采用MODBUS的灌溉用水远程自动抄表系统

Fig.2
图2 现场采集器功能框图 Functional diagram of field controller
2.1.1 CPU 单元 CPU 单元选用 ATMEL 公司新推出的 AVR 系列低功 耗控制器 ATmega168。ATmega168 单片机功耗低、抗干 扰性好、可靠性高、有较强的模拟接口、代码保密性好， 并且价格也较低，因此非常适合本系统的数据采集与通 信。CPU 单元除单片机外还包括按键复位电路、程序下 载 JTAG 接口、外部晶振电路、程序运行指示灯电路。 CPU 单元原理图如图 3 所示。
本研究的目标是研制一种方便与组态软件集成的 Modbus 抄表系统，实现灌区的信息化和自动化。主要的 研究内容和目标如下： 1）总体方案的设计 对系统进行总体设计，确定总体设计原则，并以总 体设计原则为基础提出系统的总体实施方案，包括系统 的实现框图、各组成部分基本功能以及各层通信网络的 特点。 基于 RS-485 总线的远程抄表系统不仅成本比较低， 而且还具有数据传输稳定、传输距离较远、速度快、抗 干扰能力强等优点，所以，本系统的总线采用 RS-485 总 线，设备间通过 Modbus 协议进行通信。Modbus 协议是 一种标准的工业通信语言，与采用其它协议的总线如 CAN、Profibus 等相比，硬件成本低，协议实现简单，具 有较强的易用性和经济性，尤其适合农业应用。 2）现场采集器软硬件设计 对系统的现场采集器进行设计与开发。硬件设计在 满足功能要求的前提下采用集成度较高的芯片减少元器 件总量以提高系统的稳定性和可靠性；软件设计采用模 块化结构设计，并注意软件抗干扰技术的应用以进一步 提高整个系统的抗干扰能力。 3）井房集中器软硬件设计
76
第 24 卷 增刊 2 2008 年 9 月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
Vol. 24 Supp. 2 Sep. 2008
采用 MODBUS 的灌溉用水远程自动抄表系统
孙 刚，吴文彪，郑文刚，申长军
（国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097） 摘 要：将基于 Modbus 协议的抄表系统应用于灌区信息化，实现灌溉水量数据的实时采集以及灌溉阀门实时控制，进 而对作物进行有效灌溉以提高其品质。系统由管理中心、机井集中器和现场采集器 3 个层次组成，文中主要介绍了该系 统中的采集器和机井集中器的软件和硬件的结构及组成。采集器硬件主要由 CPU、脉冲产生、电源切换、脉冲采集等电 路组成，采集器软件采用 Modbus 串行 ASCII 协议。机井集中器的核心是 1 台 PC，其上运行了组态软件，用于跟采集器 进行通信。该系统的示范应用表明，通信成功率和抄表准确率都满足系统设计要求，通信成功率达到 99.8％，抄表误差 为 0.417％。系统的应用极大地提高了管理人员的工作效率。 关键词：Modbus；自动抄表；农业用水管理；灌溉 中图分类号：TS225.44 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2008)-(Supp.2)-0076-05 孙 刚， 吴文彪， 郑文刚， 等． 采用 MODBUS 的灌溉用水远程自动抄表系统[J]． 农业工程学报， 2008， 24(Supp.2):76-80. Sun Gang, Wu Wenbiao, Zheng Wengang, et a1. Auto-meter reading system for irrigation water based on MODBUS[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(Supp.2)：76－80.(in Chinese with English abstract)
Fig.5
图5 输出控制原理图 Schematic diagram of output control
2.1.4
电源系统
ห้องสมุดไป่ตู้
为了提高系统的可靠性，保证在外部电源切断的情 况下采集器仍然能正确计量水表脉冲，电源系统设计了 双电源切换电路，当外部电源切断后，由后备电池为系 统提供电源。双电源切换电路采用型号为 CEM9435A 的 芯片 U10，后备电池采用 3.6 V，1500 mA 的锂电池，电 池正极直接连接到芯片 U10 的漏极 D 端；外部 5V 电源 经过二极管 D1 后连接到芯片 U10 的源极 S 端，门极 G 端经过电阻 R08 连接到 5V 电源。当外部电源切断后， VGS 为负，芯片 U10 呈导通状态，电源由后备电池供电； 当外部上电后，VGS 为正，芯片 U10 呈切断状态，系统 电源由外部电源提供。当后备电池供电时，POWER 脚发 送中断到单片机，单片机置于休眠状态，仅计量外部中 断的脉冲信号，能耗很低。电路原理图如图 6 所示。
收稿日期：2008-03-19 修订日期：2008-06-19
领域的重要分支，组态软件已成为工业自动化领域不可 或缺的产业构成，其远程部署技术使开发大型工程变得 容易，智能图形技术使开发出的图形操作界面更加美观 且更具操作性。组态软件具有 Modbus 协议接口，可以方 便与研究的抄表系统集成，完成系统的快速开发部署[7]。 采用基于 Modbus 协议的远程集中抄表系统能够杜绝人 工抄表产生的误抄、漏抄、估抄等人为错误，提高工作 效率，另外，系统部署后能够实时在线抄表，形成实时 监测数据，该数据可以为用水管理提供数据支持。
软件设计 由于系统通讯设计采用了 485 总线，而 485 总线只 定义了物理层的电气标准，对上层通信协议没有具体规 定 ， 因此本通信程序设计采用了国际通行的 Modbus 协议。 Modbus 串行链路协议是一个主/从协议，适用于半双 工的 RS-485 总线。协议规定总线上有一个主机，多个从 机，每个从机分配唯一的地址，工作时可以采用命令/应 答的通讯方式。即由主站发起请求，所有的从设备都接 收并解析其中的地址信息，与地址不匹配的从站抛弃该 请求帧，继续侦听总线，只有与地址相匹配的从设备对 该请求帧进行进一步解析，并回应应答帧。若解析后校 验的结果出错，从站向主机发送出错信号。一般情况下， 当主机收到出错应答或在用户设定的时间内仍未收到响 应报文时，主站就会立即重发信息给从设备。从站没有 收到来自总站的请求时，将不会自动发送数据。从站之 间也不能互相通信。在某一时刻主站只能启动一个 Modbus 事务处理[11-13]。 本设计选择了 ASCII 通信模式，并精选了适合本采 集器的部分功能进行了应用。通讯软件设计中涉及的变 量名、变量数据类型、可操作类型及相应寄存器偏置值 如表 1 所示。为了提高中断的响应速度，所有采集器串 行口中断接收信息帧数据后，中断处理中只进行 LRC 校 验和地址识别两部分操作，如传输数据不满足 LRC 校 验，则所有采集器均不响应，当 LRC 校验正确后，各采 集器会识别地址信息，与地址相符的采集器会置标志 位，由主程序在循环中检测到相关标志位后调用通讯子 程序进行处理，通讯子程序流程图如图 7 所示。
图3
CPU单元原理图
Fig.3
Schematic diagram of CPU circuit
Fig.1
图1 系统结构图 Structure diagram of the system
2
现场采集器设计
现场采集器是一套集软硬件为一体的自动化装置， 是整个用水管理系统的数据基础，直接负责发讯水表的 脉冲采集、用水状态检测并将相关数据存储在存储器 中，供井房集中器轮询，同时接收数据集中器下达的控 制命令，对电磁阀进行操作[10]。 2.1 硬件电路设计 现场采集器采用模块化设计，根据总体方案中提出 的系统设计原则和现场采集器的功能定义，设计现场采 集器功能框图如图 2 所示。下面主要讨论其中的几个主 要电路的设计。
0
引

言
高效的用水管理技术将提高作物的水分利用率并有 助于保证作物的品质。当前，国际上灌区用水管理技术 正朝着信息化、自动化、高效化方向发展。灌溉水管理 技术发达的国家已经将地理信息系统（GIS） 、遥感技术 （RS） 、 计算机和自动控制系统等技术综合应用于灌溉水 的管理，实现了集信息采集— 处理— 决策— 信息反馈— 监控为一体的调度系统[1-3]。上述系统的应用不仅可以减 少水在渠系调配过程中的损失，达到节水的目的，而且 还可以使水量分配合理，增加水量分布的均匀性，也是 作物增产增效的有效途径。灌溉水自动化管理技术将最 大限度的优化水资源的利用，同时保障灌溉农业的持续 发展。 一些国家己采用先进的节水灌溉制度，由传统的充 分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报， 实行动态管理，采用传感器来监测土壤的墒情和农作物 的生长，实现水管理的自动化[4-6]。 因此，本研究在吸取国内外灌区自动化先进经验的 基础上，充分利用控制技术、无线通讯技术、数据库技 术等各种高新技术，实现设施农业用水管理的自动化和 信息化。 Modbus 协议是一种工业上的通用现场总线标准， 通过此协议，各设备相互之间、经由网络和其他设备之 间可以通信，它已经成为一通用工业标准，此协议可支 持 RS-232、RS-422、RS-485 和以太网设备。作为自动化
1
系统组成
基金项目： 北京市科技攻关项目， 农业节水灌溉监测与控制设备研制与开发， （D0706007040191） ；农业部 948 项目；国外先进农业信息技术引进与创新 （2006-G63） 作者简介：孙 刚（1978－） ，男，山东泰安人，研究方向为生物生产自动 化。北京 国家农业信息化工程技术研究中心，100097。 Email: bpesun@
增刊
孙
刚等：采用 MODBUS 的灌溉用水远程自动抄表系统
77
对井房集中器进行设计和开发，井房集中器硬件采 用工业化模块，软件系统采用组态软件，充分缩短了开 发周期，保障了系统的可靠性，提高了系统的抗干扰能 力，并具备了长时间不间断运行的能力[8,9]。 系统的整体拓扑结构如图 1 所示。系统由远程监控 中心、井房集中器和温室监控单元 3 部分组成。系统各 部分之间的通信信道主要包括监控中心计算机与井房集 中器的通信信道、井房集中器与温室监控单元的通信信 道，整体采用分层分散式体系结构，这种体系结构分上 下两层：上层(监控中心计算机与井房集中器之间)数据的 通信采用星型结构，利用 2.4G 无线局域网实现数据的交 互，底层(井房集中器与温室监控单元)数据的传输采用总 线型结构，利用 RS-485 总线进行数据交互。采集器可以 采集发讯水表的数据，并且能控制直流电磁阀的开关。 该采集器具有 RS485 接口，并且运行 Modbus 协议，这 样，一条 RS485 总线上可以连接多个采集器。多条总线 分别通过协议转换器连接到井房集中器的串口上。井房 集中器核心是一台工控机，其上运行有组态软件，通过 ModbusS 协议与采集器进行通信，完成水量信息、阀门 信息的获取，阀门开关指令的发送。