基于GPRS和PLC的雞舍環境監控系統設計

馮毅 吳必瑞

摘要：系統采用GPRS與PLCS7-200相結合，設計了一種雞舍環境監控系統，介紹了系統的結構、軟件設計和組態過程。監控系統根據雞生長的環境條件， 對環境參數進行實時采集，控制各種控制單元輸出，從而給雞創造最優的生長環境。使用組態軟件設計的上位機監控系統實現了實時數據監控管理，保證信息在全范圍內的暢通，以適應農業現代化的需要。

關鍵詞： PLC； GRM200G無線模塊；監控系統；雞舍

中圖分類號：TP277.2：S831.4+5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）21-5411-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.054

Design of Henhouse Environment Monitoring System based on PLC and GPRS

FENG Yi1， WU Bi-rui2

（1.Baotou Vocational & Technical College，Baotou 014030，Inner Mongolia，China；2.Ningde Normal University， Ningde 352100， Fujian， China）

Abstract： A henhouse environment monitoring system was designed by the combination of GPRS and PLCS7-200， the system structure， software design and the process of configuration were introduced. According to the environment conditions of chicken growth， the environment parameters were collected in time， and the outputs of the control units were controlled， so that the chicken could achieve the optimal growth environment. The real-time data monitoring and management were realized by PC monitoring system with configuration software design，so the information flowing in the full range was ensured to adapt to the needs of agricultural information modernization.

Key words： PLC； GRM200G wireless module； monitoring system； henhouse

當前，隨著養殖技術的不斷發展，家禽飼養方式由過去傳統的家庭作坊式人工飼養變成了管理方式集中的現代化大規模養殖。雞的飼養、雞的生長與雞蛋的產量受雞舍環境的影響，這些環境因素主要有溫度、濕度、光照、氨氣、硫化氫等[1]，控制好這些環境因素將會促進雞的生長發育，提高雞蛋的產量。本研究采用PLC設計的監控系統，同時結合GRM200G PLC無線通訊模塊，使系統具有開發周期短、實時云端監控、可靠性高等特點。特別是利用手機上網或短信也可以實時監控雞舍環境，采用GRM200G PLC無線通訊模塊實時監測雞舍的環境因素，無需搭建服務器，通過組態軟件和接入網絡的電腦就可以實現PLC 的無線監控，真正實現雞舍環境的自動控制，從而提高飼料轉化率，降低飼養成本，提高飼養利潤。

1 系統的硬件組成及結構原理

雞舍監控終端設備由傳感器檢測模塊、PLC系統、控制模塊（加熱系統、換氣系統、燈光系統和通風降溫系統）和巨控科技GRM200G PLC無線通訊模塊組成[2]。監控中心由上位機組態王軟件組成（圖1）。

在上位機組態王畫面設置出適合雞生長的環境參數，通過通信傳遞給PLC系統。GRM200G無線通訊模塊將各環境參數傳感器檢測的環境參數通過GPRS網絡傳給上位機監控，同時通過RS485接口向PLC輸送實時檢測到的參數信息，經過與設定值比較，PLC輸出控制信號，使執行機構執行加熱、降溫、換氣和燈光動作，實現環境參數調節。系統工作后，各傳感器檢測到的信號可在環境監控上位機組態王畫面顯示。

1.1 系統的硬件組成

1）PLC S7-200。S7-200是德國西門子生產的小型PLC，其產品具有價格低、擴展性強、功能強大、可靠靈活等特點，在工業生產、監測及控制的自動化場合應用廣泛。選擇使用S7-200作為控制器，無論單獨控制還是組網都具有極高的性價比。

2）傳感檢測部分。環境參數可根據實際需要進行擴展設置。本系統主要檢測雞舍內溫濕度、光照以及有害氣體。空氣溫濕度傳感器采用北京九純健科技發展有限公司生產的溫濕度傳感器，外殼采用壁掛安裝設計，自帶溫濕度顯示，型號是JCJ175N。此傳感器性能優良，其濕度測量范圍為10%～90%RH，溫度測量范圍為-15～45 ℃，測量精度為±3%RH/±0.3 ℃，輸出信號為0～5 V電壓。有害氣體（二氧化碳、硫化氫、氨氣）測量選用MQ-135半導體氣體傳感器，測量范圍為10～100 mg/L，輸出0～5 V電壓。該傳感器可用于測量環境中污染氣體，對氨氣、硫化物、苯系的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種有害氣體，具有測量范圍大、靈敏度高、成本低等特點。光照傳感器采用北京九純健科技發展有限公司生產的有較高靈敏度的感光探測器，型號為jcj100p。該變送器外殼采用壁掛安裝設計，外形美觀、結構精致，是一款性價比較高的光照度測量產品。測量范圍0～1 000 lx，準確度±3%FS，輸出信號為0～5 V電壓。

3）操作面板與驅動裝置。操作面板主要在雞舍內提供本地操作，是一些手動操作按鈕及相關狀態指示燈。柜內主要為控制繼電器，控制驅動如加熱系統、換氣系統、燈光系統和通風降溫系統工作。加熱系統采用鍋爐，利用暖風機啟動來加溫，換氣系統采用換氣扇，通風降溫系統為電機及水簾，燈光系統為可控的燈泡設備，驅動裝置可遠程控制，以提高工作效率。

4）GRM200G PLC無線通訊模塊。采用廣州市巨控電子科技有限公司開發的GRM200G智能GPRS無線通訊模塊，這是一款用于工控領域PLC遠程監控的測控終端。它使用GPRS（控制器需插入手機SIM卡）作為無線通訊手段，同時GRM200G自帶數字輸入/輸出，模擬量可以實現無線傳感器無線測控的功能。該模塊自帶4路模擬量輸入，4路數字量輸入/輸出，可作為PLC擴展模塊使用，利用巨控科技智能數據壓縮先進算法，可充分利用GPRS帶寬，提高數據傳輸率，并可降低50%以上的流量費用。將GRM200G和PLC通過485總線互聯，即可通過電腦/手機遠程監控PLC。GRM200G支持的通訊協議包括西門子通用PPI、MODBUS協議。

5）上位機組態監控系統。可通過上位機輸入需要控制的環境參數設定值，以及顯示報警信息。組態監控系統對現場實時采集的環境參數進行數據存儲以及分析處理，不僅可以完成相關的統計做出相應的統計報表，并可以進行趨勢分析，且以圖表等方式直觀地顯示給用戶，并根據雞養殖的不同階段需求提供各種聲光報警信息。當環境參數超過或低于設定值時，自動開啟或關閉指定設備[3]。

1.2 系統硬件電路設計

1）接口電路的擴展模塊。雞舍環境由光照、溫濕度、有害氣體（二氧化碳、氨氣、硫化氫氣體）濃度等因素構成，主要控制溫室內的溫度、濕度、通風與光照。因此需要將這些量通過傳感器來檢測，以決定控制系統的工作方式以及各電機的動作。雞舍空間較大，因此采用多個傳感器檢測空間環境值，其與PLC模擬量擴展模塊SM331的接口電路如圖2所示。

2）GRM200G通信板電路的接線。考慮到需要采集多路的模擬量數據，因此可以利用GRM200G自帶4路模擬量接口電路，看成是PLC的I/O擴展。傳感器與GRM200G模塊的接口電路如圖3所示。GRM200G模塊與PLC之間通過RS485口進行通信，通道以事先約定的協議進行通信，采用西門子S7-200modbus協議[4]。

2 系統軟件設計

系統軟件包括配置GRM通信終端、PLC系統和監控系統，終端PLC系統主要完成對各個子模塊的控制，能夠實現環境數據采集、數據預處理并集成有控制算法，通過上位機對相關參數進行設定，達到對環境參數的精確控制，同時能夠通訊和監控執行機構等。上位機監控軟件界面采用巨控組態軟件設計，具有良好的人機界面，容易地結合標準和用戶程序生成人機界面，準確地滿足雞舍環境參數監測要求。

2.1 GRM200G軟件設置

在電腦中安裝GRM200G開發系統，使用USB下載線連接GRM200 USB口，安裝好驅動后就可以開始配置工程。GRM200G開發系統配置界面見圖4。

2.2 PLC軟件部分

該部分主程序主要完成系統的初始化、通信初始化、數據比較、算法等功能。對于通信PLC僅需要簡單的組態，無需編程，非常方便。由于溫濕度具有較高的耦合性，本系統以溫度為優先量考慮[5]，其主程序流程如圖5所示。

2.3 組態監控畫面

上位機電腦安裝有巨控組態軟件，作為監控主站，GRM200G通過GPRS網絡將數據無線發布到巨控云監控服務器，上位機電腦連接因特網，并安裝巨控組態giantview軟件，該軟件會自動通過opc協議從巨控云監控服務器獲取數據。組態軟件將變量定義完成后開發監控程序，其主要由實時監測畫面、環境參數設置畫面及故障報警畫面等組成，用戶界面友好，操作簡單。上位機監控系統可以實時檢測雞舍內各種環境參數的瞬時值和動態，顯示它們的變化趨勢，每隔一定時間間隔對采集值進行存儲以提供數據報表，將其保留在歷史數據庫中供管理人員日后檢查。同時還可以通過手機短信報警，實現無人值守。其監控界面如圖6所示。

3 系統運行

本系統在包頭市某養殖廠一間雞舍內進行測試試驗，雞舍長度約50 m，兩排雞籠，每排3層，共有蛋雞1 000多只，根據實際需求布設了3個節點4種傳感器，監控中心設置在距離該雞舍30 m的飼養員休息室內，計算機安裝了上位機監控軟件，雞舍內控制系統及傳感器節點加電后開始工作，上位機軟件運行后開始接受數據。經過反復調試、修正、測試，最終系統運行穩定，節點布置靈活、功耗低、測得數據精確可靠，實現了基于GPRS技術的雞舍環境無線監測。對試驗測得數據進行分析，以其中24 h測量溫度和濕度的數據為例進行研究，數據曲線圖如圖7所示。從圖7可以看出，在系統自動控制情況下，室內溫度變化相對平穩，溫度變化集中在設定值周圍，濕度變化最大值為67.5%、最小值為59%，且濕度偏離預定值最大為7.5%，最大相對誤差為12.5%，其上下限都在設定的濕度范圍內。

4 小結

本設計采用PLC和組態技術實現了一個具有較高精度、能夠與上位機GPRS通信的雞舍環境參數檢測與控制。與其他雞舍參數檢測和控制系統不同之處在于設計中注重了環境參數監控系統工作的穩定性，采用無線通信實現遠程化集中控制，并可以利用手機進行監控，降低了使用者的勞動強度，且使用方便。組態監控軟件界面友好、易于操作，數據顯示采用表格或圖形的方式使用戶查看數據更直觀，同時PLC模塊可以根據監測點的需要再擴展，整個系統性價比高，穩定性好，在養雞場中使用實際效果好。

參考文獻：

[1] 彭占武，王 雪，袁洪印.基于ZigBee的雞舍環境無線監測系統設計與實現[J].中國農機化學報，2015，36（2）：238-241.

[2] 汪衛樂，高軍禮，朱慧華，等.家禽養殖監控系統的設計[J].廣東工業大學學報，2015，32（1）：66-70.

[3] 陳 官，趙晨晨，謝翠芳，等.群落式杏鮑菇生長環境遠程監控系統設計[J].農機化研究，2015（2）：112-116.

[4] 于 鎵，劉中一，單慧勇.巨控GRM200G模塊在水產養殖遠程監控系統中的應用[J].科技創新，2014（30）：27.

[5] 劉艷昌，左現剛，李國厚.基于可編程邏輯控制器（PLC）的豬舍環境參數監控系統[J].江蘇農業科學，2015，43（2）：377-380.