基于PLC和GSM的家庭智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃愛(ài)誼 范苑濱 劉祝威 梁紅芳 梁碧怡 溫龍輝 廖曉楓 崔寧

摘? ?要：針對(duì)家庭生活中人們養(yǎng)護(hù)花卉植物的實(shí)際需求，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、GSM通信技術(shù)等技術(shù)手段進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉植物的全自動(dòng)澆灌管理以及手機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：PLC? GSM? 澆花? 智能? 控制系統(tǒng)

隨著人們生活質(zhì)量的提高，很多人都喜歡在家里種植一些花卉植物或蔬菜，不但可以為家庭增添生活色彩，又能凈化空氣，或者提供原生態(tài)的蔬菜，使人們更健康的生活。但是這些花卉植物的養(yǎng)護(hù)卻需要花費(fèi)很多的心思，尤其是有些對(duì)于水分要求還比較嚴(yán)格。同時(shí)，隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，因?yàn)槌霾?、旅行、工作忙碌等原因，很多人不能及時(shí)為家中的花卉植物等補(bǔ)充水分，導(dǎo)致花卉植物等因?yàn)槿彼菸?，特別是有些觀賞植物還比較名貴，價(jià)格不菲，也將給人們帶來(lái)不必要的損失。因此，人們希望能夠借助一些自動(dòng)裝置來(lái)替代人工完成澆花任務(wù)。目前市面上的澆花系統(tǒng)大多是針對(duì)大范圍花卉植物的噴淋澆水，不適用于家庭，而且這些系統(tǒng)大多是采用單片機(jī)、WiFi（Wireless-Fidelity）等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或近距離控制方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本課題擬依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用PLC（可編程序控制器，Programmable Logic Controller）和GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，Global System for Mobile Communications）等技術(shù)手段及相關(guān)平臺(tái)，研制一套既可以實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)控制，又可通過(guò)手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的自動(dòng)澆花系統(tǒng)，使得人們無(wú)論身處何地，只要有網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋的地方，就可以對(duì)家中的花卉植物進(jìn)行精心的照料。

1? 家庭智能澆花系統(tǒng)介紹

如圖1所示，家庭智能澆花系統(tǒng)主要由供電單元、儲(chǔ)水單元以及自動(dòng)澆灌單元等三部分組成。供電單元主要由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)自動(dòng)跟隨裝置以及電能轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存裝置組成，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立供電，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)節(jié)電;儲(chǔ)水單元主要包括儲(chǔ)水裝置、雨水收集裝置、電磁閥及傳感器等組成，可通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)上水儲(chǔ)水或收集雨水儲(chǔ)水兩種方式的切換，為系統(tǒng)澆灌供水，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)節(jié)水;自動(dòng)澆灌單元主要由PLC、觸摸屏、GSM通信模塊、各類傳感器、電磁閥及控制線路、水路等組成，主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。上述各單元之間采用標(biāo)準(zhǔn)電氣接口連接，同時(shí)在功能上又相對(duì)獨(dú)立。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，自動(dòng)澆灌單元是系統(tǒng)的核心必備單元，其他兩個(gè)單元可根據(jù)實(shí)際需求靈活選配。下面重點(diǎn)介紹自動(dòng)澆灌單元。

1.1 自動(dòng)澆灌單元組成原理

自動(dòng)澆灌單元主要由硬件系統(tǒng)和控制軟件組成，其中硬件部分（圖2）主要由PLC、GSM通信模塊、觸摸屏、手機(jī)、各類傳感器和電磁閥等組成，控制軟件根據(jù)用戶需求協(xié)調(diào)控制自動(dòng)澆灌過(guò)程。PLC作為硬件系統(tǒng)的控制核心，一方面負(fù)責(zé)GSM通信模塊與PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及對(duì)GSM通信模塊中的短信息進(jìn)行解釋;另一方面，根據(jù)短信息的內(nèi)容解析出的指令，輸出控制信號(hào)，控制電磁閥等執(zhí)行部件動(dòng)作，完成對(duì)花卉的自動(dòng)澆灌，同時(shí)更新數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的狀態(tài)數(shù)據(jù)以備查詢。GSM通信模塊主要負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，借助GSM通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)與自動(dòng)澆灌單元之間的通信，完成控制數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)的傳送。觸摸屏作為人機(jī)界面，可以方便用戶現(xiàn)場(chǎng)操控完成對(duì)花卉的澆灌控制，或者對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。雨水傳感器、濕度傳感器等傳感器用于感知天氣、土壤狀態(tài)并發(fā)送給PLC。

本自動(dòng)澆灌單元工作過(guò)程為：PLC通過(guò)雨水傳感器、濕度傳感器等定時(shí)獲取天氣、土壤狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再通過(guò)控制程序?qū)ν饨鐮顟B(tài)進(jìn)行綜合分析判斷，針對(duì)事先通過(guò)程序確定的不同的控制策略對(duì)花卉進(jìn)行自動(dòng)澆灌控制。

當(dāng)用戶在外想了解家中花卉植物土壤濕度及澆灌狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)手機(jī)將狀態(tài)查詢信息發(fā)送給GSM通信模塊中的SIM卡電話號(hào)碼，當(dāng)GSM通信模塊接收到該短信息時(shí)，PLC即可立刻查詢到GSM通信模塊中的新短信息，并向GSM通信模塊發(fā)送AT指令代碼讀取短信息內(nèi)容，并將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中所儲(chǔ)存的花卉植物土壤濕度及澆花狀態(tài)數(shù)據(jù)以短信息格式反饋給用戶手機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)每次完成對(duì)花卉進(jìn)行自動(dòng)澆灌后，也會(huì)將相關(guān)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在PLC的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，再通過(guò)GSM通信模塊以短信息格式發(fā)送到用戶手機(jī)，使用戶可以實(shí)時(shí)了解花卉的澆灌情況。同樣，當(dāng)用戶在外想通過(guò)系統(tǒng)直接對(duì)花卉植物進(jìn)行澆灌時(shí)，可根據(jù)預(yù)定格式將短信息數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM通信模塊中的SIM卡電話號(hào)碼，數(shù)據(jù)被PLC獲取后，經(jīng)過(guò)格式識(shí)別，判斷澆灌的要求，發(fā)出控制指令，完成對(duì)花卉的澆灌，同時(shí)儲(chǔ)存澆灌狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)GSM模塊反饋到手機(jī)進(jìn)行確認(rèn)。

1.2 自動(dòng)澆灌單元控制方式

針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的場(chǎng)合及控制需要不同，設(shè)計(jì)了如下幾種控制方式：

（1）手動(dòng)和自動(dòng)控制功能?？紤]到系統(tǒng)的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制功能，具體通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)或觸摸屏觸控面板操控實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)方式切換。

（2）在自動(dòng)控制方式下又可分為現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制。如客戶在家里，可同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)控制方式和遠(yuǎn)程控制方式;如客戶在外，可通過(guò)手機(jī)采用遠(yuǎn)程控制方式。

（3）雨天停止?jié)补喙δ?。針?duì)花卉及澆花系統(tǒng)的布置位置不同，可設(shè)定為雨天停止/保持澆灌功能。如果在露臺(tái)種養(yǎng)花卉，可以設(shè)置雨天停止?jié)补?如果在室內(nèi)種養(yǎng)花卉，則設(shè)置為雨天保持澆灌。

1.3 自動(dòng)澆灌單元主要器件選型

（1）PLC選型。本系統(tǒng)選用三菱FX2N系列小型PLC，該系列具有基本單元具有16/32/48/64/80/128點(diǎn)，具有微型化和高運(yùn)算速度，性價(jià)比高。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際需要，選用FX2N-32MR-001型號(hào)的PLC，其輸入/輸出總點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，其中輸入/輸出點(diǎn)數(shù)各16，輸入形式為漏型，輸出形式為繼電器輸出。

（2）GSM模塊選型。GSM模塊選用SIEMENS公司推出的TC35i模塊，該模塊符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)的GSM 7.07和GSM 7.05。TC35i模塊為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，可穩(wěn)定、安全、快速的傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息等信號(hào)。TC35i模塊的接口協(xié)議公開(kāi)，可滿足各種用戶開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的需求。當(dāng)GSM 模塊接收到短信息時(shí)，PLC就會(huì)向GSM 模塊寫(xiě)入命令控制字，GSM模塊通過(guò)串口向PLC發(fā)送短信數(shù)據(jù)。反之，PLC要向用戶發(fā)送消息時(shí)，PLC會(huì)先通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)給GSM 模塊，GSM 模塊再將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶的手機(jī)。

（3）觸摸屏選型。系統(tǒng)對(duì)觸摸屏要求不高，且為可選部件，用戶只要能夠方便的進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置或指令發(fā)布即可。因此，選用MCGS昆侖通態(tài)7寸觸摸屏，型號(hào)為T(mén)PC7062TX。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用7英寸高亮度TFT液晶顯示屏，四線電阻式觸摸屏，預(yù)裝MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能，具有較高性價(jià)比。

（4）傳感器及電磁閥選型。綜合考慮系統(tǒng)需求及性價(jià)比，雨水傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及電磁閥均盡量采用通用型號(hào)。雨水傳感器選用SSM-002型雨滴傳感器，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出送入PLC控制信號(hào)。溫濕度傳感器采用SHT30溫濕度傳感器模塊，由PLC通過(guò)其AD轉(zhuǎn)換模塊采集數(shù)據(jù)。電磁閥采用DC24V供電有壓常閉型通用型電磁閥。

1.4 自動(dòng)澆灌單元軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)澆灌單元的工作流程如圖3所示，系統(tǒng)采用定時(shí)查詢方式工作。系統(tǒng)上電后，PLC要完成數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的定義，PLC與GSM通信模塊之間的RS-232串口波特率等參數(shù)設(shè)置，并完成對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的初始化工作。所有初始工作完成后，通過(guò)依次查詢GSM短信模塊、雨水傳感器、溫濕度傳感器等，獲取相關(guān)控制指令或狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷，再執(zhí)行相應(yīng)的控制程序。

2? 自動(dòng)澆灌系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)功能全面，配置與應(yīng)用靈活。系統(tǒng)涵蓋供電、儲(chǔ)水和自動(dòng)澆灌功能，功能全面。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，自動(dòng)澆灌單元是系統(tǒng)的核心必備單元，而供電電源和儲(chǔ)水單元可根據(jù)客戶實(shí)際需求靈活選配，具有一定的應(yīng)用靈活性。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)預(yù)留有標(biāo)準(zhǔn)電氣和水路接口，方便根據(jù)客戶實(shí)際需求配置控制點(diǎn)數(shù)，即通過(guò)采用多點(diǎn)布置傳感器及多路灌溉水路，可對(duì)不同類別及需求的花卉植物進(jìn)行精細(xì)化灌溉管理，而傳感器及灌溉水路的布點(diǎn)數(shù)又可根據(jù)客戶的需求靈活增減。

（2）系統(tǒng)操控的靈活性和人性化。系統(tǒng)除可以完成全自動(dòng)、智能化、精細(xì)化的澆灌外，還可通過(guò)手機(jī)對(duì)其實(shí)施監(jiān)控，擴(kuò)展了系統(tǒng)控制和應(yīng)用的空間與靈活性。通過(guò)觸摸屏，客戶還可直觀、方便靈活的設(shè)置系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)操作的人性化。

（3）系統(tǒng)主要采用PLC控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)便捷，升級(jí)和擴(kuò)展能力強(qiáng)。系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，與以單片機(jī)或嵌入式芯片作為主控制器開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)相比較，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快捷，穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)功能和規(guī)模升級(jí)、功能擴(kuò)展能力強(qiáng)，后續(xù)還可方便的在其基礎(chǔ)上，以PLC為主控制器，實(shí)現(xiàn)智能家居控制。

3? 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)家庭生活中人們養(yǎng)護(hù)花卉植物的實(shí)際需求，通過(guò)整合PLC、GSM及傳感控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，可對(duì)花卉植物進(jìn)行精細(xì)化的澆灌管理，方便人們的生活。如在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，以PLC為控制核心，進(jìn)行功能拓展，還可實(shí)現(xiàn)智能家居控制或更大范圍的園藝種植智能澆灌管理。

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