智能溫室育苗房環境參數采集系統設計

石英

摘 要：針對智能溫室育苗房PLC控制系統的需要，設計了一套基于單片機的智能溫室育苗房環境參數采集系統。該系統以單片機為核心，通過控制傳感器對溫室育苗房內的溫度、二氧化碳濃度、光照強度等參數進行多點采集，采集到的數據經過單片機運算、處理，然后以Modbus格式，通過RS-485總線上傳至PLC系統，作為控制依據，并上傳至PC機進行顯示和數據存檔。該系統已應用于黑龍江墾區的智能溫室育苗房中，具有成本低、可靠性高、采集接口多、可傳輸距離遠等優點。

關鍵詞：智能溫室育苗房 單片機 傳感器 RS-485 PLC

中圖分類號：TP273.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（a）-0091-04

溫室育苗技術可以有效降低病蟲草害、抵御自然災害，有利于提高幼苗的成活率和質量；解決了優質高產品種生育期長和無霜期短的矛盾，使優質高產品種的推廣得到了可靠的技術保證，特別在寒冷期較長的北方，溫室育苗技術得到廣泛的應用[1-3]。傳統溫室育苗房主要依靠人工管理，成本高、效率低、數據缺乏科學性。為了方便、高效、科學化的管理，溫室育苗房正向著智能化方向發展。智能溫室育苗房PLC控制系統，主要包括環境參數采集和環境參數控制兩部分，溫室環境參數控制是建立在溫室環境參數采集基礎之上。PLC控制系統需要實時、準確的獲取溫室育苗房內的溫度、濕度、光強、二氧化碳濃度等環境參數，然后控制相應的執行單元改變環境參數，進而確保溫室內的環境適合幼苗生長。

該文針對PLC控制系統的需要，設計了一種以C8051單片機為核心的環境參數采集系統。該系統設有多種、多路傳感器接口，可以通過外接傳感器，對溫室育苗房內的溫度、二氧化碳濃度、光照強度等環境參數進行多點采集，采集到的數據以Modbus格式，通過RS-485總線上傳至PLC系統，作為PLC系統控制執行單元的依據，并上傳至PC端進行顯示和數據存檔。該系統具有成本低，可靠性高、采集接口多、可遠距離傳輸等優點。

1 PLC智能溫室育苗房環境參數控制系統

PLC智能溫室環境參數控制系統主要由環境參數采集單元、PLC、PC機和執行單元5個核心部分構成。環境參數采集模塊是對溫室中的溫度、二氧化碳濃度、光照強度等環境參數進行采集，為PLC控制系統提供溫室環境中各項參數信息，作為控制系統啟動執行機構相應設備的依據，是整個溫室控制系統中關鍵的部分。PLC作為控制系統的核心，主要用于動態、實時監測溫室內環境參數的變化，根據農作物生長的需求匹配參數，同時完成與上位機的通信。PC機是整個系統的監控終端，負責對溫室環境信息進行顯示與存檔，將當前環境信息與適合農作物生長環境信息進行比對，發出相應命令，控制執行機構相應設備工作。執行機構包括很多可以改變環境參數的設備，如加熱設備、降溫設備、CO2生成設備等，其作用是負責執行監控終端發來的相應指令，運行相應的設備，進而改變環境中相應的參數。

2 環境參數采集系統硬件設計

環境參數采集系統硬件電路主要包括C8051F345單片機系統電路、傳感器接口電路、RS-485電平轉換電路、供電電路4個核心部分。溫度傳感器采用單總線數字輸出的DS18B20，DS18B20自制成干濕球溫度傳感器，通過獲取干濕球溫度可以計算出相對濕度值。光照強度和二氧化碳濃度傳感器，分別采用高靈敏度電流輸出的GZD-AI-200000光照強度變送器和LCO2-AI-5二氧化碳濃度變送器。單片機采用工業級C8051F345芯片。C8051F345具有豐富的外設接口，內部集成了A/D模塊、上電復位模塊、時鐘振蕩器等功能模塊，并具有64 KB片內Flash存儲器和多達4 352字節片內RAM。采用高度集成的C8051F345芯片，可以簡化系統硬件設計、提高系統穩定性、降低硬件設計成本。

2.1 C8051F345單片機系統電路

C8051F345單片機采用3.3 V供電，時鐘源采用高精度、可編程控制的12 MHz內部晶振，復位方式采用內部的上電復位電路，P2.0-P2.3、P2.5、P4.0作為6路模擬輸出二氧化碳傳感器接口，P2.6、P3.0、P3.1、P3.4、P3.5、P4.3-P4.5作為8路模擬輸出光照強度傳感器接口，P0.0-P0.2、P0.6、P0.7、P1.0-P1.4、P1.6、P1.7、P2.4、P2.7、P3.2、P3.3作為16路數字輸出溫度傳感器接口，UART1用作通信接口，采用C2二線開發接口加載調試程序。C8051F345系統電路見圖1。

2.2 傳感器接口電路

環境參數采集系統設有14個DB9接頭的A/D轉換接口和4個自制接頭的單總線接口。每個自制接頭的單總線接口可以外接4個DS18B20溫度傳感器。A/D轉換接口電路和單總線接口電路如圖2、圖3所示。單總線接口電路為了穩壓、濾除干擾設有穩壓管和濾波電容、濾波電阻。綜合考慮了靈敏度和采樣電壓限制，A/D轉換接口電路中電流轉電壓的電阻采用160 Ω精密電阻。

2.3 RS-485電平轉換電路

環境參數采集系統、PLC、PC終端之間的通信距離較遠，因此采用RS-485電氣標準進行數據傳輸。電平轉換芯片采用MAX3075，該芯片工作電壓為3.3 V，EN端口與處理器管腳相連，作為數據收發控制信號，收發管腳RD、DI分別串入10 Ω電阻，過濾信號，管腳A、B之間接入120 Ω電阻，進行阻抗匹配。RS-485電平轉換電路見圖4。

2.4 供電電路

環境參數采集系統采用24 V直流供電，經共模電感，LC濾波電路后作為光照強度傳感器和二氧化碳濃度傳感器的供電電源，24 V先經DC-DC降壓變換獲得5 V電源，然后5 V經穩壓芯片穩壓后獲得3.3 V電源，3.3 V作為處理器C8051F345、溫度傳感器、RS-485電平轉換芯片的供電電源。為了防止電源反插造成芯片損壞，在干路上設有二極管。供電電路見圖5。

3 環境參數采集系統軟件設計

3.1 系統功能函數程序設計

該系統的軟件程序主要由主函數程序、干濕球溫度采集模塊程序、AD采樣模塊程序和串口通信模塊程序組成，各功能模塊軟件流程圖見圖6。其中主函數程序主要負責各功能模塊的初始化和數據采集、傳輸順序的控制。干濕球溫度采集函數用來完成16路DS18B20溫度傳感器的數據讀取和轉換。A/D采樣函數用來采集6路二氧化碳濃度傳感器和8路光照強度傳感器輸出的模擬信號，并轉換成對應的數值。串口通信函數用來完成數據的打包以及與PLC控制器、PC機通信。

3.2 通信協議

為了確保數據通信時的準確可靠，該系統基于Modbus協議約定了數據上傳格式，數據格式如表1所示。

共30路數據，每路2個字節，高字節先傳，其中第1～16路為干濕球溫度信息，第17～22路為二氧化碳氣體濃度信息，第23～30路為光照度數據，共66個字節。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個字節組成一個short型數據，溫度數據除以10表示實際測量溫度值，二氧化碳濃度、光照強度數據乘以10表示實際二氧化碳濃度和光照度值，0表示沒有檢測到傳感器。流水號“N+1”用于識別是否同一組數據重發。設發送一組采集數時，用數字“N”，如果該組數據重發，則重發時仍用N，如果發送新的一組數據，則用N+1，以此類推。因為不采用應答機制，為提高準確度，故每采集一組數據，應向上位機發送2次。每組數據最后2個字節為循環冗余碼校驗位。

4 系統測試結果

溫室育苗房環境采集系統實物圖見圖7，PLC系統控制及顯示界面見圖8。該系統溫度測量范圍0 ℃～60 ℃，測量精度±0.1 ℃；二氧化碳濃度測量范圍0～5 000 ppm，測量精度±6 ppm；光照強度測量范圍0～200 000 lux，測量精度±250 lux；最遠傳輸距離1 000 m。

5 結語

該文根據智能育苗房PLC控制系統的需要，設計了一種基于單片機的環境參數采集系統，介紹了系統硬件電路設計和軟件程序設計，實現了對溫室環境參數多點采集與傳輸的功能。經過實地測試，該系統滿足PLC控制系統的需求，并具有良好的穩定性。

參考文獻

[1] 宋福金.寒地水稻兩段式育苗高產栽培技術研究[D].中國農業科學院，2006.

[2] 劉廣信.水稻大棚育苗插秧技術[J].現代農業科技，2009（9）： 194-198.

[3] 邢麗英.寒地稻作區水稻大棚育苗技術[J].現代農業科技，2010（13）：63-66.