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基于Modbus—RTU和GPRS通信的温室控制系统设计
作者：盛强
来源：《湖北农业科学》2017年第15期
摘要：针对农业温室分布地域广、分散的特点，设计了基于Modbus-RTU和GPRS通信的温室环境控制系统。系统由西门子S7-200 SMART PLC、触摸屏、GPRS模块和上位机服务器构成，利用Modbus-RTU采集现场温湿度、光照度等传感器的实时信号，并在触摸屏进行实时显示以及实现多种模式下的手动控制；通过GPRS模块把采集到的信息远程传送至上位机服务器，对信息进行接收和综合分析处理。现场测试表明，该系统结构设计合理、系统运行稳定，能够满足花卉温室远程监控的要求。
关键词：PLC；温室；Modbus-RTU；GPRS；远程监控
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）15-2935-03 DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.034
Abstract： Aiming at the wide and scattered distribution of agricultural greenhouse， design the greenhouse environment control system based on Modbus-RTU and GPRS. The system consists of Siemens S7-200 SMART PLC， touch screen， GPRS module and host computer server， using Modbus-RTU to collect temperature and humidity， light and other sensors real-time signals， and display in the touch screen and realize the manual and automatic control. Through the GPRS module to collect the information， integrated analysis and processing. The results show that the reasonable design of the system structure， system function is stable， and can meet the requirements of remote monitoring of flower greenhouse.
Key words： PLC；greenhouse；Modbus-RTU；GPRS；remote monitoring
温湿度、光照度等环境因素对花卉及农作物生产起重要作用，让花卉作物避免受恶劣自然环境因素的影响，按照最佳模式生长至关重要，采用温室和大棚进行保护栽培可以达到目的[1，2]。目前，大多数温室采用单片机为主控制器。针对单片机控制系统开发周期长，且后期维护较困难等缺点，李燕飞等[3]、付焕森等[4]提出了基于PLC的温室智能控制系统，但是由于受到PLC点数的限制，须通过扩展模拟量模块对现场温室环境参数进行采集。近年来，Modbus-RTU网络通信技术因投资少、可靠性高等优点，在远程监控中应用广泛，但是在很多情况下，如农业温室在地理位置上较偏僻、温室之间、温室与控制室之间距离较远，实施网络布线比较困难。鉴于此，针对单个温室内传感器在空间布局上相对集中，而各个温室之间距离较大、占地面积广、与监控室距离远的特点，本研究提出基于西门子S7-200 SMART PLC，利
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用Modbus-RTU现场总线通信技术采集温室内传感器信号，并结合GPRS无线通信技术把各个温室大棚的实时信息传送至上位机服务器的温室自动控制系统，以期为远程监控温室提供参考。
1 系统设计方案
该系统采用西门子S7-200 SMART系列PLC作为主控制器，通过Modbus-RTU现场总线将传感器与PLC、触摸屏组成现场实时监控系统，再通过GPRS模块与移动网络相连接，将各个温室的现场采集数据实时发送到上位机服务器中。图1为温室大棚GPRS无线通信示意图。 2 实现方案
温室控制系统由西门子S7-200 SMART PLC为主控制器，利用PLC自带RS485通信口与GPRS无线模块MD720-3组成GPRS通信网络，实现温室信息的远程传输；扩展信号板CM01与现场检测传感器组成Modbus-RTU现场总线网络，实现单个温室大棚内环境参数的实时采集；PLC自带工业以太网口与现场触摸屏之间实现现场操作和信息的实时显示。
温室控制系统中各个温室均装有温湿度、光照度、风速及CO2浓度检测传感器，此外，每个温室大棚设有顶窗侧窗、内外遮阳网、湿帘、通风及循环风机、加热器等执行机构，通过自动控制保证温室内环境参数处于作物的最佳生长状态。其中，温湿度、光照度、风速、CO2浓度检测及加热器与现场PLC之间采用Modbus-RTU通信协议，利用Modbus-RTU协议通过轮询方式实现现场PLC与传感器、加热器之间的通信控制[5]，Modbus-RTU通信原理如图2所示。
在上位机服务器中利用西门子SINAUT MICRO SC服务器软件，可通过以太网的方式采集下位机PLC通过GPRS无线模块MD720-3传输的实时数据，再利用WINCC组态软件实现各个温室的实时数据的归档与人机交互界面的设计。MODBUS-RTU通信和GPRS无线通信PLC初始化程序如图3所示。 3 温室系统功能实现 3.1 温室控制策略实现
在温室控制中，主要集中于温湿度及光照度的调节控制，其中以温湿度控制为主要控制目标，其优先级大于光照度控制，而温湿度控制优先级可根据季节的不同，设置不同的优先级顺序，夏季以降温加湿为主，以湿度控制为优先，温度控制次之；冬季以保温加热为主，以温度控制为优先，湿度控制次之[6]。PLC控制策略如图4所示。 3.2 现场触摸屏界面
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触摸屏通过工业以太网现场实时显示温室的环境数据，包括温湿度和光照度等，此外还可以监控温室内控制设备的状态，触摸屏参数设置如图5所示。主要完成如下功能。 1）触摸屏界面实时显示温室内及室外的各项环境参数。
2）能够实现手动控制和自动控制的切换。在自动控制模式下，对不同季节模式和植物生长周期对温室单日环境参数进行配方化管理，实现对温室环境的自动调节。
3）以实时数据和趋势曲线的显示方式对温室内各项环境参数进行动态显示，并对温室内各控制设备及环境参数进行实时超限报警。 4 结论
提出了一种基于MODBUS-RTU通信和GPRS无线通信的温室集群控制系统，结合温湿度、光照度、CO2浓度等参数实现温室环境的自动调节，能够在一定程度上满足植物在不同生长时期对环境的要求。利用上位机服务器对采集数据进行分析，确定最佳控制参数，再结合触摸屏的配方功能，对在不同季节、模式和植物生长周期条件下，进行单日参数配方化管理，并运用PID算法对温室内的温度进行自动调节，基本上能够保证温室环境植物处在最佳生长状态。
参考文献：
[1] 周江华，邹清成，朱开元，等.花卉组培苗大棚栽培温度、水分和基质的调节效应[J].江苏农业科学，2010（5）：274-276.
[2] 周 敏，韩宇光，王军安，等.基于西门子PLC的智能温室控制系统设计[J].实验室研究与探索，2014，33（12）：99-101.
[3] 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.
[4] 付焕森，李元贵.基于前馈补偿算法温室解耦及PLC控制器设计[J].农机化研究，2016（2）：205-208.
[5]吕国华.Modbus现场总线技术在嵌入式PLC中的应用研究[D].济南：山东轻工业学院，2011.
[6] 李红华.基于可编程控制器（PLC）的温室环境控制装置的研制[D].南京：南京农业大学，2013.