・４８・ 工业仪表与自动化装置 ２０１２年第３期 苗大棚 基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的育 统 温湿度在线监测系 桑娟萍 ，梁明亮 ，赵子忠 （１．甘肃林业职业技术学院信息工程系，甘肃天水７４１０２０； ２．郑州铁路职业技术学院电子工程系，郑州４５００５２；） 摘要：温湿度对植物的扦插、生长、发育起着重要作用，而育苗大棚的面积大，因此必须采用网 络化多点监测方式对其进行监测。该文介绍了一种基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的育苗大棚温湿度监测系 统，详细介绍了其网络体系架构，具体实现电路和详细的通信协议，并进行了温湿度的监测试验。 试验结果表明该监测系统可以满足育苗大棚的需求，具有一定的推广价值。 关键词：Ｍｏｄｂｕｓ协议；温湿度传感器；在线监测；单片机 中图分类号：ＴＰ１９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—０６８２（２０１２）０３—００４８—０６ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ｎｕｒｓｅｒｙ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｄｂｕｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ＳＡＮＧ Ｊｕａｎｐｉｎｇ ，ＬＩＡＮＧ Ｍｉｎｇｌｉａｎｇ。ＺＨＡＯ Ｚｉｚｈｏｎｇ ，（１．Ｇａｎｓｕ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇａｎｓｕ Ｔｉａｎｓｈｕｉ ７４１０２０； ２．Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏａａｎｔ ｒｏｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ，ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌ— ｏｐｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｎｕｒｓｅｒｙ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｓ ｉｓ ｌａｒｇｅ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｍｕｓｔ ｕｓｅ ｉｎｄｕｓｔｙ ｎｅｔ ｍｕｌｔｉｒｐｏｉｎｔ ｍｏｎｉｔｏ— ｒｉｎｇ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ｎｕｒｓｅｒｙ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｄｂｕｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｎｅｔｗｏｒｋ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｄｅｔａｉｌｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｏｎ ｎｕｒｓｅｒｙ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｓ，ａｎｄ ｈａｓ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｄｂｕｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒ；ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ０ 引言 在植物育苗中，应光明¨ 等人认为温湿度管理 是红花木大规模育苗技术中最为重要的关键技术之 一；徐生旺 在祁连圆柏育苗造林技术研究中得出 性度差，需要对传感器的每一个温度点进行校 验，产品调试时间长。为克服这一缺陷，数字温 湿度传感器诞生 ，数字温度传感器在出厂前就 校验完毕，用户使用时无需对其进行校验，因此 数字温湿度传感器使得温湿度在线监测系统的 设计更加容易。 由于育苗大棚所需监测面积广，监测点位多， 其监测应采用本地网络通信方式，而集散控制系 统（ＤＣＳ）是一种在数公里内的本地监控网络常用 的一种系统架构 ，在网络的传输上分为有线网 温湿度调控是扦插育苗及造林技术的关键因素，指 出有控温控湿设备的大棚和温室条件下，春夏冬三 季均可进行容器扦插繁殖；在植物生长方面，温湿度 对植物起着重要的作用 。 传统温湿度检测采用水银温度湿度计进行 检测 ，缺点是无法实现远程查询温湿度，无法 络和无线网络两种传输方式 ，无线监测分为 实现在线监测。模拟温湿度传感器，如热电偶、 无线射频监测和无线ＧＰＲＳ监测，前者传输距离 短，后者借助无线运营商网络，传输距离长，但存 在要收取运营费用的问题。４８５总线是一种广泛 应用工业监测领域的串行总线 ，其控制方式采 用主从控制模式。４８５总线仅为数据的传输媒介， 其通信协议可以采用自定义通信协议和采用现有 热电阻传感器等 Ｊ，其输出信号为模拟信号，线 收稿日期：２０１１—１２—２６ 基金项目：天水市科技局软科学项目（２００８—１１１） 作者简介：桑娟萍（１９６５），女，甘肃定西人，副教授，目前主要从 事林业信息技术应用与森林资源保护利用方面的研究。 ２０１２年第３期 工业仪表与自动化装置 ・４９・ 通信协议模式，为了实现与育苗大棚内其他设备 的互联，应采用在工业现场广泛使用的Ｍｏｄｂｕｓ通 信协议… ，该协议具有标准、开放、免费等特 点，支持Ｍｏｄｂｕｓ的厂家众多。 ２ ４８５路由及其终端设计 ２．１ ４８５路由设计 ４８５路由器的结构如图２所示，路由运行时开 启路由网接入功能，即ＣＨ 处于接收状态，等待上 该文提出了基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的育苗大棚温湿 度在线监测系统，介绍了温湿度监测系统的组成，温 湿度采集方式及其算法，协议构成。并对系统进行 了试验测试，结果表明系统可以满足本地远程监控 位机发出命令，根据上位机命令，判断上位要选通的 子网（ＣＨ０～ＣＨ７），选通子网后，将命令送人子网， 然后等待从子网中返回命令和数据信息，返回信息 育苗大棚温湿度的要求。 １ 温湿度在线监测系统组成 应用ＲＳ４８５可以联网构成分布式系统，其允许 最多并联３２台驱动器和３２台接收器。为了保障系 统的可靠性，一个４８５子网一般只连接８～１６个节 点。由于育苗大棚面积大，监测点数多，采用单一的 子网难以满足系统要求，因此采用双层网结构。如 图１所示，路由网接入路由数为 （ｚ），每一路由最 多接人子网数为Ｓ（Ｚ），子网接人的终端数为 （ｚ）。由此可以得到接人的终端数Ⅳ为： Ｎ＝Ｒ（Ｚ）Ｓ（Ｚ）Ｔ（Ｚ） （１） 路由 ４８５ 陶１监测系统拓扑结构 为保障数据通信的可靠性，系统设计中采用每 一４８５网络的节点数为８，路由接人端口数也为８。 该监测系统可带节点数为：Ｎ＝８×８×８＝５１２。育 苗温室大棚中温湿度监测点位为每一１００ ｍ 安装 一个监测点即可满足温湿度监测要求，采用此系统 结构可以监测面积为７６亩以下面积的育苗大棚。 如若更大面积大棚需要监测，则需要加入一层路由 网络结构，构成三层网络结构。 该育苗温湿度监控系统上位机采用工业计算机 （ＩＰＣ），工业计算机通过串口２３２转４８５总线访问 路由网，再由路由网访问４８５子网，４８５子网通过总 线访问采集器终端，获取温湿度信息。 后将返回的命令和信息送入上位机。若无返回信 息，等待１ ｓ后，仍然无返回信息，再发２次后还是 无返回信息，则告知上位机子网异常，上位机进行故 障告警 （ ＣＨｌ ＣＨ２ ＣＨ３ ＣＨ４ ＣＨ５ ＣＨ６ ＣＨ７一 ＣＨｓ噎㈣ Ｍ一 图２ ＲＳ４８５路由结构图 — Ｘ一 ＲＳ４８５路由的具体电路如图３所示，路由的总 ． ｖ 线驱动芯片采用具有较强抗电磁干扰的ＭＡＸ４８５Ｅ 总线驱动，路由器地址由拨码开关进行设置。ＭＣＵ 采用可在线应用编程（ＩＡＰ）的ＳＴＣ８９Ｃ５１单片机进 行路由的选择和总线数据收发。 ＲＸ ＴＸ ／ＲＥ ＣＨ。。 ＤＥＴＸＤＩ ＭＡＸ４８５ＥＩ— ＭＣＵ 氍Ｃ堕 ＪＭＤ／ＴＲＡＥｘ ＤＸ４ ８５Ｅ Ｉ—一Ｈ 图３ ＲＳ４８５路由电路图 ２．２温湿度采集终端设计 数字化温湿度采集终端由传感器、看门狗、数据 存储、数据收发、ＬＣＤ显示等组成，如图４所示。 ＭＣＵ 图４温湿度终端原理图 臣 ・５０・ 工业仪表与自动化装置 ２０１２年第３期 ２．２．１传感器 温湿度传感器采用型号为ＳＨＴ７５，该系列产品 是一款高度集成的温湿度传感器，提供全标定的 数字输出。具有响应快、抗干扰能力强、性价比高 等优点。采用ＣＭＯＳｅｎｓ￣技术，可以确保产品具有 极高的可靠性与卓越的稳定性。传感器包括一个 电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制 成的测温元件，在同一芯片上，与ｌ４位的Ａ／Ｄ转 换器以及串行接１５电路实现无缝连接。每个传感 器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以 镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式 储存在ＯＴＰ内存中，在标定的过程中使用。两线 制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集 成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗。 该传感器采用模拟Ｉ Ｃ总线串行通信方式，其电路 接口如图５所示。单片机与ＳＨＴ７５之问每读取一 个数值都将进行循环冗余码校验，校验方法采用 ＣＲＣ８方式进行校验，以保障读取数据的准确性， 同时也可以进行传感器未接入或者故障报警，使 得系统具有故障自诊断功能。 图５传感器接口 ２．２．２看门狗复位电路 在温湿度监测系统的终端设计上，采用了Ｍａｘ— ｉｍ公司的看门狗芯片，该芯片具有上电复位、超时 复位功能。在监测系统受到异常扰动死机后，可以 让监测系统复位，恢复正常工作状态。 图６看门狗电路接Ｅ１ ２．２．３通信接口电路 温湿度采集终端采用４８５总线，其接口电路如 图７所示，为保障４８５通信总线的可靠性和抗干扰 能力，将ＭＣＵ电源和４８５总线电源进行隔离，采 用５ Ｖ转换５ Ｖ的ＤＣ／ＤＣ转换电源ＩＢ０５０５ＢＬ； ＭＣＵ与总线接口芯片之间的控制采用光电隔离， 在４８５总线端，采用短路保护和防雷管和瞬态抑 制二极管构成过压保护电路，可以有效防止通信 线路受到雷击和强电磁干扰而破坏通信线路的 情况。 图７通信接口电路 ３温度、湿度、露点计算 ＳＨＴ７５为由能隙材料ＰＴＡＴ研制而成的温湿度 传感器，具有极好的线性。温湿度采集终端可以通 过模拟Ｉ ｃ读出温湿度相关的数值，但需要通过计 算才能转换为实际的温湿度值。 ３．１温度 温湿度传感器输出的温度示值与实际温度之间 的关系为： Ｔ＝ｄ１＋ｄ２ＳＯｒ （２） 式中： 为实际温度；ｄ 、ｄ 为温度修正系数，其数值 如表１所示；ＳＯ 为直接读出的传感器读数。 表１ａ温度系数ｄ 为提高系统精度，采用５ Ｖ供电，１４位Ａ／Ｄ，由 表１可知，ｄ 为一４Ｏ．００ ，ｄ２为０．０１ 。故可得： Ｔ＝～４０＋０．Ｏ１ＳＯ （３） ２０１２年第３期 工业仪表与自动化装置 ・５１・ ３．２相对湿度 ＤＰ＝２４３．１２Ｈ／（１７．６２一Ｈ） （１２） 为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数 从式（１０）可以看出，只要得到温度和湿度就可 据，建议使用如下公式修正读数： 兄／ｔ， ＝。 Ｃｌ＋Ｃ２ＳＤ删＋Ｃ３ＳＯＲＨ （４） 式中： 胁…为修正后的湿度数值；Ｃ ，Ｃ ，Ｃ 为修正 系数；ｓ０删为直接读出的温湿度数值。 表２湿度转换系数表 由于式（４）是在２５ 时的修正系数，实际温度 与测试参考温度可能是不同的，应考虑湿度传感器 的温度修正系数： ＲＨ＝（Ｔ一２５）（ｔ１＋ｔ２ＳＯＲⅣ）＋ （５） 式中：Ｒ 为实际湿度值 表３温度补偿系数 Ａｌ （旦） Ｄ ＝— （８） Ｅ＝Ｒ （９） Ｄ （Ｔ Ｒ ， ）＝一卢—一—（—Ｉｎ —（ ）＋ 『 ）＿－（ ｃ １０，） 设 ＝ ＋ （１１ 以计算出露点温度值。 ４ 系统通信协议及软件设计 ４．１ Ｍｏｄｂｕｓ协议 Ｍｏｄｂｕｓ协议是应用于电子控制器上的一种通 用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由 网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信。可 实现不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行 集中监控。 Ｍｏｄｂｕｓ采用主从方式进行通信，协议为查询应 答方式，其方式如图８所示。 ｌ主设备的查询消息ｌ、、 ｌ设备地址 ｌＩ 设备地址 ｌ 『 功能代码 ｌ ｌ 功能代码 ｌ据段数 三 国 三 ｌ 错误检测 Ｉ Ｉ 错误检测 Ｉ ＼＼ ｌ从设备的回应消息Ｉ 图８主从设备通信 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备 要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功 能的任何附加信息。例如功能代码０３是要求从 设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必 须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读 及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供 了一种验证消息内容是否正确的方法。如果从设 备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码 是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括 了从设备收集的数据，象寄存器值或状态。如果 有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应 消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信 息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容 是否可用。 控制器能设置为两种传输模式（ＡＳＣＩＩ或 ＲＴＵ）中的任何一种在标准的Ｍｏｄｂｕｓ网络通信。 用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特 率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在 一个Ｍｏｄｂｕｓ网络上的所有设备都必须选择相同 的传输模式和串口参数。其两种报文格式如下： ＡＳＣＩＩ模式 ・５２・ 工业仪表与自动化装置 ２０１２年第３期 该文研制的系统采用ＩＰＣ为主机，路由和采集终 端为从机模式进行通信，通信模式采用ＲＴＵ模式。 主机呼叫路由报文如下： 名称 字节数 数值 含义 路由应答主机报文如下： 帧头路由地址子网地址终端地址应答码ＣＲＣ校验 路由获得子网地址后选通子网，而后呼叫相应 子网的终端设备。路由呼叫终端设备通信协议采用 主机ｎ３ｚｎＬｔ路由的协议格式，该方式虽然多上传了路 由地址，但是在路由上传时不需要再去读取自身 地址。 终端应答路由报文： 终端应答报文含义： ２字节１字节１字节１字节２字节１字节２字节 帧头 ２ ３Ｃ，Ｃ３ 应答码 １ ＡＣ 数据上传标识 ４．２软件设计 该温湿度监测系统软件分为上位计算机软件和路 由软件及采集终端软件，上位软件负责数据的存储、显 示、查询、打印等功能，采用ＤＥＬＰＨＩ软件进行编写。下 位机软件包含了路由软件和终端温湿度采集软件，图９ 为路由软件流程图，图１０为终端监测的软件流程图， 下位机软件采用模块化设计，运用循环校验、软件陷 阱、软件复位等多种抗干扰措施，提高系统的可靠性。 垒＿Ｊ ｔ 系统初始化 获取湍湿度裙点信息 获取成功否 ＼＼／／ Ｙ 传数据信魍、 网９路由流程图 图１０终端监测流程图 ５试验结果 图１１为温湿度的监测系统试验调试图，通过上位 机串口通信软件，可获取任意终端的监测温度、湿度、 一 ２０１２年第３期 工业仪表与自动化装置 ・５３・ 露点。利用温湿度校准仪对系统采集点的温湿度进行 要意义。该文设计的温湿度监测系统具有以下特征： １）针对育苗大棚面积大的特点，采用了基于 Ｍｏｄｂｕｓ协议的双层４８５网络体系架构，系统可监测 检定，校准仪的温度范围为一４０～１４０℃，准确度为 ０．１℃；湿度范围为１０％～９７％，准确度为１％；利用校 准仪对温湿度进行校准，校准结果如表４所示。 图１１温湿度监测系统 表４ａ温度校准 测试结果表明，温度的偏差小于０．１１℃，湿度 的偏差小于０．４３％，上述测量准确度可以完全满足 育苗大棚温湿度监测的要求。 ６ 结论 大棚内的温度、湿度等参数直接关系植物的扦 插、生长、发育。因此，育苗大棚的温湿度监测具有重 ５１２个终端的温湿度及露点； ２）系统采用ＣＲＣ校验，可对路由、终端、传感异 常进行检测，上位可以准确获知故障点，系统易于 维护； ３）系统在软件和硬件方面采用了多重防护技 术，如光电隔离，瞬态抑制保护，防雷保护，看门狗等 措施，系统的抗干扰性较强，完全可以应用于育苗大 棚的温湿度监测。 参考文献： ［１］应光明，张云生，陆文妹．红花木常年扦插育苗技术 ［Ｊ］．防护林科技，２００３（２）：２９—３０． ［２］ 徐生旺．祁连圆柏育苗造林技术研究［Ｄ］．西北农林科 技大学，２００７． ［３］ 谢明奇金，雅到赫，梁在金．树木生长取决于土壤和空 气的温湿度［Ｊ］．湖北农林科技，１９８１（０１）：２３—２５． ［４］ 王魁汉．温度测量实用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版 社．２００７． ［５］李柏榕．基于Ｍｏｄｂｕｓ的温度控制器的研制［Ｄ］．大连 交通大学，２００９． ［６］ 题原，宋飞，刘树东，等．基于ｎＲＦ９０５的无线温湿度检 测与传输系统设计［Ｊ］．化工自动化及仪表，２０１１ （３８）：４０４—４０７． ［７］Ｐ Ｒａｌｓｔｏｎａ，Ｊ Ｇｒａｈａｍｂ，Ｌ Ｈｉｅｂｂ．Ｃｙｂｅｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ 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