基于Modbus-RTU的花卉育种温室灌溉控制系统设计

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　　摘要：针对花卉对按需灌溉和生长环境的需求及PLC模拟量输入、输出模块数量有限等缺点，设计了基于西门子S7-200 SMART系列PLC为核心的灌溉控制系统。该控制系统利用Modbus-RTU通信，采用轮询的方式采集变频器、土壤温湿度、空气温湿度、光照度及土壤电导率等参数，控制变频器运行频率实现对花卉的按需灌溉，并利用工业以太网把相关参数上传至MCGS觸摸屏进行精细化管理。
　　关键词：Modbus-RTU;灌溉;PLC;温湿度;光照度;电导率
　　中图分类号：F301
　　文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（ 2020）12-0164-03
　　DOI：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.036
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　随着科学技术的日新月异，现代自动控制技术在农业温室大棚中的应用也越来越广泛，实现传统农业生产方式的精耕细作与现代信息技术、智能装备技术的深度融合。
　　在农业智能灌溉控制方面，王福平等[1]、李兴泽等[2]为了解决农村农业灌溉质量不高，能源利用率低等问题，结合物联网技术、PLC控制技术和GPRS技术，以GPRS+Zigbee无线组网技术为核心，设计了以主从模式的灌溉泵站的控制、田间环境参数的采集等智能灌溉监控系统;在花卉育种温室环境控制方面，龙建明等[3]、李燕飞等[4]通过基于STC单片机为核心控制器开发的温室控制系统，取得了较好的温湿度控制效果，但单片机系统相对开发周期较长、且后期维护较困难的缺点仍然无法彻底解决。为解决单片机系统开发及维护方面的不足，张伏等[5]提出用西门子S7-200系列PLC（CPU模块）和EM235模拟量模块，开发PLC控制系统对温室温湿度等环境参数进行采集并实现对温室花卉育苗环境的控制，但模拟量模块扩展数量不足的缺点仍然无法解决。
　　鉴于此，针对农业智能灌溉和花卉育种温室环境监控两个方面的需求，以西门子S7-200 SMART系列PLC为控制核心，利用Modbus-RTU通信技术设计了一种能够实现农作物用水的按需灌溉和温室环境调节的自动化控制系统。
　　1 控制系统设计
　　花卉育种温室灌溉控制系统结合了工业以太网技术、PLC控制技术等，通过PLC对花卉育种温室大棚内的相关环境参数进行监测和对灌溉用水的按需自动调节，为花卉提供较理想的生长环境，满足花卉育种温室的生产要求。
　　1.1 总体方案
　　控制系统采用MCGS触摸屏和西门子S7-200SMART系列PLC作为主控制器，通过PLC自带的RS485接口，利用Modbus-RTU通信实时对现场环境传感器信息的采集、变频器控制水泵机组按需运行，并利用以太网将信息上传到温室大棚的触摸屏中，实现对温室大棚智能灌溉和环境状态的实时监控。控制系统总体示意图如图1所示。
　　1.2 控制策略
　　1）灌溉控制策略。农业灌溉系统实现智能化，主要是依靠控制系统对各个环境参数的智能化分析，为了科学地灌溉，需要对温室内的花卉生长情况做统计分析。不同种类的花卉育苗在不同温度、光照度等环境条件下对于灌溉要求是多样的，而且同种花卉植株在不同生长过程中对于水分的要求也不同，此外土壤质地对水分也有很大影响[6]。通过对试验获得数据进行分析可得出花卉等植物的需水量生长模型，进而在此基础上确定温室灌溉规则（图2）。
　　2）花卉育苗温室环境控制策略。在温室环境控制策略中，主要是对温室环境的温度、湿度和光照度等参数的调节控制，其中根据季节不同，温度、湿度控制有着明显不同的优先级，夏季以湿度控制优先，温度控制为辅;冬季以温度控制优先，湿度控制为辅[7，8]。在保证温湿度控制优先的情况下，调节光照度控制，实现花卉育苗温室环境的实时监控（图3）。
　　1.3 控制系统的PLC实现
　　1）控制网络组网实现。花卉育种温室控制系统以西门子PLC为控制器，利用S7-200 SMART PLC自带的RS485通信口构成Modbus-RTU通信网络，实现PLC与变频器、传感器之间信息的远程传输[9，10]PLC自带工业以太网口（PN口）与MCCS触摸屏之间实现现场操作和温室信息等的实时监控。Modbus-RTU通信示意图如图4所示。
　　温室灌溉控制系统硬件部分由上位机MCGS触摸屏、西门子S7-200 SMART PLC和数字量输出扩展模块、变频器、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器及光照度检测传感器等组成。具体硬件选型考虑如下。
　　①PLC型号选择：单个温室灌溉控制系统需要顶窗、遮阳帘、湿帘、灌溉电磁阀等开关量输出信号32个及限位信号20个，选择SR40CPU模块和EMDR16数字量输出模块，能够满足系统控制要求。
　　②变频器选择：选用三菱FR-E740系列变频器，利用其自带PU接口与SR30 CPU之间的Mod-bus-RTU通信，实现变频器的启动、停止、故障报警及调速控制。
　　③触摸屏选择：选用昆仑通态TPC7062Ti触摸屏，可以实现与SR30 PLC工业以太网口之间10/100 Mbps自适应以太网通信。
　　灌溉控制系统中各器件功能，如表1所示。
　　2） Modbus-RTU通信数据采集。利用SR40CPU的RS485端口采用Modbus-RTU的轮询方式，周期性采集、控制变频器、土壤温湿度、空气光照度、空气温湿度等信息。通讯基本参数采用数据位8位，无奇偶校验位，停止位1位，波特率9 600 bps，并设置变频器、各传感器的Modbus-RTU通信地址。Modbus-RTU通信相关寄存器地址如表2所示。
　　3）触摸屏界面设计。PLC通过自带的工业以太网接口，把采集到的环境参数上传至MCCS触摸屏进行动态显示，触摸屏环境参数如图5所示。主要功能如下。 　　①实时显示温室内外的各项环境参数数值，包括温湿度、光照度及电导率等。
　　②控制系统手自动切换及手动灌溉下的灌溉时间设置，自动情况下根据具体环境参数进行自动调节。
　　③对温湿度、光照度及电导率等环境参数的趋势跟踪，可显示单日内各参数的变化曲线。
　　2 总结
　　本研究提出了一种基于Modbus-RTU通信的温室灌溉控制系统，结合以温湿度、光照度及土壤电导率等参数实现温室灌溉的自动调节。通过实际验证，控制系统基本能够满足植物在不同环境下的灌溉需求，从而能够保证花卉作物处于其最佳生长状态环境。
　　参考文献：
　　[1]王福平，冯盼盼.基于CPRS和ZigBee的智能灌溉监控系统的设计[J].江苏农业科学，2014，42（ 12）：404-406.
　　[2]李兴泽，王福平基于物联网的农业大棚智能管控系统[J].江苏农业科学，2018，46（1）：181-183
　　[3]龙建明，熊刚，张争刚，等基于单片机的温室环境控制系统设计[J].湖北农业科学，2015，54（9）：2238-2241.
　　[4]李燕飞，张文志，王洪娟，等.基于PLC的智能温室控制系统[J].机械工程与自动化，2016（4）：172-173.
　　[5]张伏，王唯，张亚坤，等.PLC和MCCS组态软件在温室控制中的应用[J]农机化研究，2014（ 10）：205-208.
　　[6]韩贵黎，蔡宗慧.基于PLC的物联网感应的智能灌溉节水系统设计[J].农机化研究，2017（ 12）：215-218.
　　[7]盛强.基于PLC花卉种植温室小气候控制系统的设计[J].贵州农业科学，2017，45（6）：137-139.
　　[8]李洪军，吴玉环，张志祥，等，温度变化對木本植物光合生理生态的影响[J]贵州农业科学，2009，37（9）：39-42.
　　[9]张晓玲，严小军，赵旺升.PLC白由口实现Modbus多站点轮询研究[J].机电信息，2019（5）：6-7.
　　[10]袁金云，尹生强，李俊杰，等.基于Modbus协议的PLC与多台电表通信研究[J].青岛大学学报（工程技术版），2015，30（3）：59- 63.
　　基金项目：湖州市科技特派员项目（ 2017KT21）
　　作者简介：盛强（1981-），男，浙江金华人，副教授，硕士，主要从事T业网络通信及智能控制研究，（电话）13567235453（电子信箱）376041718@qq.com。
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