基于GPRS和PLC的雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

馮毅 吳必瑞

摘要：系統(tǒng)采用GPRS與PLCS7-200相結(jié)合，設(shè)計了一種雞舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計和組態(tài)過程。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)雞生長的環(huán)境條件， 對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時采集，控制各種控制單元輸出，從而給雞創(chuàng)造最優(yōu)的生長環(huán)境。使用組態(tài)軟件設(shè)計的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)監(jiān)控管理，保證信息在全范圍內(nèi)的暢通，以適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。

關(guān)鍵詞： PLC； GRM200G無線模塊；監(jiān)控系統(tǒng)；雞舍

中圖分類號：TP277.2：S831.4+5 文獻(xiàn)標(biāo)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(dāng)前，隨著養(yǎng)殖技術(shù)的不斷發(fā)展，家禽飼養(yǎng)方式由過去傳統(tǒng)的家庭作坊式人工飼養(yǎng)變成了管理方式集中的現(xiàn)代化大規(guī)模養(yǎng)殖。雞的飼養(yǎng)、雞的生長與雞蛋的產(chǎn)量受雞舍環(huán)境的影響，這些環(huán)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(huán)境因素將會促進(jìn)雞的生長發(fā)育，提高雞蛋的產(chǎn)量。本研究采用PLC設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)，同時結(jié)合GRM200G PLC無線通訊模塊，使系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、實時云端監(jiān)控、可靠性高等特點。特別是利用手機(jī)上網(wǎng)或短信也可以實時監(jiān)控雞舍環(huán)境，采用GRM200G PLC無線通訊模塊實時監(jiān)測雞舍的環(huán)境因素，無需搭建服務(wù)器，通過組態(tài)軟件和接入網(wǎng)絡(luò)的電腦就可以實現(xiàn)PLC 的無線監(jiān)控，真正實現(xiàn)雞舍環(huán)境的自動控制，從而提高飼料轉(zhuǎn)化率，降低飼養(yǎng)成本，提高飼養(yǎng)利潤。

1 系統(tǒng)的硬件組成及結(jié)構(gòu)原理

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

在上位機(jī)組態(tài)王畫面設(shè)置出適合雞生長的環(huán)境參數(shù)，通過通信傳遞給PLC系統(tǒng)。GRM200G無線通訊模塊將各環(huán)境參數(shù)傳感器檢測的環(huán)境參數(shù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)監(jiān)控，同時通過RS485接口向PLC輸送實時檢測到的參數(shù)信息，經(jīng)過與設(shè)定值比較，PLC輸出控制信號，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行加熱、降溫、換氣和燈光動作，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)工作后，各傳感器檢測到的信號可在環(huán)境監(jiān)控上位機(jī)組態(tài)王畫面顯示。

1.1 系統(tǒng)的硬件組成

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

2）傳感檢測部分。環(huán)境參數(shù)可根據(jù)實際需要進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)置。本系統(tǒng)主要檢測雞舍內(nèi)溫濕度、光照以及有害氣體?？諝鉁貪穸葌鞲衅鞑捎帽本┚偶兘】萍及l(fā)展有限公司生產(chǎn)的溫濕度傳感器，外殼采用壁掛安裝設(shè)計，自帶溫濕度顯示，型號是JCJ175N。此傳感器性能優(yōu)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(dǎo)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(huán)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(fā)展有限公司生產(chǎn)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(shè)計，外形美觀、結(jié)構(gòu)精致，是一款性價比較高的光照度測量產(chǎn)品。測量范圍0～1 000 lx，準(zhǔn)確度±3%FS，輸出信號為0～5 V電壓。

3）操作面板與驅(qū)動裝置。操作面板主要在雞舍內(nèi)提供本地操作，是一些手動操作按鈕及相關(guān)狀態(tài)指示燈。柜內(nèi)主要為控制繼電器，控制驅(qū)動如加熱系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)和通風(fēng)降溫系統(tǒng)工作。加熱系統(tǒng)采用鍋爐，利用暖風(fēng)機(jī)啟動來加溫，換氣系統(tǒng)采用換氣扇，通風(fēng)降溫系統(tǒng)為電機(jī)及水簾，燈光系統(tǒng)為可控的燈泡設(shè)備，驅(qū)動裝置可遠(yuǎn)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(fā)的GRM200G智能GPRS無線通訊模塊，這是一款用于工控領(lǐng)域PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控的測控終端。它使用GPRS（控制器需插入手機(jī)SIM卡）作為無線通訊手段，同時GRM200G自帶數(shù)字輸入/輸出，模擬量可以實現(xiàn)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(shù)字量輸入/輸出，可作為PLC擴(kuò)展模塊使用，利用巨控科技智能數(shù)據(jù)壓縮先進(jìn)算法，可充分利用GPRS帶寬，提高數(shù)據(jù)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(lián)，即可通過電腦/手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控PLC。GRM200G支持的通訊協(xié)議包括西門子通用PPI、MODBUS協(xié)議。

5）上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)?？赏ㄟ^上位機(jī)輸入需要控制的環(huán)境參數(shù)設(shè)定值，以及顯示報警信息。組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場實時采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲以及分析處理，不僅可以完成相關(guān)的統(tǒng)計做出相應(yīng)的統(tǒng)計報表，并可以進(jìn)行趨勢分析，且以圖表等方式直觀地顯示給用戶，并根據(jù)雞養(yǎng)殖的不同階段需求提供各種聲光報警信息。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過或低于設(shè)定值時，自動開啟或關(guān)閉指定設(shè)備[3]。

1.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1）接口電路的擴(kuò)展模塊。雞舍環(huán)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(gòu)成，主要控制溫室內(nèi)的溫度、濕度、通風(fēng)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(tǒng)的工作方式以及各電機(jī)的動作。雞舍空間較大，因此采用多個傳感器檢測空間環(huán)境值，其與PLC模擬量擴(kuò)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(shù)據(jù)，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(kuò)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(jìn)行通信，通道以事先約定的協(xié)議進(jìn)行通信，采用西門子S7-200modbus協(xié)議[4]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括配置GRM通信終端、PLC系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，終端PLC系統(tǒng)主要完成對各個子模塊的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理并集成有控制算法，通過上位機(jī)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，達(dá)到對環(huán)境參數(shù)的精確控制，同時能夠通訊和監(jiān)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。上位機(jī)監(jiān)控軟件界面采用巨控組態(tài)軟件設(shè)計，具有良好的人機(jī)界面，容易地結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和用戶程序生成人機(jī)界面，準(zhǔn)確地滿足雞舍環(huán)境參數(shù)監(jiān)測要求。

2.1 GRM200G軟件設(shè)置

在電腦中安裝GRM200G開發(fā)系統(tǒng)，使用USB下載線連接GRM200 USB口，安裝好驅(qū)動后就可以開始配置工程。GRM200G開發(fā)系統(tǒng)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(tǒng)的初始化、通信初始化、數(shù)據(jù)比較、算法等功能。對于通信PLC僅需要簡單的組態(tài)，無需編程，非常方便。由于溫濕度具有較高的耦合性，本系統(tǒng)以溫度為優(yōu)先量考慮[5]，其主程序流程如圖5所示。

2.3 組態(tài)監(jiān)控畫面

上位機(jī)電腦安裝有巨控組態(tài)軟件，作為監(jiān)控主站，GRM200G通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)無線發(fā)布到巨控云監(jiān)控服務(wù)器，上位機(jī)電腦連接因特網(wǎng)，并安裝巨控組態(tài)giantview軟件，該軟件會自動通過opc協(xié)議從巨控云監(jiān)控服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。組態(tài)軟件將變量定義完成后開發(fā)監(jiān)控程序，其主要由實時監(jiān)測畫面、環(huán)境參數(shù)設(shè)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實時檢測雞舍內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)的瞬時值和動態(tài)，顯示它們的變化趨勢，每隔一定時間間隔對采集值進(jìn)行存儲以提供數(shù)據(jù)報表，將其保留在歷史數(shù)據(jù)庫中供管理人員日后檢查。同時還可以通過手機(jī)短信報警，實現(xiàn)無人值守。其監(jiān)控界面如圖6所示。

3 系統(tǒng)運行

本系統(tǒng)在包頭市某養(yǎng)殖廠一間雞舍內(nèi)進(jìn)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(jù)實際需求布設(shè)了3個節(jié)點4種傳感器，監(jiān)控中心設(shè)置在距離該雞舍30 m的飼養(yǎng)員休息室內(nèi)，計算機(jī)安裝了上位機(jī)監(jiān)控軟件，雞舍內(nèi)控制系統(tǒng)及傳感器節(jié)點加電后開始工作，上位機(jī)軟件運行后開始接受數(shù)據(jù)。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、修正、測試，最終系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)點布置靈活、功耗低、測得數(shù)據(jù)精確可靠，實現(xiàn)了基于GPRS技術(shù)的雞舍環(huán)境無線監(jiān)測。對試驗測得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以其中24 h測量溫度和濕度的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)曲線圖如圖7所示。從圖7可以看出，在系統(tǒng)自動控制情況下，室內(nèi)溫度變化相對平穩(wěn)，溫度變化集中在設(shè)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(yù)定值最大為7.5%，最大相對誤差為12.5%，其上下限都在設(shè)定的濕度范圍內(nèi)。

4 小結(jié)

本設(shè)計采用PLC和組態(tài)技術(shù)實現(xiàn)了一個具有較高精度、能夠與上位機(jī)GPRS通信的雞舍環(huán)境參數(shù)檢測與控制。與其他雞舍參數(shù)檢測和控制系統(tǒng)不同之處在于設(shè)計中注重了環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，采用無線通信實現(xiàn)遠(yuǎn)程化集中控制，并可以利用手機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，降低了使用者的勞動強度，且使用方便。組態(tài)監(jiān)控軟件界面友好、易于操作，數(shù)據(jù)顯示采用表格或圖形的方式使用戶查看數(shù)據(jù)更直觀，同時PLC模塊可以根據(jù)監(jiān)測點的需要再擴(kuò)展，整個系統(tǒng)性價比高，穩(wěn)定性好，在養(yǎng)雞場中使用實際效果好。

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