基于ZigBee和PLC的溫室監控系統的設計

姚 琦，賴忠喜

（臺州職業技術學院 機電研究所，浙江 臺州 318000）

溫室是一種可以改變植物生長環境，為植物生長創造更好條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場所。隨著社會經濟的發展，各種園藝溫室和農作物溫室的數量在不斷的增加[1]，目前我國溫室環境監測系統主要基于有線方式，一般需要在土壤中鋪設大量的電纜，其存在著布線復雜，抗干擾能力差，功耗大，投資成本高和安裝維護困難等缺陷[2]，采用無線的方式進行溫室環境參數的采集和傳輸可以解決上述問題，ZigBee技術是近幾年來發展的一種新型無線通信技術，其具有低功耗，成本低，時延短，網絡容量大，可靠安全等特點[3-4]，被廣泛的應用在短距離內的低速率無線傳輸的場合中[5]，因此文中將ZigBee技術引入到溫室環境監控系統中。同時溫室內高溫高濕的環境對監控系統的可靠性要求較高，常用的單片機系統難以滿足要求[6]，而采用PLC作為溫室的主控制器，可大大提高系統的可靠性，為此本文設計了一種基于ZigBee技術與PLC的溫室監控系統，其具有功耗低，維護容易，可靠性高等特點，能很好的滿足溫室大棚控制要求。

1 總體設計

本系統整體原理框圖如圖1所示，系統主要包括數據采集節點，主節點，PLC控制系統和上位機4個部分所構成。系統設計了4個數據采集節點，分別放置在在溫室的4個角落，4個數據節點每隔一定時間分別采集溫室內的溫度，濕度，光照度和二氧化碳濃度等環境因子，并輪流向主節點發送所采集的數據信息，主節點組建了基于ZigBee技術的星型網絡拓撲結構，主要實現對整個網絡的管理及接受子節點轉發來的數據等功能，主節點收到數據之后通過串口將各節點的數據傳送給PLC，作為主控制器的PLC根據從主節點傳送來的數據和預先設定好的閾值控制溫室內的各個執行設備，對溫室環境進行自動調節，以滿足不同農作物的生長要求。為了更方便的設定閾值參數和掌握溫室大棚作物的環境參數情況，選用MCGS組態軟件作為上位機組態開發平臺，對整個PLC控制系統進行監控。另外利用MCGS的遠程監控功能，還可以通過遠程監控界面在IE瀏覽器上直接查看溫室大棚作物的生長情況。

圖1 溫室監控系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the greenhouse monitoring system

2 系統硬件設計

2.1 數據采集節點硬件設計

數據采集節點的主要功能是采集溫室的環境參數，并將采集到的數據發送到主節點上。數據采集節點的結構圖如圖2所示，其主要由數據采集模塊，電源管理模塊，液晶顯示模塊和無線通信模塊所組成。

圖2 數據采集節點結構圖Fig.2 Structure diagram of data acquisition node

2.1.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要完成對溫室現場溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照度的測量與采集。

溫濕度傳感器選用瑞士Scnsirion公司生產的智能數字溫濕度傳感器SHT11，該傳感器將濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換和加熱器等功能全部集成于一芯片中，可給出全校準相對濕度值輸出；并帶有兩線制的串行接口和內部基準電壓，使系統的接口設計變得簡單快捷。CO2傳感器選用CDM4161，用于檢測溫室內的CO2濃度，該傳感器內部集成了TGS4161 CO2氣體傳感器和PIC16LF88單片機，體積小，壽命長，穩定性高。該傳感器對CO2氣體濃度的側量范圍為400～4 000 ppm，其輸出的電平值與CO2氣體濃度保持良好的線性關系，非常適用于溫室CO2濃度的檢測。光照度傳感器選用BH-1750型光照度傳感器，該傳感器是半導體制造商ROHM近些年推出的一種I2C串行總線接口的數字型光強度傳感器，其具有較廣的光照強度測量范圍（1～65535LUX），分辨率高，功耗較低和接線方便等優點。數據采集模塊的電路原理圖如圖3所示。

圖3 數據采集模塊電路圖Fig.3 Data acquisition module circuit

2.1.2 無線通信模塊

ZigBee無線通信核心部分采用TI公司生產的CC2530芯片，CC2530是一個真正用于 IEEE 802.15.4的ZigBee和FR4CE應用的片上系統（SOC）解決方案，其能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存8KB RAM和許多其他的強大功能。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。其外圍電路圖如圖4所示。

2.1.3 電源管理模塊

電源管理模塊主要為數據采集模塊，液晶顯示模塊和無線通信模塊提供電源。考慮到溫室需要無人值守的情況下工作，因此本系統采用鋰電池作為數據采集節點和主節點的供電電源，市面上最常用的可充電鋰電池的額定電壓為3.7 V，而CC2530射頻芯片和BH1750傳感器的所需供電電壓為3.3 V，SHT11傳感器、LCD1602液晶顯示器和CDM4161傳感器所需的供電電壓為5 V，因此將鋰電池分別通過DC/DC芯片LTC3340和HT7333實現將3.7 V電壓轉換為5 V和3.3 V的電壓，以滿足不同元器件的供電需求。圖5為電源模塊電路原理圖。

2.2 主節點設計

主節點主要完成多個子節點采集數據的無線收發任務，其大部分硬件電路與數據采集節點相同，主要不同在于主節點沒有數據采集模塊，而多了串口通信模塊，主節點需要通過RS232串口與PLC進行通信，采用SP3223E電平轉換器進行RS232電平轉換，將SP3223E的RIOUT，TIN引腳分別接CC2530的 P0_2，P0_3引腳，串口提供了一個標準的9針串行接口。

圖4 CC2530外圍電路圖Fig.4 CC2530 peripheral circuit diagram

圖5 電源模塊電路圖Fig.5 Power module circuit diagram

2.3 PLC控制系統設計

溫室智能監控系統把從主節點傳輸的四種環境參數數據傳給系統的主控制器PLC后，PLC根據預設的參數和上位機所設置的環境參數對相應的控制機構進行相關控制。根據系統的控制要求分析PLC的輸入和輸出點，本系統的PLC控制器的輸入點有：啟動信號、停止信號、自動/手動切換按鈕、內外遮陽網、天窗、側窗、濕簾外窗的限位開關及內外遮陽網、天窗、側窗、濕簾外窗、環流風機、濕簾風機、補光燈、CO2發生器、加熱水泵、熱風爐風機的手動開關共28個輸入點。輸出點有：內外遮陽網、天窗、側窗、濕簾外窗、環流風機、濕簾風機、補光燈、CO2發生器、加熱水泵、報警燈、熱風爐風機共12個輸出點。在滿足功能要求的前提下綜合性價比選用西門子S7200系列的CPU226，輸入量擴展模塊一個，型號為EM221。CPU226具有24個數字量輸入點和16個數字輸出點，加上EM221的 8個輸入點，能滿足系統的需求。將開關按鈕和限位開關接入到輸入端，完成手動控制功能，輸出端連接繼電器系統，控制執行機構動作。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括ZigBee節點程序編寫，PLC控制程序設計和上位機界面的設計。

3.1 ZigBee節點程序設計

ZigBee無線節點的應用程序是在IAR的集成開發環境下，在ZigBee2007/PRO協議棧ZStack-2.0.0-1.2.0基礎上開發的，節點的軟件設計分為數據采集節點的設計和主節點程序的設計。主節點主要負責組建星形網絡及接收處理各節點傳遞過來的信息。當主節點接通電源復位后，首先進行初始化，并建立一個具有唯一ID標識的ZigBee網絡，之后進行無線監控，若接收到的信息為其它節點的入網請求信號，則將給節點分配16位的短地址標識符并更新網絡列表，而若接受到的信息為節點上傳的數據信息，則將各節點上傳的溫室環境參數傳送給PLC，交由PLC處理。ZigBee網絡中的數據采集節點則負責溫室環境參數的檢測，并將檢測到數據上傳個主節點。數據采集節點上電初始化后，首先掃描可用網絡，并申請加入，當如網成功后，為了節能降低功耗，本方案中采用休眠-喚醒的工作機制，只有在定時時間5 min到時，各傳感器才采集一次數據并上傳到主節點，其余時間里節點進入休眠模式，主節點和數據采集節點的程序流程如圖6所示。

圖6 ZigBee節點程序流程圖Fig.6 Program flow chart of the ZigBee node

3.2 PLC控制程序設計

PLC控制程序采用STEP 7-MicroWINV4.0編程軟件編寫，其控制程序有手動和自動操作模式，在手動操作模式下，操作人員可以手動實現對各執行設備的控制，而在自動操作模式下，PLC會根據主節點傳送來的環境參數（溫度，濕度，CO2濃度和光照強度）以及上位機根據生產經驗所設置各參數的上下限值來控制各個執行機構的輸出狀態。

3.3 上位機界面設計

上位機監控中心的系統軟件采用MCGS組態軟件進行開發，圖7為開發的MCGS監控操作界面。該界面主要由環境參數顯示模塊，PLC執行設備狀態顯示模塊，參數設置模塊，手動控制模塊和數據庫訪問模塊等組成，通過該界面用戶既可以直觀清晰的觀測溫室內的環境參數和各PLC執行設備的運行情況，也可以通過參數設置模塊方便設置溫室環境的上下限值，同時還可以手動的控制溫室的各執行機構。另外通過該監控界面還可以查看實時環境參數曲線和對溫室的歷史數據進行查詢，能方便的實現對溫室環境的監控管理。

4 結 論

圖7 基于MCGS的監控操作界面Fig.7 The monitoring interface based on MCGS

文中設計了一種以ZigBee技術和PLC為核心的溫室監控系統，該系統可以對溫室環境中的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等各項參數進行準確的檢測、采集。并可以根據預設的參數來調節和控制溫室環境，以滿足不同植物的生長需求。經測試運行表明該系統具有可靠性高，組網靈活，功耗低等特點，可以很好的解決有線通信方式布線麻煩和維護困難等問題，在智能農業領域有著良好的市場前景和推廣應用價值。

[1]陳方元，賴忠喜，陳文波，等.一種簡易溫室控制系統的設計[J].電子設計工程.2012，20（21）:15-18.CHEN Fang-yuan，LAI Zhong-xi，CHEN Wen-bo，et al.Design of simple greenhouse control system[J].Electronic Design Engineering，2012，20（21）:15-18.

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