形式进行通信，通过监控中心就可以对育秧环境参数进行监测；主机监控器与从机采集器之间采用Modbus协议的RS485总线方式进行通信。该系统还具有喷灌和卷帘自动控制功能。同时，利用嵌入式微处理器技术、自动控制技术、通信技术和传感器技术相结合的方式，实现对育秧环境的实时监测，进而对秧苗的生长环境进行合理调控，以提高其品质。

关键词：寒地水稻；育秧大棚；嵌入式微处理器；Modbus；监控

0引言

我国是世界上人口最多的国家，因此粮食供给成为不得不面对的问题。黑龙江垦区地处东北亚经济区位中心，属世界著名的三大黑土之一，也是我国重要商品粮基地和粮食战略后备基地，水稻则是垦区主要的粮食作物。目前，垦区的各个农场建有标准的工厂化育秧大棚，进行集中的育秧，以强化管理、降低投入成本。水稻育秧每年的3月份在标准的育秧棚内需要培育1个多月的时间,秧苗长势的好与坏对作物的产量是有很大的影响。因此，对秧苗的生长环境进行实时监测，从而进行合理的调控，为秧苗的生长提供最佳的生长环境是必要的。目前，垦区对育秧环境的管理还是采用传统的人工方式，不但很难满足秧苗生长的要求，而且信息化和自动化程度也比较低。所以，设计一套寒地水稻育秧环境智能监控系统来解决育秧大棚环境调控的问题是极为重要的。

席桂清等[1]等提出并开发了基于GSM网络的智能监测系统，可以实现对育秧环境参数的测量、显示、存储，每隔设定的时间或大棚内温湿度超过设定的阈值，系统通过GSM网络自动发送数据到指定手机上，方便、快捷、准确地指导稻农进行育苗管理。魏晓辉等[2]等采用硬件分系统设计方式设计了一套智能化育秧环境监控系统，以实现远程监控与管理，应用RS485通信技术可以减少棚内布线，提高数据传输可靠性和采集设备的拆组性。

以上的系统设计中，在进行通信时都是采用自己定义的协议，系统的扩展性不是很好，自身还存在一些缺陷，对以后的系统维护也会带来很大的不便。Modbus协议是一种工业上通用现场总线标准，各设备彼此之间通过此协议可以相互进行通信，并可支持RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备[3]。本研究将Modbus协议与RS485总线相结合引入到寒地水稻育秧环境智能监控系统中，以解决上述问题。本文采用嵌入式微处理器技术、传感器技术、通信技术、计算机技术及自动控制技术，实现育秧棚环境参数的自动调节，提高了垦区工厂化育秧生产过程中的自动化程度、减少了人力资源的浪费，为秧苗生长提供最优的生长环境。

1系统总体设计

系统的总体结构如图1所示。大多数农场采用集中建设育秧大棚，便于集中育秧、集中管理，为保苗壮秧提供良好的设施条件。该系统由两部分组成：一是以PC机作为上位机，通过与下位机进行相互通信，把下位机采集的数据传送到上位机上进行显示和保存，在监控中心就能时刻监测育秧棚里的环境。同时，上位机也可以向下位机发送一些指令，命令下位机去执行相应的动作。由于育秧大棚离监控中心的距离比较远，如果采用有线的形式进行数据传输可能会造成信号的衰减，所以采用无线模块形式进行上位机与下位机之间的数据传输，可以很好地保证数据传输的可靠性，节约成本。二是以嵌入式控制器做下位机，主要实现数据的通信及控制执行机构动作等功能。下位机与采集器之间遵守Modbus协议的RS-485通信方式,采集器主要对土壤水分、土壤温度、空气温度、二氧化碳含量、光照强度及土壤pH值等数据进行采集，把采集的数据传输给下位机，并在液晶屏上显示，便于农户实时掌握育秧棚内的环境情况。该系统的执行机构可以实现手动控制和自动控制两种工作方式。如果上位机出现了系统故障，可以采用手动控制方式对育秧棚内环境情况进行调控。

图1　系统总体设计图

2下位机的系统设计

下位机系统包括主机监控器和从机采集器两部分。主机监控器与从机采集器之间进行通信时，从机采集器将采集棚内的参数传送给主监控器，通过JM12864F液晶屏上显示当时棚内的环境参数，并将采集的参数通过无线的方式上传给上位机，且接收上位机发出的指令，控制执行机构工作，对棚内的环境情况进行调控。

2.1主机监控器设计

主机监控器由作为控制核心的STC12C5A08S2、数据接收模块、执行机构控制电路及无线传输接口等电路组成。STC12C5A08S2单片机具有低功耗、抗干扰能力强、运行速度快、高稳定性、内部嵌入A/D转换，以及具有双串口、断电自动保存数据等功能。主机与从机采用主从式多机通信方式，主机同时向多个下位机发送采集数据的指令，下位机根据接收的指令并判断是否与主机进行通信，下位机利用无线模块将数据传递给上位机，并接收上位机发送的调控指令。

该系统对执行机构的控制具有手动控制和自动控制两种方式。执行结构的核心部件主要包括卷帘器和电磁阀。如果上位机向下位机发送手动控制方式时，只需通过控制面板就可以控制执行机构动作；如果采用自动控制方式，下位机通过采集的参数与上位机设置好的阈值进行比对，确定是否控制执行机构动作。卷帘器采用24V直流电机KOS4060，为了防止电机破坏棚膜，在左右电机的行程上安装了上下限位行程开关。电磁阀采用24V直流电磁阀DF1-25,为了防止继电器动作对单片机系统产生干扰，利用光电耦合器将5V系统和24V系统隔离开，从而提高了系统的稳定性。

2.2从机采集器的设计

在育秧棚中设置3个从机采集器，分别为1号采集器、2号采集器、3号采集器。1号和3号采集器采集的参数包括2个空气温湿度数据、1个土壤温度数据、1个土壤水分数据；2号采集器在此基础上增加了1个照度数据、1个CO2浓度数据和1个pH数据。选用STC12C5A08S2作为从机采集器的核心，每个从机采集器主要由单片机最小系统、数据采集模块及MAX485通信模块组成，主要负责对环境参数的采集，并与主机监控器进行通信。

该系统采用的传感器包括两类：一类是模拟类传感器，输出为4～20mA直流信号，如土壤水分传感器DBT-1、CO2传感器BM-1000及pH传感器GPS-650。该类传感器与处理器接口是采用100Ω精密电阻来实现电阻—电压转换，转化后将信号输入STC12C5A08S2的具有A/D转换功能的I/O中，进行数据处理。二类传感器是数字类传感器，如空气温湿度传感器DHT21、土壤温度传感器DS18B20及照度传感器SS6101。该类传感器输出的信号为数字信号，便于与处理器直接连接，无需在使用A/D转换功能。

2.3通信模块的设计

系统采用无线方式与上位机进行通信，无线模块采用SRWF-1028。该无线通信模块具有很强的抗干扰能力，全透明传输，体积小、具有功耗低传输距离远的特点，与下位机嵌入式微处理器采用232通信方式连接。下位机将采集的环境参数和电磁阀、卷帘器的状态信息发送给无线模块，依据与上位机的协议把相应的信息发送给上位机的无线模块，实现数据的上传[4]。同时，下位机也可以接受上位机的指令，去完成指令的内容。

3系统通信协议及软件设计

3.1MODBUS协议

Modbus是目前主流现场总线协议之一，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信[5]。Modbus协议定义了无论采用何种网络通信，每个控制器都能认识Modbus协议规范的消息结构。在同一个Modbus网络中通信时,该协议规定了每个从设备要有自己的地址；主控制与从设备进行通信时，从设备是按照判断地址发来的消息来完成相应的操作。

Modbus串行链路协议是一个主-从协议。在同一时刻，仅有一个主节点(主机)连接与总线上，一个或多个子节点(从机)(最大编号为247)连接于同一个串行总线。通讯方式采用请求/应答的形式，由主机发送请求帧，所有从设备都接收该帧，并对消息地址进行解析，判断与自己的地址是否匹配：不匹配则丢弃该帧，继续接受总线上传来的消息；只有与地址信息相匹配的从机才会进一步进行解析。若解析后校验的结果是错误，从站会丢弃此帧，并向主机发送错误信号；如果没有错误，继续进行解析，提取功能码的信息，进而执行主机发来的命令。一般情况下，当从设备发送错误信号给主机和在设定的时间内主机没有接到响应时，主机就会立即重新发送信息给从机设备；从机在没有接收到主机的请求时，不会自动发送数据，从机之间不能进行通信。在任意时刻，主机只能处理一个Modbus事务。

Modbus网络通信包括ASCII和RTU两种传输模式。无论配置何种传输模式，网络中的所有设备必须采用相同的传输模式和相同的串口参数(波特率、校验方式等)。本文采用RTU的传输模式，与ASCII模式在相同的波特率下相比，它可以传输更多的数据。

在Modbus协议中消息是通过帧的格式进行传输，当接收到消息帧时，开始解析帧格式中的每个部分。采用不同的传输模式时校验方法也不相同,RTU传输模式通常采用CRC错误校验方法，进行循环冗余校验码(CRC)校验，判断数据的合法性和有效性。CRC可以检验主机或从机在通信时数据传输过程中消息是否准确，如果是错误的消息，数据即可丢弃[6]。在帧格式中，采用不同的功能代码表示的指令也不相同，在协议中已经规定了一些功能代码的功能，编程时必须按照协议的要求进行设置。

3.2软件设计

寒地水稻育秧环境智能监控系统软件分为上位机系统软件和下位机系统软件：上位机软件负责数据的存储、显示、查询及下位机管理等功能，系统采用C#语言进行编写；下位机软件由主机监控器通信的软件和从机采集器通信的软件组成。首先，下位机系统中的主机监视器、各从机采集器初始化，各从机采集器进行采集数据；主机监控器在没有接到上位机指令时，与各采集器进行通信，接收数据的采集，并储存在RAM中；当收到上位机指令时，进行上位机指令的处理。为了防止数据跑飞，各单片机都启动“看门狗”定时器。图2为主监视器与上位机通信软件流程图，图3为主监视器与从机采集器的通信软件流程图。

图2　主机监控器的通信软件流程图

图3　从机采集器的通信软件流程图

4系统运行验证

在八五九农场的10栋育秧棚中，每栋育秧棚布置了15个传感器，通过上位机串口通信软件，实时对育秧棚内的环境参数进行采集。图4为单个育秧棚内空气温度曲线变化图。

图4　空气温度变化曲线

5结论

针对育秧棚监控系统存在的不足，设计了基于Modbus的寒地水稻育秧环境智能监控系统。本系统已经在八五九农场进行了实际的应用，从现场运行的情况来看，系统运行稳定，可以很好地满足对育秧棚环境参数的实时监测和育秧棚内环境参数的调控，为秧苗的生长提供适宜的生长环境。

参考文献：

[1]席桂清,田芳明,衣淑娟.寒地水稻育秧大棚智能监测系统设计与试验[J].农机化研究，2011,33(11)：40-43.

[2]衣淑娟，魏晓晖，赵斌,等.基于多机通信的智能化水稻育秧棚监控系统设计与应用[J].农机化研究，2014,34(12):11-14.

[3]孙刚,吴文彪，郑文刚，等.采用MODBUS的灌溉用水远程自动抄表系统[J].农业工程学报，2008，24(2)：76-80.

[4]田芳明，衣淑娟，谭峰,等.智能育秧群棚监控系统的设计与应用[J].广东农业科学，2012(2)：126-129.

[5]毛建一，陈渊睿，伍常顺.基于Modbus协议的电能监控系统网络通信的实现[J].工业控制计算机，2008,21(4)：78-79.

[6]文小玲，余飞，卢圣文，等.基于Modbus协议的串口通信软件设计[J].湖南工业大学学报，2008,22(6)：100-102.

Cold Rice Seedling Environment Intelligent Monitoring System Based on Modbus

Fan Xuejia, Zhao Bin, Yi Shujuan, Dong Haoming, Li Xin

(College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319, China)

Abstract：Reclamation for seedling production factory automation and information needs, in order to promote seedling production and management efficiency, to grasp the parameters seedling environment, we design the intelligent monitoring system based on MODBUS, using the wireless connection between the PC and the greenhouse controller the form of communication, through the monitoring center can monitor environmental parameters for seedlings. Between the master and the collector using MODBUS protocol RS485 bus way to communicate. The system also has automatic sprinkler and shutter control. The use of embedded microprocessor technology, automatic control technology, communications technology and sensor technology combination, to achieve real-time monitoring of the environment seedlings, seedling growth and thus on the environment and reasonable regulation to improve its quality.

Key words：cold rice; seedling greenhouses; embedded microprocessor; Modbus; monitor

文章编号：1003-188X(2016)02-0201-04

中图分类号：S223.1+3

文献标识码：A

作者简介：范学佳(1985-),男，黑龙江绥滨人，硕士研究生，(E-mail)964774302@qq.com。通讯作者：赵斌(1970-)，男，黑龙江宝清人，教授，硕士生导师，(E-mail)616283364@qq.com。

基金项目：黑龙江省科技厅项目(GZ13B013)

收稿日期：2015-01-05