智能温室育苗房环境参数采集系统设计

石英

摘 要：针对智能温室育苗房PLC控制系统的需要，设计了一套基于单片机的智能温室育苗房环境参数采集系统。该系统以单片机为核心，通过控制传感器对温室育苗房内的温度、二氧化碳浓度、光照强度等参数进行多点采集，采集到的数据经过单片机运算、处理，然后以Modbus格式，通过RS-485总线上传至PLC系统，作为控制依据，并上传至PC机进行显示和数据存档。该系统已应用于黑龙江垦区的智能温室育苗房中，具有成本低、可靠性高、采集接口多、可传输距离远等优点。

关键词：智能温室育苗房 单片机 传感器 RS-485 PLC

中图分类号：TP273.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（a）-0091-04

温室育苗技术可以有效降低病虫草害、抵御自然灾害，有利于提高幼苗的成活率和质量；解决了优质高产品种生育期长和无霜期短的矛盾，使优质高产品种的推广得到了可靠的技术保证，特别在寒冷期较长的北方，温室育苗技术得到广泛的应用[1-3]。传统温室育苗房主要依靠人工管理，成本高、效率低、数据缺乏科学性。为了方便、高效、科学化的管理，温室育苗房正向着智能化方向发展。智能温室育苗房PLC控制系统，主要包括环境参数采集和环境参数控制两部分，温室环境参数控制是建立在温室环境参数采集基础之上。PLC控制系统需要实时、准确的获取温室育苗房内的温度、湿度、光强、二氧化碳浓度等环境参数，然后控制相应的执行单元改变环境参数，进而确保温室内的环境适合幼苗生长。

该文针对PLC控制系统的需要，设计了一种以C8051单片机为核心的环境参数采集系统。该系统设有多种、多路传感器接口，可以通过外接传感器，对温室育苗房内的温度、二氧化碳浓度、光照强度等环境参数进行多点采集，采集到的数据以Modbus格式，通过RS-485总线上传至PLC系统，作为PLC系统控制执行单元的依据，并上传至PC端进行显示和数据存档。该系统具有成本低，可靠性高、采集接口多、可远距离传输等优点。

1 PLC智能温室育苗房环境参数控制系统

PLC智能温室环境参数控制系统主要由环境参数采集单元、PLC、PC机和执行单元5个核心部分构成。环境参数采集模块是对温室中的温度、二氧化碳浓度、光照强度等环境参数进行采集，为PLC控制系统提供温室环境中各项参数信息，作为控制系统启动执行机构相应设备的依据，是整个温室控制系统中关键的部分。PLC作为控制系统的核心，主要用于动态、实时监测温室内环境参数的变化，根据农作物生长的需求匹配参数，同时完成与上位机的通信。PC機是整个系统的监控终端，负责对温室环境信息进行显示与存档，将当前环境信息与适合农作物生长环境信息进行比对，发出相应命令，控制执行机构相应设备工作。执行机构包括很多可以改变环境参数的设备，如加热设备、降温设备、CO2生成设备等，其作用是负责执行监控终端发来的相应指令，运行相应的设备，进而改变环境中相应的参数。

2 环境参数采集系统硬件设计

环境参数采集系统硬件电路主要包括C8051F345单片机系统电路、传感器接口电路、RS-485电平转换电路、供电电路4个核心部分。温度传感器采用单总线数字输出的DS18B20，DS18B20自制成干湿球温度传感器，通过获取干湿球温度可以计算出相对湿度值。光照强度和二氧化碳浓度传感器，分别采用高灵敏度电流输出的GZD-AI-200000光照强度变送器和LCO2-AI-5二氧化碳浓度变送器。单片机采用工业级C8051F345芯片。C8051F345具有丰富的外设接口，内部集成了A/D模块、上电复位模块、时钟振荡器等功能模块，并具有64 KB片内Flash存储器和多达4 352字节片内RAM。采用高度集成的C8051F345芯片，可以简化系统硬件设计、提高系统稳定性、降低硬件设计成本。

2.1 C8051F345单片机系统电路

C8051F345单片机采用3.3 V供电，时钟源采用高精度、可编程控制的12 MHz内部晶振，复位方式采用内部的上电复位电路，P2.0-P2.3、P2.5、P4.0作为6路模拟输出二氧化碳传感器接口，P2.6、P3.0、P3.1、P3.4、P3.5、P4.3-P4.5作为8路模拟输出光照强度传感器接口，P0.0-P0.2、P0.6、P0.7、P1.0-P1.4、P1.6、P1.7、P2.4、P2.7、P3.2、P3.3作为16路数字输出温度传感器接口，UART1用作通信接口，采用C2二线开发接口加载调试程序。C8051F345系统电路见图1。

2.2 传感器接口电路

环境参数采集系统设有14个DB9接头的A/D转换接口和4个自制接头的单总线接口。每个自制接头的单总线接口可以外接4个DS18B20温度传感器。A/D转换接口电路和单总线接口电路如图2、图3所示。单总线接口电路为了稳压、滤除干扰设有稳压管和滤波电容、滤波电阻。综合考虑了灵敏度和采样电压限制，A/D转换接口电路中电流转电压的电阻采用160 Ω精密电阻。

2.3 RS-485电平转换电路

环境参数采集系统、PLC、PC终端之间的通信距离较远，因此采用RS-485电气标准进行数据传输。电平转换芯片采用MAX3075，该芯片工作电压为3.3 V，EN端口与处理器管脚相连，作为数据收发控制信号，收发管脚RD、DI分别串入10 Ω电阻，过滤信号，管脚A、B之间接入120 Ω电阻，进行阻抗匹配。RS-485电平转换电路见图4。

2.4 供电电路

环境参数采集系统采用24 V直流供电，经共模电感，LC滤波电路后作为光照强度传感器和二氧化碳浓度传感器的供电电源，24 V先经DC-DC降压变换获得5 V电源，然后5 V经稳压芯片稳压后获得3.3 V电源，3.3 V作为处理器C8051F345、温度传感器、RS-485电平转换芯片的供电电源。为了防止电源反插造成芯片损坏，在干路上设有二极管。供电电路见图5。

3 环境参数采集系统软件设计

3.1 系统功能函数程序设计

该系统的软件程序主要由主函数程序、干湿球温度采集模块程序、AD采样模块程序和串口通信模块程序组成，各功能模块软件流程图见图6。其中主函数程序主要负责各功能模块的初始化和数据采集、传输顺序的控制。干湿球温度采集函数用来完成16路DS18B20温度传感器的数据读取和转换。A/D采样函数用来采集6路二氧化碳浓度传感器和8路光照强度传感器输出的模拟信号，并转换成对应的数值。串口通信函数用来完成数据的打包以及与PLC控制器、PC机通信。

3.2 通信协议

为了确保数据通信时的准确可靠，该系统基于Modbus协议约定了数据上传格式，数据格式如表1所示。

共30路数据，每路2个字节，高字节先传，其中第1～16路为干湿球温度信息，第17～22路为二氧化碳气体浓度信息，第23～30路为光照度数据，共66个字节。如下所示，示例：55 03 AA 3C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0A 35。高低2个字节组成一个short型数据，温度数据除以10表示实际测量温度值，二氧化碳浓度、光照强度数据乘以10表示实际二氧化碳浓度和光照度值，0表示没有检测到传感器。流水号“N+1”用于识别是否同一组数据重发。设发送一组采集数时，用数字“N”，如果该组数据重发，则重发时仍用N，如果发送新的一组数据，则用N+1，以此类推。因为不采用應答机制，为提高准确度，故每采集一组数据，应向上位机发送2次。每组数据最后2个字节为循环冗余码校验位。

4 系统测试结果

温室育苗房环境采集系统实物图见图7，PLC系统控制及显示界面见图8。该系统温度测量范围0 ℃～60 ℃，测量精度±0.1 ℃；二氧化碳浓度测量范围0～5 000 ppm，测量精度±6 ppm；光照强度测量范围0～200 000 lux，测量精度±250 lux；最远传输距离1 000 m。

5 结语

该文根据智能育苗房PLC控制系统的需要，设计了一种基于单片机的环境参数采集系统，介绍了系统硬件电路设计和软件程序设计，实现了对温室环境参数多点采集与传输的功能。经过实地测试，该系统满足PLC控制系统的需求，并具有良好的稳定性。

参考文献

[1] 宋福金.寒地水稻两段式育苗高产栽培技术研究[D].中国农业科学院，2006.

[2] 刘广信.水稻大棚育苗插秧技术[J].现代农业科技，2009（9）： 194-198.

[3] 邢丽英.寒地稻作区水稻大棚育苗技术[J].现代农业科技，2010（13）：63-66.