基于RS-485总线的温室环境数据采集系统的研究

植物生长需要一个适宜的环境，在可控环境下，可以不分季节、不分地区地种植所需要的植物。温室作为植物生长的环境，其内部的因子(如温度、湿度、光照度和CO2浓度等)是植物生长的关键因素。所以，对温室环境因子进行数据采集，不仅可以为分析环境与植物生长之间的关系提供依据，而且为实现温室环境控制奠定基础。

在规模生产中，一般使用多座温室，温室之间在空间上相对分散，且与计算机监控室也存在一段距离，信号传输距离长达几十米甚至上千米，分布在现场的监测节点与操作人员之间有大量的数据传输，采用一般的传输线通信由于速度比较慢、通信质量不高、抗干扰能力差，往往达不到要求。

在这种情况下，采用串行总线技术来构成温室环境远程数据采集系统，是一种较好的技术。RS-485总线技术比较简单、总线结构稳定、成熟易于实现，且总线传输速率高、传输距离远、可靠性较好、支持多点通信等优点。所以本文介绍采用RS-485构成温室环境数据采集系统。系统主要用于温室内的温度、湿度、光照度和CO2浓度等环境因子的自动采集，对温室的异常情况进行故障初发期的报警处理，为控制植物生长环境所需的温度、湿度、光照度和CO2浓度奠定基础。

1 系统网络拓扑结构

温室环境远程数据采集系统的网络拓扑采用RS-485总线方式，系统以PC机为主机，以RM417模块为从机，二者通过RS-232/RS-485接口转换器连接，系统网络拓扑结构如图1所示。

系统采用主从方式进行多机通信，每个从机拥有自己固定的地址，由主机控制完成网上的每一次通信。网络的连接线采用双屏蔽线，图1中的R为平衡电阻，R=120 Ω，通信波特率为9 600 bit/s，串行数据格式为：1位起始位，8位数据位和1位停止位，无奇偶校验位。

主机呼叫某一从机时，会向网上发出从机的地址，所有从机接收到该地址，先与自己的地址比较，如果地址相符，说明主机在呼叫自己，则将采集到的温度、湿度、光照度和CO2浓度数据发送到网上，如果地址不相符，则不予理睬，继续处于监听状态。通信结束后，所有从机继续处于监听和等待呼叫状态。

2 系统硬件

2.1 传感器

1)温、湿度传感变送器

本系统的室内外温、湿度传感变送器选用E+E公司的产品HCT01，温度测量范围：-25～60℃，精度±0.2摄氏度，相对湿度测量范围：0～100%RH，精度±2.5%RH，输出信号：4～20 mA。HCT01温湿度传感器接口电路如图2所示。在串行时钟输入SCK于单片机的P0.4口连接，用于处理微处理器与传感器之间的同步通信，串行数据线DATA与单片机P0.5口连接，用于读取数据，微处理器应驱动DATA在低电平，采用一个4.7 kΩ的上拉电阻将信号拉至高电平。

2)CO2传感变送器

从精度、可靠性和使用方便等方面考虑，本系统选用VAISALA公司的GMW22D红外式CO2传感变送器，测量范围：0～2 000x10-6，精度：小于±20x10-6+读数的1.5%，重复性：小于±20x10-6，稳定性：小于±20x10-6/5年，输出信号：0～20mA。CO2传感器接口电路如图3所示，电源线采用12 V电源输入，由于单片机P1口具有A/D转换功能，将数据口与单片机的P1.1口连接即可，微处理器处理的DATA应在高电平，所以电路中接10K的下拉电阻将数据口拉至低电平。

3)光照传感变送器

光照传感变送器选用NHZD10CI，将光照强度转换为电流信号，测量范围：0～2 000 Klx，输出信号4～20 mA，再经运算放大器转换为电压信号输出。电流电压转换电路如图4所示。流过反馈电阻Rf的电流等于(UO-UN)/Rf，与UN/R1+(UN-Uf)/R5相等。由此可得输出电压UO=(1+Rf/R1+Rf/R5)*UN-(R4/R5)/Uf，由于集成运放满足虚短，即UN=UP= Ii*s4，用UP代替UO表达式中的UN，若R4=200 Ω，R1=18 kΩ，则UO=0.313*Ii-1.250，当输入为4～20 mA电流信号时，输出为0～5 V电压信号。

2.2 RS-232/RS-485接口转换器

本系统采用无源RS232/RS485转换器，能够将RS-232串行口的TXD和RXD信号转换成平衡的半双工的RS-485信号。232电平转换电路选择使用HIN232芯片，485电路采用MAX485集成电路，该芯片通过RE和DE两个引脚来控制数据的输入和输出。转换电路如5所示，在本电路使用TX线和HIN232的9脚及Q5来控制MAX485的状态切换。当N1H232芯片的9脚输出高电平时，加在Q5的基极，经过Q5反相后，从Q5的集电极输出低电平，使MAX485的RE和DE也为低电平，此时MAX485就处于数据接收状态。当PC机发送数据时，NIH232的9脚输出低电平，加在Q5的基极，经过Q5反相后，从Q5的集电极输出高电平，使MAX485的RE和DE也为高电平，此时MAX485就处于数据发送状态。

2.3 继电