基于PLC與ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 路，何新霞，孔祥飛，李 旋

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

基于PLC與ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 路，何新霞，孔祥飛，李 旋

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位具有分布范圍廣、點(diǎn)位多等特點(diǎn)，建立一套基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)環(huán)境要素的在線監(jiān)控，對(duì)及時(shí)掌握環(huán)境狀況及有效控制環(huán)境污染的擴(kuò)散有著直接而重要的作用;以CC2530芯片為核心構(gòu)建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并通過主控制器PLC將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理;利用主協(xié)調(diào)器及PLC將接收的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，由監(jiān)控平臺(tái)，結(jié)合紅外收發(fā)器完成對(duì)外部設(shè)備的遠(yuǎn)程控制;上位機(jī)采用Wincc組態(tài)軟件，結(jié)合西門子精智面板提供優(yōu)異的人機(jī)交互界面體驗(yàn);通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大范圍的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集和傳輸以及遠(yuǎn)距離監(jiān)控功能，且具有安裝方便、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于需進(jìn)行統(tǒng)一管理的智能樓宇建筑。

PLC；ZigBee；CC2530；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

隨著生活水平不斷提高和環(huán)境污染日益嚴(yán)重這一矛盾的突出，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境提出了更高的要求。目前，市場(chǎng)上各類針對(duì)環(huán)境問題的智能單品層出不窮，然而此類單品彼此間互不關(guān)聯(lián)，獨(dú)立運(yùn)行，部分單品功能重復(fù)造成資源浪費(fèi)。鑒于此，本文提出了一種分布式采集與執(zhí)行、集中式管理的樓宇環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，旨在將各類數(shù)字化產(chǎn)品“孤島”[1]集于一體，統(tǒng)一管理，形成聯(lián)動(dòng)，避免資源浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能效果。

本文的主要工作包括底層硬件設(shè)計(jì)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，上位機(jī)監(jiān)測(cè)和控制界面的設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)器與PLC之間的通信，系統(tǒng)對(duì)各設(shè)備的自動(dòng)控制，以及GSM遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)成及原理

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及感知層[2]。本文中，應(yīng)用層主要是HMI人機(jī)交互界面，網(wǎng)絡(luò)層主要是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，感知層主要包括環(huán)境參數(shù)傳感器和相應(yīng)的設(shè)備控制器，PLC作為系統(tǒng)的中樞，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制。

通信功能基于ZigBee通信協(xié)議[3-4]實(shí)現(xiàn)，采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配置少數(shù)協(xié)調(diào)器和多個(gè)路由器及終端，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)匯總分布于不同空間位置的路由器和終端信息，同時(shí)，分布于各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由器互為中繼器，從而實(shí)現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)器通過西門子CP340串口通信模塊與PLC進(jìn)行通信，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC進(jìn)行分析處理[5]。

匯總后的信息由PLC進(jìn)行綜合判斷和處理，通過CP340或西門子I/O口發(fā)出使能信號(hào)。其中，CP340發(fā)出的串口信息，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至相應(yīng)路由器，進(jìn)而控制紅外線、繼電器或無線電等設(shè)備輸出控制信號(hào)，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制；而I/O口發(fā)出的控制信號(hào)主要負(fù)責(zé)主機(jī)附近的設(shè)備，基于此設(shè)計(jì)思路，在控制環(huán)節(jié)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(yuǎn)程控制、小范圍靈活控制的特點(diǎn)。

上位機(jī)以MPI通訊方式完成與下位機(jī)PLC的通訊連接，一方面，PLC可將處理后的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)顯示在精智面板上，由精智面板提供良好的人機(jī)交互體驗(yàn)。另一方面，PLC也可將上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行處理，按照用戶需求完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各設(shè)備的自動(dòng)控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

ZigBee模塊主要分為中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)兩大類[6]，中心節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)作為路由器主動(dòng)掃描網(wǎng)絡(luò)并申請(qǐng)加入，兩者建立無線鏈路后即可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。

傳感器采集的信息暫存于CC2530，通過自定義的環(huán)境參數(shù)請(qǐng)求協(xié)議實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集和處理，即僅在主機(jī)主動(dòng)請(qǐng)求環(huán)境參數(shù)時(shí)路由器才將信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)才被占用，無環(huán)境參數(shù)請(qǐng)求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)無數(shù)據(jù)傳輸，這樣可大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)占用率，同時(shí)達(dá)到節(jié)能效果。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上的傳感器和控制器千差萬別，為實(shí)現(xiàn)模塊化功能，即各個(gè)傳感器和控制器具備獨(dú)立掛載于任何路由器下的特性，方便維護(hù)和管理，需將各類傳感器和控制器的收發(fā)信息格式進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，集成了51單片機(jī)內(nèi)核。同時(shí)CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適用于超低功耗要求的系統(tǒng)[7]。

結(jié)合CC2530芯片的特點(diǎn)，本文信息類型主要有3種：串口信息、模擬量、開關(guān)量。對(duì)于串口信息，統(tǒng)一設(shè)置波特率為9600；對(duì)于模擬量量程，統(tǒng)一設(shè)置為0～3.3 V；對(duì)于開關(guān)量，統(tǒng)一設(shè)置為0和3.3 V電平。通過單片機(jī)和運(yùn)算放大電路，實(shí)現(xiàn)信息格式的轉(zhuǎn)換。

溫度和濕度傳感器選擇型號(hào)為DHT11，該傳感器采用單總線數(shù)字通信方式，選用STC 11F02E單片機(jī)的IO口模擬單串口，與DHT11進(jìn)行單總線通信，再將該信息經(jīng)過處理，使用波特率為9600的串口通信方式發(fā)送給ZigBee路由器，信號(hào)傳遞流程圖如圖2所示。

圖2 溫濕度信號(hào)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(duì)甲烷傳感器和一氧化碳傳感器輸出的模擬量經(jīng)過電壓跟隨器、0～3.3 V調(diào)理電路、0～3.3 V限幅保護(hù)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(zhuǎn)換的值暫存于CC2530中。

圖3 信號(hào)調(diào)理和保護(hù)電路

定義輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo，根據(jù)原理圖可得到二者關(guān)系：

根據(jù)以上表達(dá)式可知，通過合理設(shè)計(jì)R11和R12可以將傳感器輸出調(diào)理至CC2530允許的輸入范圍，同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)參數(shù)如下：

R11=R12=10 kΩ

此時(shí)，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(hào)，其中包含PM2.5的測(cè)量值信息，但CC2530芯片的串口通信波特率統(tǒng)一設(shè)置為9600，故使用兩個(gè)STC11F02E單片機(jī)設(shè)計(jì)波特率轉(zhuǎn)換器，原理圖如圖4所示，將單片機(jī)1串口通信波特率設(shè)置為2400，用于接收PM2.5傳感器發(fā)出的串口信號(hào)；將單片機(jī)2的串口通信波特率設(shè)置為9600，用于和CC2530進(jìn)行通信，并將PM2.5的測(cè)量值暫存于CC2530模塊中。而單片機(jī)1和單片機(jī)2之間通過9個(gè)IO口進(jìn)行通信，理論精度可達(dá)到29，即512，滿足通常情況下PM2.5的測(cè)量精度要求。

圖4 PM2.5信號(hào)波特率轉(zhuǎn)換器

此外，配備了紅外控制器，負(fù)責(zé)模擬設(shè)備的紅外線遙控功能，紅外線收發(fā)器通過單片機(jī)進(jìn)行控制，而單片機(jī)接收來自ZigBee的串口信息，并在單片機(jī)內(nèi)對(duì)該串口信息進(jìn)行判斷，控制紅外線的收發(fā)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基于PLC進(jìn)行控制、Zigbee進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，PLC與CC2530之間通過CP340模塊通過主從模式進(jìn)行串口通信。

設(shè)計(jì)適用于本系統(tǒng)的主從通信協(xié)議，在CC2530中預(yù)先定義串口命令，再通過PLC經(jīng)由CP340發(fā)出預(yù)先定義的命令，CC2530進(jìn)行識(shí)別后，再將已儲(chǔ)存的環(huán)境參數(shù)經(jīng)過CP340上傳給PLC。

CC2530可設(shè)置三種工作方式：協(xié)調(diào)器模式、路由器模式和終端模式。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立和配置網(wǎng)絡(luò)，是Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備；路由器主要作用是加入?yún)f(xié)調(diào)器所建立的網(wǎng)絡(luò)，并輔助終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；終端不負(fù)責(zé)維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，終端與路由器扮演的角色沒有很大區(qū)別，但終端可以睡眠并隨時(shí)等待被喚醒，可有效節(jié)能。本文通過設(shè)計(jì)主從通信方式，即由PLC控制CP340發(fā)出串口信息，主動(dòng)通過ZigBee協(xié)議經(jīng)由協(xié)調(diào)器向各個(gè)路由器或終端發(fā)出環(huán)境信息請(qǐng)求指令，當(dāng)路由器或終端接到信息請(qǐng)求指令后，判斷對(duì)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(yīng)路由器或終端會(huì)將信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過西門子CP340模塊將參數(shù)傳輸至PLC進(jìn)行處理，達(dá)到了節(jié)能的效果，尤其在大范圍監(jiān)控的應(yīng)用中，工作于終端模式的CC2530甚至可以用普通電池進(jìn)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(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置合理設(shè)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(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家電行業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域[8]。收集大量的設(shè)備遙控器代碼，內(nèi)置于PLC的數(shù)據(jù)塊中，用戶可根據(jù)個(gè)人使用的品牌，在上位機(jī)上進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)等設(shè)備的自動(dòng)控制。但是由于實(shí)際中各類設(shè)備品牌繁雜，且每個(gè)品牌的遙控器代碼均不同，不易收集完整，并且設(shè)備更新速度較快，僅僅通過內(nèi)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(xué)習(xí)功能，作為功能補(bǔ)充，彌補(bǔ)個(gè)別設(shè)備因無遙控代碼數(shù)據(jù)庫而無法控制的缺點(diǎn)。經(jīng)過大量的調(diào)查得出，目前遙控器基本采用NEC編碼實(shí)現(xiàn)，鑒于此，根據(jù)NEC編碼規(guī)則，設(shè)計(jì)了遙控器學(xué)習(xí)功能，即通過上位機(jī)提供設(shè)置向?qū)В蒔LC發(fā)出紅外接收等待指令，此時(shí)將設(shè)備原裝遙控器對(duì)準(zhǔn)紅外接收裝置并按下，該按鍵的NEC編碼通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至PLC主機(jī)，并進(jìn)行儲(chǔ)存，完成學(xué)習(xí)功能。當(dāng)需要使用該按鍵功能時(shí)，再由PLC將已經(jīng)儲(chǔ)存的代碼通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給紅外發(fā)射器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制功能。基于PLC的紅外學(xué)習(xí)向?qū)Я鞒倘鐖D5所示。

圖5 遙控器學(xué)習(xí)向?qū)D

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 基于WINCC的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

SIMATIC操作面板是全集成自動(dòng)化(TIA)的一部分，廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中。由于TIA集成的獨(dú)一無二的技術(shù)，可以幫助工程設(shè)計(jì)人員大量減少組態(tài)時(shí)間[9]。SIMATICWinCC用于組態(tài)SIMATICHMI操作面板，HMI人機(jī)交互界面的主要功能是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及用戶在界面上直接操作。WinCC監(jiān)控界面如圖6所示。

以一棟六層的建筑樓為例，WinCC監(jiān)控界面主要分為主界面和子界面，主界面選擇進(jìn)入某一房間，子界面主要顯示房間內(nèi)部的具體情況。如圖6所示，為101號(hào)房間的環(huán)境監(jiān)控子界面，該界面主要包括4個(gè)部分，環(huán)境參數(shù)顯示，閾值設(shè)定，設(shè)備狀態(tài)，設(shè)備選擇，包含手動(dòng)和自動(dòng)模式，PLC將采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理分析后，將處理后的結(jié)果在該界面進(jìn)行顯示，也可手動(dòng)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，滿足特定需求。其他房間類似，但顯示的參數(shù)和控制的設(shè)備視具體情況而定。

4.2 基于GSM的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于GSM模塊實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)氣體報(bào)警功能。GSM模塊型號(hào)選擇SIM900A，該模塊能夠提供符合GSM07.05協(xié)議規(guī)范的命令接口和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)和指令符號(hào)均采用ASCII碼形式。

本環(huán)節(jié)需要實(shí)現(xiàn)PLC和GSM模塊之間的通信，將GSM的AT指令存于PLC的數(shù)據(jù)塊中，主要包括發(fā)送和接收短信的手機(jī)號(hào)碼和發(fā)送的短信內(nèi)容等信息。使用串口發(fā)送AT指令以實(shí)現(xiàn)發(fā)送報(bào)警短信功能，主要包括以下步驟：

1)設(shè)置為文本模式，指令為：

AT+CMGF=1；

2)設(shè)置文本參數(shù)，指令為：

AT+CSMP=17,167,2,25；

3)設(shè)置編碼類型為UCS2,指令為：

AT+CSCS="UCS2"；

4)設(shè)置接收短信的手機(jī)號(hào)碼，接收短信號(hào)碼通過上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，然后通過插入0的方式轉(zhuǎn)換為SIM900A可以識(shí)別的AT指令，再將轉(zhuǎn)換后的包含手機(jī)號(hào)碼的AT指令通過串口發(fā)送至SIM900A，例如系統(tǒng)將報(bào)警短信發(fā)送至13012345678，發(fā)送指令如下:AT+CMGS=

"00310038003000310032003300340035003600360038"

5)最后，將需要發(fā)送的內(nèi)容通過串口傳給SIM900A，例如本文發(fā)送“煙霧報(bào)警”四個(gè)字到接收短信的手機(jī)，需將這四個(gè)字轉(zhuǎn)換成Unicode，指令如下：

70DF96FE62A58B66。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出危險(xiǎn)氣體含量超標(biāo)時(shí)，需要發(fā)出報(bào)警短信。首先，PLC內(nèi)置以上AT指令，并將上位機(jī)設(shè)置的手機(jī)號(hào)碼加入AT指令，需要報(bào)警時(shí)，PLC通過CP340將短信報(bào)警的AT指令發(fā)送給GSM模塊，從而實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警功能。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee和PLC的建筑和樓宇室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以對(duì)室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的采集與傳輸，進(jìn)而根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)來調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)環(huán)境。目前市場(chǎng)上多數(shù)同類控制器為成套裝置，擴(kuò)展新設(shè)備比較困難，本裝置增加了學(xué)習(xí)功能，使其具有更強(qiáng)的通用性，終端模塊化可使用戶可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇。經(jīng)過測(cè)試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活，實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高，通用性好以及低功耗等特點(diǎn)，無線通信方式也可以很好地解決布線麻煩和維護(hù)困難等缺點(diǎn)，在環(huán)境檢測(cè)行業(yè)領(lǐng)域具有良好的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。

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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(dòng)方向的研究。

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

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