基于485总线温室环境智能监控系统设计Word格式.docx
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温室环境控制领域的分布式监控系统具有节点多、传输距离远以及现场工作条件恶劣等特点，
因此需要一种能够支持多节点、远距离通信以及传输信号安全可靠的总线构成网络。
本文设计了一种基于RS485总线的温室环境远程监控系统，系统通过485总线和各个环境监测传感器以及后级执行机构相连接，由PC机作上位机，嵌入式微控制器作下位机。
通过对上位机软件WebAccess进行二次开发，充分利用其在任何接入Internet网络的地点均可通过浏览器对温室当前温室环境状况进行监测和控制的优点，配置相应的工程，实现远程监控。
关键词：
RS485总线；
嵌入式；
WebAccess；
温室监控；
单片机
ADesignofGreenhouseEnvironmentControllingandMonitoringSystemBasedonRS485Bus
ElectronicinformationscienceandtechnologyYeSen
TutorWangXiaochan
Abstract:
Distributedcontrolsystem,whichisforgreenhouseenvironmentcontrolfield,hassomeadvantagesofmulti-node,remotetransmissionandsiteconditions.thereforeitneedsakindofbus,whichisreliableandsafe,anditcanalsosupportmulti-node,toconstituteanetworkoflong-distancecommunicationsandtransmissionsignal.IthasbeendesignedagreenhouseenvironmentremotemonitoringsystemwhichisbasedontheRS485businthisarticle.ThesystemconnectedwiththeenvironmentalmonitoringsensorsandlevelimplementingagenciesthroughtheRS485bus.ThePCactedasthehostcomputer,whiletheembeddedmicrocontrollerisforthenextcrew.
WebAccess,whichisusedforsecondarydevelopment,ismadefulluseoftheadvantagesinthelocationwherelinkedtheInternetnetworkthroughbrowsertomonitorandcontrol,anditcanbeusetoconfiguredtheengineering,remotelymonitortheconditionofgreenhouseenvironment.
Keywords:
RS485Bus;
Embedded;
WebAccess;
GreenhouseMonitoringandControlling;
MCU
1.绪论
1.1课题研究背景及意义
我国是农业大国，温室大棚在我国北方地区有着广泛的应用。
温室大棚中的温度，湿度，光照强度，二氧化碳浓度等与农作物的生长状况密切相关。
利用现代的通信控制技术，可以有效的解决温室大棚内部各类环境指数的自动检测与控制，大大节约人力投入，降低了劳动强度，提高生产效率。
温室大棚一般占地面积较大，且环境封闭，空气的流动性较差，一定条件下温湿度变化较为剧烈，这就要求监控系统须对不同区域进行多点监测，尽可能全面准确地采集环境信息状况，处理收集到的信息，发出相应的控制信号，以控制相应的调节设备，对相关环境条件（如光照，温度，湿度等）进行调节。
基于RS485总线通信的温室环境监控系统，可以实现多点检测，多点控制，完全满足温室中复杂环境的要求，而且此方式组建的通信网络比其他的通信网络的稳定性强，传输距离远，抗干扰能力强。
可广泛应用与农业温室大棚的智能控制。
1.2国内外研究现状
对于温室大棚内环境监控系统的通信方式，国内最早始于二十世纪八十年代，进行了对单个温室内人工光源的控制。
九十年代初使用51单片机与IBM微机组成的系统，对温室群环境进行监控，通过RS232进行单片机机与上位机之间的通信[1]。
二十一世纪初，基于CAN（ControlAreaNetwork）总线的通信方式在温室环境的监控中得以实现[2]。
近十年以来，虚拟仪器与基于TCP/IP协议的计算机网路通信技术为温室环境远程监控提供了更为经济实用的系统[3]。
也有基于CC-Link，Profibus等其他类型的总线通信方式。
还有基于GSM/GPRS，WiFi，3G，ZigBee技术等无线通信形式也在温室环境的监控系统中有较为广泛的研究。
近年来，基于ZigBee技术的无线传感网络的研究很受追捧[3][4]。
总的来说，我国自行开发的温室监控系统在技术水平和调控性能上都与世界先进水平有一定的差距，主要表现在一下几个方面：
一是设备造价比较高，不利于在我国的农村地区推广应用；
二是设备比较复杂，安装和拆卸比较困难，维护成本也比较高；
三是缺乏与我国气候特点相适应的温室监控软件，多数软件的操作不够方便[5]。
世界发达国家如荷兰、美国、英国等大力发展集约化的温室产业，温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，美国是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。
环境控制计算机主要用来对温室环境（气象环境和栽培环境）进行监测和控制。
温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。
荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统。
荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。
日本在20世纪80年代中期利用计算机对温室温度、湿度、CO2度和施肥等进行控制，实现了灌水机械化、作业自动化、设施内多功能管理以及机器人搬运。
计算机自动监控管理可以根据室内温、湿度和室外风速来自动控制天窗开关、加温降温，定时调节温室内双层保温幕、灌溉，还可以根据室内CO2浓度调控CO2施肥系统。
同时，可以自动记录并储存温室各环境因子的数据、设施的工作状况，并能以曲线图的形式打印[6][7]。
此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。
遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。
控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。
另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感
1.3课题研究内容
在了解国内外研究状况的基础上，选择了在工业广泛应用的RS485总线通信方式，提出了基于485总线通信的分布式温室监控系统设计方案。
将各监测点传感器采集到的数据通过总线发送到PC机客户端，录入数据库存储。
本课题主要研究以下内容：
（1）传感器与51单片机之间的通信
（2）微控制器通过RS485总线与PC机半双工通信协议；
（3）影响系统整体的稳定性的因素及解决方案；
通过系统性的研究及实际检验，证明该系统具有稳定性好，抗干扰能力强，监测数据准确，操控方便，人机交互界面友好等优点。
1.4研究方法
通过认真分析实际要解决的问题，查阅大量相关文献资料，同时分析现有条件，提出具体的解决方案；
在本课题中，要想实现温室环境的智能监测控制，就要求系统设备能长时间稳定工作在湿度较大的环境下，并且能进行多点监测。
通过查阅多篇相关文献和对比国内外发展现状，可以发现，较无线通信方式而言，485总线可以多点通信，组网成本低，工作稳定，抗干扰能力强，通信距离较远（最远可达1200米），可以满足用户普遍需求。
所以选择RS485总线为主要的通信方式。
1.5论文结构
第一章是绪论部分，对该系统的背景及研究意义和国内外研究概况作整体上的介绍，初步的了解研究背景。
第二章对温室环境作了定义，列出了几个环境参数，针对性的提出了监控系统中起到调节环境参数的设备。
第三章研究了RS485总线通信方式，分析对比了其通信的优缺点。
第四章详细描述了监控系统的硬件结构，并对各部分性能及功能做详细介绍。
第五章介绍了应用于系统各硬件平台上的软件及程序，更为细节的代码将在附录中给出。
第六章是结论部分，总结了本系统存在但未能很好解决的问题，为进行后续更深入的研究提供参考。
2.温室监控系统
2.1温室环境参数及相互作用
作物的生长发育，一方面取决于作物本身的遗传特性，另一方面取决于外界环境条件。
在生产上，要通过育种技术来获得具有新的遗传性状的新品种，同时，也要通过优良的栽培技术及适宜的环境条件来控制生长和发育。
影响作物生长发育的主要环境条件包括:
温度（空气温度及土壤温度），光照（光的组成，光强度和光周期），水分（空气湿度和土壤湿度），土壤（土壤肥力，化学组成，物理性质及土壤溶液的反应），空气（大气及土壤中空气的特性，CO2的含量，有毒气体的含量），生物条件（土壤微生物，杂草及病虫害）等。
所有这些条件之间是相互作用、相互联系、相互祸合的，作物的生长发育是这些条件综合作用的结果[5]。
2.1.1温度
植物在生命周期中的一切生物化学作用，都必须在一定的温度条件下进行。
温度在空间上随着纬度和海拔的升高而降低，在时间上随四季及昼夜而周期性变化，因此影响作物生长发育的环境中，以温度最为敏感，也最为重要。
作物的种类不同对温度的要求有所不同，同一作物的不同发育期对温度亦有不同的要求，而且在同一发育期间内对温度的要求也会随着昼夜变化而周期性地发生变化[8][9]。
此外，温室内的作物茂密形成群体时，温室的空间分布就变得比较复杂。
室内平均温度显然不同于作物冠层下的气温，而冠层内气温的分布也不会是均匀的。
事实上温度的空间分布受室外气候因子、室内调控方式、植物群体结构的综合影响，以至于室内空气温度不论在水平方向还是在垂直方向往往都不均匀[10]。
2.1.2湿度
适宜的空气湿度和土壤湿度是温室内作物健康生长的重要条件。
根据对李萍萍等1996年和1997年7~8月的温室内温、湿度记载的研究发现，除了阴雨天以外，室内午后过低的空气湿度会导致作物发生光合作用的午休现象[11]。
所以温室内空气相对湿度的大小直接影响作物的光合作用，影响作物生产的质量;
另外，空气湿度过大，作物植株也易于生病。
土壤湿度对植物的影响也很大，若温室内排水不良，灌水不当，土壤渗水性不好，造成土壤水分过剩，湿度过高，使土壤中的氧气减少，植物根部呼吸的水分减少，从而影响植物的水分代谢，阻滞植物的生长或者易发生沤根使植物出现严重的萎蔫或死亡[12]。
不同的植物对湿度的要求不同，即使是同一植物在不同发育期的不同阶段对湿度的要求也不同。
2.1.3光照
光照是作物生长发育的关键条件之一。
没有光照，就谈不上植物的生长，光照不足，势必影响植物的生长发育。
但在温室控制上，我们对于光的作用，往往没有像对温度、水分等那样注意，因为温度的高低，水分的多少，会在短的时间内影响到植物的生长发育，只要几个小时的冰冻或干早，就会冻死或干死。
而光的影响没有这样明显，一时的缺光，还不会导致作物死亡。
但光的强度、光的组成、以及光照时间长短，对其生长发育，都很重要[13]。
光照的强度直接影响到作物光合作用的强度。
与室外相比较，室内光明显的差异表现在数量减少，光质改变及光分布不均匀等三个方面，从而形成独特的温室光环境[l6]。
夏天，中午前后光照强度大，强光照射不仅使温室内温度提高，湿度降低，造成植株净光合积累少，对三叶芹等需光较低的作物还可造成因灼烧和呼吸消耗过高而黄化死亡。
因此，对光照强度的调控是必需的。
光合作用主要吸收400~500毫微米的蓝紫光和600一700毫微米的红光。
因此，人工光源光谱中要富含红光和蓝紫光[15]。
2.1.4CO2浓度
CO2是作物进行光合作用的主要原料，蔬菜作物的产量90%一95%靠光合作用制造。
在露天大田生产条件下，空气中的CO2浓度为300PPm即0.03%，一般能满足光合作用的需要，但是在密闭的温室中栽培蔬菜却显得严重不足，如二氧化碳不足，尽管光照好，水分足，植物仍不能进行旺盛的光合作用，使营养物质积累少，作物生长衰弱，难以早熟高产。
CO2施肥在国外已由试验发展到实际使用阶段。
生产实践表明，温室种植蔬菜在苗期增施CO2，一般能增产10%~30%;
黄瓜在开花结果期增施CO2，可增产10%~40%[17]。
因此，人工补充CO2已成为发展高产、优质、高效农业的重要措施之一，这也就涉及到温室中的CO2管理问题。
从光合作用的角度，接近饱和点的CO2浓度为最适施肥浓度。
但是，CO2饱和点受作物、环境等多因素制约，生产中较难把握;
而且施用饱和点浓度的CO2也未必经济合算。
2.2温室环境参数调节系统
调节环境参数有多种方式，可根据具体地理位置及本地气候条件选择适当的调节方式。
如在我国的北方地区，冬季较寒冷的地区需要采取加温措施。
南方地区，则基本不需要加温设施；
在干旱地区，周围环境空气比较干燥，环境湿度低，如果在温室中栽培抗旱能力弱的植物，则需增设喷雾及滴灌设备。
本系统中，采用内遮阳、天窗、喷淋、滴灌等设备来调节温室环境参数。
2.2.1温度调节系统
内遮阳：
温室内顶有遮阳布，可通过电机控制机构展开或卷起屋顶内部遮阳布。
用于调节温室内因日光照射导致的温度上升。
天窗：
温室顶部设有天窗，可通过控制机构调节天窗的开合状态，以增强或减弱温室内气体与自然空气的流通性，从而在一定程度上调节温室内的温度。
2.2.2湿度调节系统
喷淋：
温室内部安装有雾化喷头，主要用于调节温室内环境的空气湿度。
滴灌：
温室内在植物靠近根系的位置装有滴灌管，可为植物滴灌营养液和水分，以调节土壤的湿度。
2.2.3光照调节系统
安装在温室顶外部的遮阳布，调节透入温室的光照强度。
2.2.4CO2调节系统
调节空气流通性，增加温室内CO2时需要打开天窗，与外部环境进行空气对流。
增施CO2的方法一般采用两种:
一种是短时间通风；
一般情况下由于温室作物不断吸收CO2进行光合作用，室内的CO2浓度低于自然界的CO2浓度，适当地通风换气可以增加室内CO2浓度；
另一种是利用CO2发生器人工增施CO2，保持室内的CO2浓度达到1000PPm。
3.RS485总线设计
3.1RS485总线多机通信的概述
现代通信系统中，点对点的单机通信系统已不能完全满足人们实际工作要求，一点对多点的通信方式在工业控制领域被广泛的研究与应用。
而且，通信的关键不仅仅是只能够传输数据,更重要的是能够准确传输,并且能自动检错和用一定的方式来纠正[15]。
RS485标准作为一种多点差分数据传输的电气规范,现已成为业界应用最广泛的标准通信接口之一。
RS485接口大多连接成半双工通信方式，具有较高数据传输速率、较强噪声抑制能力、较长的传输距离和良好的可靠性。
支持RS485半双工通信常用的芯片有MAX485,SN75276，MAX1480，MAX1487，MAX3082，SN75LBC184和MAX1483等。
本系统中用到了MAX485芯片实现TTL到485电平转换
RS485接口的主要特点有:
双绞线传输;
平衡传输,多点通信;
最大输入电流为1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）;
最大传输速率为10Mb/s;
最大电缆长度1219.2m（4000ft）。
本系统的工作环境要求通信距离在200m以上，所以采用该通信方式是可行的。
图3-1RS485总线
Fig3-1RS485Bus
RS485总线标准采用平衡驱动和差分接收的方式来驱动总线实现网络的物理层连接具有抑制共模干扰的能力抗噪声干扰性好，通信距离远。
RS485更适合用于多站互连,一个发送器可以连接32个负载设备。
新近推出的RS485接口芯片可以驱动128个甚至256个同类负载设备[18]。
由于RS485的多种特点，这种串行通信标准在多点通信系统中得到广泛的应用，尤其在工业控制系统中[16]。
在实际RS485总线网络中，往往分散控制单元数量较多且分布较远，现场存在各种干扰使得通信的可靠性不高，而数据通信的可靠性将直接影响着整个系统的可靠性。
由于RS485是一个电气接口规范,只规定了平衡驱动器和接收器的电气特性,而没有规定插件传输电缆和通信协议,所以为了保证数据传输的准确性和正确性,除了硬件上的抗干扰措施外,还在软件设计和通信协议的制定上采取了必要措施。
3.2多机通信的基本原理
主从式的通信连接方式一般是在一条485通信总线上连有一台总机与多台分机，总机发出请求，从机做出正确的响应，485的半双工通信方式要求保证在同一时刻，只有一个设备占用总线。
多机通信要求每一个节点设备都要被分配一个唯一的地址，主机通过发送不同的地址码来建立与不同从机之间的通信，当然也可以通过软件来设置组地址或者广播地址，实现从机设备的逻辑组通信和广播通信。
485总线上一般有两种格式的信息帧：
地址码格式信息帧和数据/指令格式的信息帧。
主从式通信的一般过程是：
主机向从机发送一个地址码格式的信息帧，请求与之通信；
连接在总线上的每一个通信节点都会收到该信息帧，各从机根据接收到的地址码与自身被预先设定好的地址码进行比对，如果地址一致，则表明主机请求与该从机通信，从机将对接收到的数据进行处理；
若地址比对不一致，则表明主机不允许该从机通信，该从机对之后接收到的任何数据格式的信息帧都丢弃，不予处理。
这就保证了通信的准确性。
本系统中用到的从机均为典型的串口通信方式，支持四种模式的通信。
其中，方式2和方式3就很好的解决了通信问题。
方式2或方式3两种通信规定信息帧一般为11位或12位，其中包括：
1位起始位，9位数据位，1位奇偶校验位（可选），1位停止位（如图3-2所示）。
奇偶校验位可选，数据位的第9位数据是取自TB8或存入RB8中的。
当从机按照工作方式2或工作方式3运行时，主机发送一帧地址信息时，应保持这帧数据位的第9位为1（即TB8=1），将串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2置为1，所有从机接收的一帧数据位的第9位为1（即RB8=1），所有从机都产生串口中断，接收这一帧地址数据并与各自的从机地址进行比较，以判断主机是否要与本机通讯。
接收到的地址数据与从机地址相等的为被呼叫从机，该从机将串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2清为0，接收主机发来的数据帧（数据帧的第9位为0），此时不管接收到的第9位数据是否为1或0，都要产生串口中断，这就保证了主机与被叫从机间的正常数据通讯。
数据通讯结束后，该从机又重新将串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2置为1,为下一次与主机进行通讯作好准备。
其它的从机则一直在SM2=1下继续自己的工作，不会因为主、从机之间的数据通讯而被打断。
（1）令所有从机的SM2位置1，使它们处于只接收地址帧的状态（即从机复位）；
（2）主机发送一帧地址信息，其中包括8位地址，第9位（即TB8）为1，以表示发送的是地址；
（3）从机接收到地址帧后，各自中断CPU，把接收到的地址与其本机地址作比较；
（4）地址相符的从机清除其SM2标志，准备接收主机发来的数据/命令；
地址不符的从机仍维持SM2=1不变，对主机发来的数据帧不予处理，直到主机发来新的地址帧；
（5）主机发送数据或控制信息（第9位为0）给被寻址的从机；
（6）被寻址的从机，因SM2=0，可以接收主机发送过来的所有数据，当从机接收数据结束时，置位SM2，返回接收地址帧状态（复位状态）；
（7）当主机需改为与其它从机通信时，可再发出地址帧来请求其它的从机。
图3-2单字节数据格式
Fig3-2theformatofasingle-byte
3.3RS485总线多机通信协议的设计
RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，对上层通信协议没有规定，这给设计制作提供很大的灵活性[25]；
因此，需要在RS-485应用网络的基础上建立自己的应用层通信协议。
因此，485总线的通信协议是比较灵活的。
基本上同是485总线方式通信的不同系统之间也会因通信协议设计的不同而无法通信，其主要影响因素是通信数据帧格式设计的不同造成的。
本系统中数据帧结构的定义如图3-2所示。
数据帧的内容包括起始字节、控制字节、地址字节、CRC校验和。
图3-3数据帧格式
Fig3-3theformatofdataframe
起始字节是以“#”符号开始，作数据帧的第一字节传送，控制字节是发送的控制指令；
“00S”表示主机请求当前环境数据；
“00”表示从机地址，一般可顺序编号，该协议下的系统最多支持100个从机节点；
校验位是指数据帧前六位与某已规定的数据串作“按位与”运算后的值。
对于协议设计而言，最重要的就是数据帧结构的设计。
除了数据帧结构的定义外，整个系统的通信还需要遵守下面的规则：
（1）主控机主导整个通信过程。
由主控机定时轮询各个节点处的从机，并要求这些从机提交其相对应设备的状态信息。
（2）主控机在发送完准备好命令后，进入接收状态，同时开启超时控制。
如果接收到错误的信息则继续等待，如果在规定时间内未能接收到从机的返回响应帧，则认为从机不在位，取消这次查询。
（3）主控机接收到从机的返回命令帧后，发送“等待接收”指令，进入接收状态，同时开启超时控制。
如果接收到错误的信息则继续等待；
如果在规定的时间内未能接收到从机的返回信息，则超时计数加1，并且主控机将重新发送“等待接收”指令；
如果超过3次，则返回错误信息，取消这次查询。
（4）从机复位后，将等待主控机发送指令，并根据具体的指令内容做出应答。
如果接收到的命令帧有错误，则会直接丢弃改帧，不做任何处理。
3.4提高RS485总线通信可靠性措施[18]
3.4.1网络连接
RS485总线网络一般采用总线型拓扑结构如果连接方法不当，会随着通信距离的延长或通信速率的提高,信号在各支路末端反射后与原信号叠加,造成信号质量下降。
错误的连接方法会使总线特性阻抗的连续性受到破坏，在阻抗不连续点也会发生信号的反射。
实验表明，正确的连接方法是用单一连续总线将各个节点串接起来，要有圆滑过渡，以减少不连续反射。
3.4.2引出线
RS485总线上的每个收发器通过一段引出线接入总线。
引出线过长时由于信号在引出线中的反射也会影响总
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