基于PLC與ZigBee的室內環境監控系統設計

李 路，何新霞，孔祥飛，李 旋

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

基于PLC與ZigBee的室內環境監控系統設計

李 路，何新霞，孔祥飛，李 旋

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

環境監測點位具有分布范圍廣、點位多等特點，建立一套基于無線傳感網絡的環境實時監控系統，實現對區域內環境要素的在線監控，對及時掌握環境狀況及有效控制環境污染的擴散有著直接而重要的作用;以CC2530芯片為核心構建ZigBee無線傳感網絡，并通過主控制器PLC將采集的數據進行分析與處理;利用主協調器及PLC將接收的監測數據傳至上位機進行實時顯示，由監控平臺，結合紅外收發器完成對外部設備的遠程控制;上位機采用Wincc組態軟件，結合西門子精智面板提供優異的人機交互界面體驗;通過實驗測試表明，該系統可實現大范圍的室內環境參數的采集和傳輸以及遠距離監控功能，且具有安裝方便、擴展性強等特點，適用于需進行統一管理的智能樓宇建筑。

PLC；ZigBee；CC2530；物聯網

0 引言

隨著生活水平不斷提高和環境污染日益嚴重這一矛盾的突出，人們對室內環境提出了更高的要求。目前，市場上各類針對環境問題的智能單品層出不窮，然而此類單品彼此間互不關聯，獨立運行，部分單品功能重復造成資源浪費。鑒于此，本文提出了一種分布式采集與執行、集中式管理的樓宇環境實時監控系統設計方案，旨在將各類數字化產品“孤島”[1]集于一體，統一管理，形成聯動，避免資源浪費，達到節能效果。

本文的主要工作包括底層硬件設計，ZigBee網絡的建立，上位機監測和控制界面的設計，協調器與PLC之間的通信，系統對各設備的自動控制，以及GSM遠程監控系統。

1 環境監控系統總體構成及原理

在物聯網領域，系統結構主要分為應用層、網絡層以及感知層[2]。本文中，應用層主要是HMI人機交互界面，網絡層主要是ZigBee無線傳感網絡，感知層主要包括環境參數傳感器和相應的設備控制器，PLC作為系統的中樞，實現對整個系統的監測與控制。

通信功能基于ZigBee通信協議[3-4]實現，采用分布式網絡結構，配置少數協調器和多個路由器及終端，協調器負責匯總分布于不同空間位置的路由器和終端信息，同時，分布于各個節點的路由器互為中繼器，從而實現大范圍的數據傳輸。協調器通過西門子CP340串口通信模塊與PLC進行通信，將無線傳感器網絡的數據傳輸到PLC進行分析處理[5]。

匯總后的信息由PLC進行綜合判斷和處理，通過CP340或西門子I/O口發出使能信號。其中，CP340發出的串口信息，通過ZigBee無線網絡發送至相應路由器，進而控制紅外線、繼電器或無線電等設備輸出控制信號，遠程實現對室內設備的聯動控制；而I/O口發出的控制信號主要負責主機附近的設備，基于此設計思路，在控制環節形成了以串口信息控制為主，I/O控制為輔的一種方案，具備大范圍遠程控制、小范圍靈活控制的特點。

上位機以MPI通訊方式完成與下位機PLC的通訊連接，一方面，PLC可將處理后的數據信息實時顯示在精智面板上，由精智面板提供良好的人機交互體驗。另一方面，PLC也可將上位機發出的控制信號進行處理，按照用戶需求完成對網絡中的各設備的自動控制。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體網絡結構圖

ZigBee模塊主要分為中心節點和終端節點兩大類[6]，中心節點作為協調器負責建立ZigBee無線網絡，終端節點作為路由器主動掃描網絡并申請加入，兩者建立無線鏈路后即可進行點對點的數據通信。

傳感器采集的信息暫存于CC2530，通過自定義的環境參數請求協議實現環境參數的采集和處理，即僅在主機主動請求環境參數時路由器才將信息發送給協調器，網絡才被占用，無環境參數請求時，網絡無數據傳輸，這樣可大大節省網絡占用率，同時達到節能效果。

2 硬件系統設計

市場上的傳感器和控制器千差萬別，為實現模塊化功能，即各個傳感器和控制器具備獨立掛載于任何路由器下的特性，方便維護和管理，需將各類傳感器和控制器的收發信息格式進行統一轉換。

選用TI公司生產的CC2530芯片實現ZigBee網絡通信，CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，集成了51單片機內核。同時CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適用于超低功耗要求的系統[7]。

結合CC2530芯片的特點，本文信息類型主要有3種：串口信息、模擬量、開關量。對于串口信息，統一設置波特率為9600；對于模擬量量程，統一設置為0～3.3 V；對于開關量，統一設置為0和3.3 V電平。通過單片機和運算放大電路，實現信息格式的轉換。

溫度和濕度傳感器選擇型號為DHT11，該傳感器采用單總線數字通信方式，選用STC 11F02E單片機的IO口模擬單串口，與DHT11進行單總線通信，再將該信息經過處理，使用波特率為9600的串口通信方式發送給ZigBee路由器，信號傳遞流程圖如圖2所示。

圖2 溫濕度信號傳遞流程圖

通常甲烷傳感器和一氧化碳傳感器的輸出類型為電壓型模擬量，由于ZigBee的硬件模塊CC2530具有0～3.3 V的AD采樣功能，所以對甲烷傳感器和一氧化碳傳感器輸出的模擬量經過電壓跟隨器、0～3.3 V調理電路、0～3.3 V限幅保護電路處理后輸入至CC2530的AD引腳，電路原理圖如圖3所示，再將AD轉換的值暫存于CC2530中。

圖3 信號調理和保護電路

定義輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo，根據原理圖可得到二者關系：

根據以上表達式可知，通過合理設計R11和R12可以將傳感器輸出調理至CC2530允許的輸入范圍，同時，設計時應使電流盡量小，以減小電阻上的能量損耗。本文選用的傳感器輸出為0～4 V，故設計參數如下：

R11=R12=10 kΩ

此時，輸出范圍為1.2～3.2V，滿足CC2530的AD輸入范圍。

PM2.5傳感器選用夏普公司的一款傳感器，該傳感器輸出是波特率為2400的串口信號，其中包含PM2.5的測量值信息，但CC2530芯片的串口通信波特率統一設置為9600，故使用兩個STC11F02E單片機設計波特率轉換器，原理圖如圖4所示，將單片機1串口通信波特率設置為2400，用于接收PM2.5傳感器發出的串口信號；將單片機2的串口通信波特率設置為9600，用于和CC2530進行通信，并將PM2.5的測量值暫存于CC2530模塊中。而單片機1和單片機2之間通過9個IO口進行通信，理論精度可達到29，即512，滿足通常情況下PM2.5的測量精度要求。

圖4 PM2.5信號波特率轉換器

此外，配備了紅外控制器，負責模擬設備的紅外線遙控功能，紅外線收發器通過單片機進行控制，而單片機接收來自ZigBee的串口信息，并在單片機內對該串口信息進行判斷，控制紅外線的收發。

3 軟件系統設計

本文設計的系統基于PLC進行控制、Zigbee進行無線網絡傳輸，PLC與CC2530之間通過CP340模塊通過主從模式進行串口通信。

設計適用于本系統的主從通信協議，在CC2530中預先定義串口命令，再通過PLC經由CP340發出預先定義的命令，CC2530進行識別后，再將已儲存的環境參數經過CP340上傳給PLC。

CC2530可設置三種工作方式：協調器模式、路由器模式和終端模式。協調器主要負責建立和配置網絡，是Zigbee網絡中的第一個設備；路由器主要作用是加入協調器所建立的網絡，并輔助終端進行數據通信；終端不負責維護整個網絡，對于本文設計的系統，終端與路由器扮演的角色沒有很大區別，但終端可以睡眠并隨時等待被喚醒，可有效節能。本文通過設計主從通信方式，即由PLC控制CP340發出串口信息，主動通過ZigBee協議經由協調器向各個路由器或終端發出環境信息請求指令，當路由器或終端接到信息請求指令后，判斷對象是否為本路由器或終端下掛載的傳感器或控制器，若是，則相應路由器或終端會將信息發送至協調器，協調器再通過西門子CP340模塊將參數傳輸至PLC進行處理，達到了節能的效果，尤其在大范圍監控的應用中，工作于終端模式的CC2530甚至可以用普通電池進行供電。但作為中繼器的CC2530需工作在路由器模式下，通過合理布局，在關鍵節點位置合理設置中繼器，使其工作于路由器模式即可。

紅外控制作為一種無線、非接觸控制技術，廣泛應用于工業控制、家電行業等各個領域[8]。收集大量的設備遙控器代碼，內置于PLC的數據塊中，用戶可根據個人使用的品牌，在上位機上進行選擇，從而實現對空調等設備的自動控制。但是由于實際中各類設備品牌繁雜，且每個品牌的遙控器代碼均不同，不易收集完整，并且設備更新速度較快，僅僅通過內置代碼可能無法滿足要求，為解決此問題，提出了一種基于PLC的遙控代碼學習功能，作為功能補充，彌補個別設備因無遙控代碼數據庫而無法控制的缺點。經過大量的調查得出，目前遙控器基本采用NEC編碼實現，鑒于此，根據NEC編碼規則，設計了遙控器學習功能，即通過上位機提供設置向導，由PLC發出紅外接收等待指令，此時將設備原裝遙控器對準紅外接收裝置并按下，該按鍵的NEC編碼通過ZigBee網絡上傳至PLC主機，并進行儲存，完成學習功能。當需要使用該按鍵功能時，再由PLC將已經儲存的代碼通過ZigBee網絡傳給紅外發射器，進而實現控制功能。基于PLC的紅外學習向導流程如圖5所示。

圖5 遙控器學習向導圖

4 監控系統設計

4.1 基于WINCC的監控系統的設計

SIMATIC操作面板是全集成自動化(TIA)的一部分，廣泛地應用于自動化系統中。由于TIA集成的獨一無二的技術，可以幫助工程設計人員大量減少組態時間[9]。SIMATICWinCC用于組態SIMATICHMI操作面板，HMI人機交互界面的主要功能是對整個系統的當前狀態進行實時監測以及用戶在界面上直接操作。WinCC監控界面如圖6所示。

以一棟六層的建筑樓為例，WinCC監控界面主要分為主界面和子界面，主界面選擇進入某一房間，子界面主要顯示房間內部的具體情況。如圖6所示，為101號房間的環境監控子界面，該界面主要包括4個部分，環境參數顯示，閾值設定，設備狀態，設備選擇，包含手動和自動模式，PLC將采集的數據信號進行處理分析后，將處理后的結果在該界面進行顯示，也可手動控制各執行機構動作，滿足特定需求。其他房間類似，但顯示的參數和控制的設備視具體情況而定。

4.2 基于GSM的遠程監控系統設計

基于GSM模塊實現危險氣體報警功能。GSM模塊型號選擇SIM900A，該模塊能夠提供符合GSM07.05協議規范的命令接口和標準AT指令集，具備RS-232通信方式[10]，PLC與GSM模塊之間通信的傳輸數據和指令符號均采用ASCII碼形式。

本環節需要實現PLC和GSM模塊之間的通信，將GSM的AT指令存于PLC的數據塊中，主要包括發送和接收短信的手機號碼和發送的短信內容等信息。使用串口發送AT指令以實現發送報警短信功能，主要包括以下步驟：

1)設置為文本模式，指令為：

AT+CMGF=1；

2)設置文本參數，指令為：

AT+CSMP=17,167,2,25；

3)設置編碼類型為UCS2,指令為：

AT+CSCS="UCS2"；

4)設置接收短信的手機號碼，接收短信號碼通過上位機進行設置，然后通過插入0的方式轉換為SIM900A可以識別的AT指令，再將轉換后的包含手機號碼的AT指令通過串口發送至SIM900A，例如系統將報警短信發送至13012345678，發送指令如下:AT+CMGS=

"00310038003000310032003300340035003600360038"

5)最后，將需要發送的內容通過串口傳給SIM900A，例如本文發送“煙霧報警”四個字到接收短信的手機，需將這四個字轉換成Unicode，指令如下：

70DF96FE62A58B66。

當系統監測出危險氣體含量超標時，需要發出報警短信。首先，PLC內置以上AT指令，并將上位機設置的手機號碼加入AT指令，需要報警時，PLC通過CP340將短信報警的AT指令發送給GSM模塊，從而實現短信報警功能。

5 總結

本文設計了基于ZigBee和PLC的建筑和樓宇室內環境實時監測與控制系統，系統可以對室內各環境參數進行準確的采集與傳輸，進而根據預設的參數來調節和控制室內環境。目前市場上多數同類控制器為成套裝置，擴展新設備比較困難，本裝置增加了學習功能，使其具有更強的通用性，終端模塊化可使用戶可根據實際需求靈活選擇。經過測試運行表明，該系統具有組網靈活，實用性強，可靠性高，通用性好以及低功耗等特點，無線通信方式也可以很好地解決布線麻煩和維護困難等缺點，在環境檢測行業領域具有良好的市場前景和應用價值。

[1] 趙玉民. 數字家庭的應用業務及其系統設計研究[J]. 電視技術,2013,S1:21-30.

[2] 陳立偉，楊建華,曹曉歡, 等. 物聯網架構下的室內環境監控系統[J]. 電子科技大學學報,2012(2):265-268.

[3] 何雪勤. ZigBee技術在智能家居系統中的應用研究[D].成都：電子科技大學,2015.

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[8] 李瑾瑞. 學習型紅外控制器的設計與實現[D].成都：電子科技大學,2014.

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Design of Indoor Environmental Monitoring and Controlling System Based on PLC and ZigBee

Li Lu, He Xinxia, Kong Xiangfei, Li Xuan

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Environmental monitoring sites have the characteristics of wide distribution and multi-points, it has an important role in timely grasping the environmental situation and effectively controlling the spread of environmental pollution by establishing a real-time monitoring and controlling system based on Wireless Sensor Network, and realizing online monitoring of environmental factors within certain regions. The collection and transmission of the parameters of indoor environment in a large range are realized through building a wireless sensor network based on ZigBee communication protocol using CC2530 chip, the collected data are analyzed and processed by the main controller PLC. Monitoring data received are transmitted to the host computer for real-time display through the master coordinator and PLC, remote control of indoor equipment is realized by the monitoring platform, combined with infrared transceiver. WinCC configuration software is used as the host computer, and SIEMENS smart panel is configured to provide an excellent human-computer interaction experience. The experimental results show that, the acquisition and transmission of indoor environment parameters as well as remote monitoring function in a wide area can be achieved by this system. It has the features of convenient installation and strong extensibility, which is suitable for all intelligent buildings which has a need for unified management.

PLC; ZigBee; CC2530; internet of things

2016-11-17；

2016-12-23。

李 路(1990-)，女，重慶人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動方向的研究。

1671-4598(2017)05-0112-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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