基于ZigBee和PLC的溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

姚 琦，賴忠喜

（臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電研究所，浙江 臺州 318000）

溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境，為植物生長創(chuàng)造更好條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種園藝溫室和農(nóng)作物溫室的數(shù)量在不斷的增加[1]，目前我國溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要基于有線方式，一般需要在土壤中鋪設(shè)大量的電纜，其存在著布線復(fù)雜，抗干擾能力差，功耗大，投資成本高和安裝維護(hù)困難等缺陷[2]，采用無線的方式進(jìn)行溫室環(huán)境參數(shù)的采集和傳輸可以解決上述問題，ZigBee技術(shù)是近幾年來發(fā)展的一種新型無線通信技術(shù)，其具有低功耗，成本低，時延短，網(wǎng)絡(luò)容量大，可靠安全等特點[3-4]，被廣泛的應(yīng)用在短距離內(nèi)的低速率無線傳輸?shù)膱龊现衃5]，因此文中將ZigBee技術(shù)引入到溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中。同時溫室內(nèi)高溫高濕的環(huán)境對監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性要求較高，常用的單片機(jī)系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性，為此本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)與PLC的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，其具有功耗低，維護(hù)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(shè)計

本系統(tǒng)整體原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點，主節(jié)點，PLC控制系統(tǒng)和上位機(jī)4個部分所構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計了4個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，分別放置在在溫室的4個角落，4個數(shù)據(jù)節(jié)點每隔一定時間分別采集溫室內(nèi)的溫度，濕度，光照度和二氧化碳濃度等環(huán)境因子，并輪流向主節(jié)點發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)信息，主節(jié)點組建了基于ZigBee技術(shù)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的管理及接受子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)等功能，主節(jié)點收到數(shù)據(jù)之后通過串口將各節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送給PLC，作為主控制器的PLC根據(jù)從主節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定好的閾值控制溫室內(nèi)的各個執(zhí)行設(shè)備，對溫室環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以滿足不同農(nóng)作物的生長要求。為了更方便的設(shè)定閾值參數(shù)和掌握溫室大棚作物的環(huán)境參數(shù)情況，選用MCGS組態(tài)軟件作為上位機(jī)組態(tài)開發(fā)平臺，對整個PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。另外利用MCGS的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，還可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the greenhouse monitoring system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的主要功能是采集溫室的環(huán)境參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點上。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其主要由數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of data acquisition node

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成對溫室現(xiàn)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(chǎn)的智能數(shù)字溫濕度傳感器SHT11，該傳感器將濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能全部集成于一芯片中，可給出全校準(zhǔn)相對濕度值輸出；并帶有兩線制的串行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，使系統(tǒng)的接口設(shè)計變得簡單快捷。CO2傳感器選用CDM4161，用于檢測溫室內(nèi)的CO2濃度，該傳感器內(nèi)部集成了TGS4161 CO2氣體傳感器和PIC16LF88單片機(jī)，體積小，壽命長，穩(wěn)定性高。該傳感器對CO2氣體濃度的側(cè)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(guān)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(dǎo)體制造商ROHM近些年推出的一種I2C串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器，其具有較廣的光照強(qiáng)度測量范圍（1～65535LUX），分辨率高，功耗較低和接線方便等優(yōu)點。數(shù)據(jù)采集模塊的電路原理圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)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(chǎn)的CC2530芯片，CC2530是一個真正用于 IEEE 802.15.4的ZigBee和FR4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案，其能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存8KB RAM和許多其他的強(qiáng)大功能。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。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(shù)據(jù)采集模塊，液晶顯示模塊和無線通信模塊提供電源?？紤]到溫室需要無人值守的情況下工作，因此本系統(tǒng)采用鋰電池作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點和主節(jié)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(xiàn)將3.7 V電壓轉(zhuǎn)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(jié)點設(shè)計

主節(jié)點主要完成多個子節(jié)點采集數(shù)據(jù)的無線收發(fā)任務(wù)，其大部分硬件電路與數(shù)據(jù)采集節(jié)點相同，主要不同在于主節(jié)點沒有數(shù)據(jù)采集模塊，而多了串口通信模塊，主節(jié)點需要通過RS232串口與PLC進(jìn)行通信，采用SP3223E電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)設(shè)計

溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)把從主節(jié)點傳輸?shù)乃姆N環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳給系統(tǒng)的主控制器PLC后，PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)和上位機(jī)所設(shè)置的環(huán)境參數(shù)對相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)控制。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求分析PLC的輸入和輸出點，本系統(tǒng)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(nèi)外遮陽網(wǎng)、天窗、側(cè)窗、濕簾外窗的限位開關(guān)及內(nèi)外遮陽網(wǎng)、天窗、側(cè)窗、濕簾外窗、環(huán)流風(fēng)機(jī)、濕簾風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器、加熱水泵、熱風(fēng)爐風(fēng)機(jī)的手動開關(guān)共28個輸入點。輸出點有：內(nèi)外遮陽網(wǎng)、天窗、側(cè)窗、濕簾外窗、環(huán)流風(fēng)機(jī)、濕簾風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器、加熱水泵、報警燈、熱風(fēng)爐風(fēng)機(jī)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(kuò)展模塊一個，型號為EM221。CPU226具有24個數(shù)字量輸入點和16個數(shù)字輸出點，加上EM221的 8個輸入點，能滿足系統(tǒng)的需求。將開關(guān)按鈕和限位開關(guān)接入到輸入端，完成手動控制功能，輸出端連接繼電器系統(tǒng)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括ZigBee節(jié)點程序編寫，PLC控制程序設(shè)計和上位機(jī)界面的設(shè)計。

3.1 ZigBee節(jié)點程序設(shè)計

ZigBee無線節(jié)點的應(yīng)用程序是在IAR的集成開發(fā)環(huán)境下，在ZigBee2007/PRO協(xié)議棧ZStack-2.0.0-1.2.0基礎(chǔ)上開發(fā)的，節(jié)點的軟件設(shè)計分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計和主節(jié)點程序的設(shè)計。主節(jié)點主要負(fù)責(zé)組建星形網(wǎng)絡(luò)及接收處理各節(jié)點傳遞過來的信息。當(dāng)主節(jié)點接通電源復(fù)位后，首先進(jìn)行初始化，并建立一個具有唯一ID標(biāo)識的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，之后進(jìn)行無線監(jiān)控，若接收到的信息為其它節(jié)點的入網(wǎng)請求信號，則將給節(jié)點分配16位的短地址標(biāo)識符并更新網(wǎng)絡(luò)列表，而若接受到的信息為節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)信息，則將各節(jié)點上傳的溫室環(huán)境參數(shù)傳送給PLC，交由PLC處理。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集節(jié)點則負(fù)責(zé)溫室環(huán)境參數(shù)的檢測，并將檢測到數(shù)據(jù)上傳個主節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點上電初始化后，首先掃描可用網(wǎng)絡(luò)，并申請加入，當(dāng)如網(wǎng)成功后，為了節(jié)能降低功耗，本方案中采用休眠-喚醒的工作機(jī)制，只有在定時時間5 min到時，各傳感器才采集一次數(shù)據(jù)并上傳到主節(jié)點，其余時間里節(jié)點進(jìn)入休眠模式，主節(jié)點和數(shù)據(jù)采集節(jié)點的程序流程如圖6所示。

圖6 ZigBee節(jié)點程序流程圖Fig.6 Program flow chart of the ZigBee node

3.2 PLC控制程序設(shè)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(xiàn)對各執(zhí)行設(shè)備的控制，而在自動操作模式下，PLC會根據(jù)主節(jié)點傳送來的環(huán)境參數(shù)（溫度，濕度，CO2濃度和光照強(qiáng)度）以及上位機(jī)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗所設(shè)置各參數(shù)的上下限值來控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出狀態(tài)。

3.3 上位機(jī)界面設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)控中心的系統(tǒng)軟件采用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，圖7為開發(fā)的MCGS監(jiān)控操作界面。該界面主要由環(huán)境參數(shù)顯示模塊，PLC執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)顯示模塊，參數(shù)設(shè)置模塊，手動控制模塊和數(shù)據(jù)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(nèi)的環(huán)境參數(shù)和各PLC執(zhí)行設(shè)備的運行情況，也可以通過參數(shù)設(shè)置模塊方便設(shè)置溫室環(huán)境的上下限值，同時還可以手動的控制溫室的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外通過該監(jiān)控界面還可以查看實時環(huán)境參數(shù)曲線和對溫室的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，能方便的實現(xiàn)對溫室環(huán)境的監(jiān)控管理。

4 結(jié) 論

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

文中設(shè)計了一種以ZigBee技術(shù)和PLC為核心的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對溫室環(huán)境中的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等各項參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測、采集。并可以根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)來調(diào)節(jié)和控制溫室環(huán)境，以滿足不同植物的生長需求。經(jīng)測試運行表明該系統(tǒng)具有可靠性高，組網(wǎng)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(hù)困難等問題，在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著良好的市場前景和推廣應(yīng)用價值。

[1]陳方元，賴忠喜，陳文波，等.一種簡易溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子設(shè)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.

[2]黃智勇，王啟志，嚴(yán)麗.基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（13）:84-86.HUANG Zhi-yong，WANG Qi-zhi，YAN Li.Design of greenhouse environment monitoring system[J].Microcomputer&Its Applications，2014，33（13）:84-86.

[3]莊立運，魯慶，王曉暉.基于CC2530的大棚溫濕度無線采集節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，53（3）:582-585.ZHUANG Li-yun，LU Qing，WANG Xiao-hui.Design of temperature and humidity wireless data collection node in agricultural greenhouse based on CC2530[J].Hubei Agricultural Sciences，2014，53（3）:582-585.

[4]駱科學(xué).基于Zigbee協(xié)議的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].長春:吉林大學(xué)，2012.

[5]劉科峰，鄧秀勤，劉志煌.基于ZigBee的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（14）:81-84.LIU Ke-feng，DENG Xiu-qin，LIU Zhi-huang.Multi-point temperature monitoring system based on ZigBee[J].Modern Electronics Technique，2014，37（14）:81-84.

[6]陶平.基于ZigBee的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].成都:西華大學(xué)，2012.