基于modbus協(xié)議的空間分布式溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
    目前，大型基地(比如倉庫)對其空間內(nèi)部的溫度和濕度參數(shù)非常關(guān)注，因為這直接關(guān)系到其中儲存的設(shè)備是否能夠無腐蝕、完好的被保存。因此，能夠自動測量空間內(nèi)的溫濕度并在需要的時候開啟風機以控制溫濕度是很有必要的。本文提出用分布式系統(tǒng)結(jié)合Modbus協(xié)議來高穩(wěn)定高可靠地收集數(shù)據(jù)，同時在PC機上利用ACCESS的強大功能分析和處理數(shù)據(jù)并發(fā)出風機指令，從而實現(xiàn)溫濕度的自動測控。

1 系統(tǒng)構(gòu)成
    該溫濕度測量控制系統(tǒng)屬于傳感器空間立體分布式測控系統(tǒng)，采用PC主機和一臺上位機、以及若干臺下位機來實現(xiàn)主從式通信，同時使用RS485通信方式并采用Modbus協(xié)議組成工業(yè)級485網(wǎng)絡(luò)，然后再加上風機、打印機等。從而構(gòu)成一套完整的系統(tǒng)來實現(xiàn)對基地的溫度濕度參數(shù)進行監(jiān)測和控制。下位機采用一線總線(12wireinter2face)溫度傳感器來和shtll濕度傳感器精確地采集溫濕度信號，并應(yīng)用PIC16單片機來把處理的信號通過RS-485總線發(fā)送給上位機。上位機是采用AT89S52的中央控制單元，可進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)儲存，并可與PC機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，進而通過該網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動風機控制開關(guān)的通斷。圖1所示為系統(tǒng)總體框圖。

2 Modbus協(xié)議
    Modbus協(xié)議適用于半雙工的RS-485總線。該總線上一般可有一個主機和多個從機，每個從機分配唯一的地址。工作時采用命令——應(yīng)答的通訊方式，每一種命令幀都對應(yīng)著一種應(yīng)答幀，主機可以向要訪問的從機發(fā)出命令幀，然后由地址匹配的從機進行響應(yīng)，再向主機發(fā)出與命令幀對應(yīng)的應(yīng)答幀；地址不匹配的從機不響應(yīng)命令幀。這種一問一答的通信方式可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
    標準的Modbus協(xié)議為命令幀定義了許多功能代碼，不同的功能代碼要求從機進行不同的響應(yīng)。Modbus協(xié)議分為ASC碼模式和RTU模式，一般應(yīng)用都希望在較短的時間內(nèi)盡可能擴大數(shù)據(jù)的傳輸量，因此，大多采用RTU方式。
    無論是命令幀還是應(yīng)答幀，消息幀的起始和結(jié)束必須有至少可發(fā)送3．5個字符時間的停頓作為標志。命令幀中，從機地址表明該命令幀由總線上哪個從機接收。功能碼則指明主機要從機作出何種響應(yīng)。寄存器起始地址主要告訴從機，主機所要讀取從機內(nèi)部寄存器的起始地址。寄存器數(shù)是指主機要從該地址開始，連續(xù)讀取多少個寄存器的值。CRC校驗是對由從機地址開始的幀的所有字節(jié)進行CRC-16校驗的校驗碼。CRC校驗的糾錯能力極強，它的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_率可達94％以上。在應(yīng)答幀中，從機地址、功能碼、CRC校驗與命令幀中的含義相同。字節(jié)數(shù)為從機應(yīng)主機要求所發(fā)送的內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，寄存器1、2、…n是發(fā)送的各寄存器的內(nèi)容。

3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
    該系統(tǒng)硬件采用一臺上位機和若干臺下位機的方式來構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，從而完成數(shù)據(jù)的收集和存儲。
    上位機主要由AT89S52單片機、通訊模塊、存儲模塊、狀態(tài)指示模塊組成，圖2所示是其上位機的結(jié)構(gòu)組成。

    下位機主要由PIC16單片機、溫度傳感器、濕度傳感器、風機控制單元、狀態(tài)指示模塊和通訊模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    圖4所示是基于Modbus協(xié)議的485通訊網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式示意圖。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)中的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件可采用VB語言來開發(fā)，并基于Access數(shù)據(jù)庫來進行管理。本軟件的特點類似于Windows的圖形界面和操作方法，因而十分簡單，易操作。其完成的主要功能是數(shù)據(jù)收集、系統(tǒng)設(shè)置、用戶管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)設(shè)置，歷史數(shù)據(jù)分析、報警設(shè)置、設(shè)備管理、輸出報表和圖形顯示等。圖5所示是本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖。

    在圖5中，用戶管理主要是對操作軟件的用戶進行管理，包括用戶的添加刪除，密碼管理，用戶權(quán)限管理等等；系統(tǒng)設(shè)置則是對監(jiān)控系統(tǒng)軟件溫濕度參數(shù)的設(shè)置，例如溫度、濕度傳感器的地址參數(shù)的設(shè)置；數(shù)據(jù)交互主要完成軟件讀取上位機中存儲的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理主要負責數(shù)據(jù)存儲備份、溫濕度報警值的設(shè)定、對讀取的數(shù)據(jù)進行處理，并判斷是否需要開關(guān)風機；數(shù)據(jù)顯示主要
是對采集的溫濕度按照具體需要進行顯示；歷史數(shù)據(jù)的主要功能是對以往溫濕度記錄的查看、分析、統(tǒng)計，可以通過軟件針對每一年、每一月、每一天的平均溫度或者某一天某一時刻的溫度和濕度進行查詢，包括對歷史數(shù)據(jù)溫度和濕度曲線的觀測，以及各個時段的溫度／濕度報表的打印等。

5 結(jié)束語
    本文主要討論通過基于Modbus協(xié)議的485網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)溫濕度的采集與控制的具體方法。文章根據(jù)項目中的具體操作，給出了系統(tǒng)硬件、嵌入式軟件、PC機軟件等各個環(huán)節(jié)的具體實現(xiàn)方法，以便于設(shè)計者在開發(fā)應(yīng)用中作為參考。