基于ZigBee和PLC的温室监控系统的设计

姚 琦，赖忠喜

（台州职业技术学院 机电研究所，浙江 台州 318000）

温室是一种可以改变植物生长环境，为植物生长创造更好条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。随着社会经济的发展，各种园艺温室和农作物温室的数量在不断的增加[1]，目前我国温室环境监测系统主要基于有线方式，一般需要在土壤中铺设大量的电缆，其存在着布线复杂，抗干扰能力差，功耗大，投资成本高和安装维护困难等缺陷[2]，采用无线的方式进行温室环境参数的采集和传输可以解决上述问题，ZigBee技术是近几年来发展的一种新型无线通信技术，其具有低功耗，成本低，时延短，网络容量大，可靠安全等特点[3-4]，被广泛的应用在短距离内的低速率无线传输的场合中[5]，因此文中将ZigBee技术引入到温室环境监控系统中。同时温室内高温高湿的环境对监控系统的可靠性要求较高，常用的单片机系统难以满足要求[6]，而采用PLC作为温室的主控制器，可大大提高系统的可靠性，为此本文设计了一种基于ZigBee技术与PLC的温室监控系统，其具有功耗低，维护容易，可靠性高等特点，能很好的满足温室大棚控制要求。

1 总体设计

本系统整体原理框图如图1所示，系统主要包括数据采集节点，主节点，PLC控制系统和上位机4个部分所构成。系统设计了4个数据采集节点，分别放置在在温室的4个角落，4个数据节点每隔一定时间分别采集温室内的温度，湿度，光照度和二氧化碳浓度等环境因子，并轮流向主节点发送所采集的数据信息，主节点组建了基于ZigBee技术的星型网络拓扑结构，主要实现对整个网络的管理及接受子节点转发来的数据等功能，主节点收到数据之后通过串口将各节点的数据传送给PLC，作为主控制器的PLC根据从主节点传送来的数据和预先设定好的阈值控制温室内的各个执行设备，对温室环境进行自动调节，以满足不同农作物的生长要求。为了更方便的设定阈值参数和掌握温室大棚作物的环境参数情况，选用MCGS组态软件作为上位机组态开发平台，对整个PLC控制系统进行监控。另外利用MCGS的远程监控功能，还可以通过远程监控界面在IE浏览器上直接查看温室大棚作物的生长情况。

图1 温室监控系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the greenhouse monitoring system

2 系统硬件设计

2.1 数据采集节点硬件设计

数据采集节点的主要功能是采集温室的环境参数，并将采集到的数据发送到主节点上。数据采集节点的结构图如图2所示，其主要由数据采集模块，电源管理模块，液晶显示模块和无线通信模块所组成。

图2 数据采集节点结构图Fig.2 Structure diagram of data acquisition node

2.1.1 数据采集模块

数据采集模块主要完成对温室现场温度、湿度、二氧化碳浓度和光照度的测量与采集。

温湿度传感器选用瑞士Scnsirion公司生产的智能数字温湿度传感器SHT11，该传感器将湿度传感器、信号放大调理、A/D转换和加热器等功能全部集成于一芯片中，可给出全校准相对湿度值输出；并带有两线制的串行接口和内部基准电压，使系统的接口设计变得简单快捷。CO2传感器选用CDM4161，用于检测温室内的CO2浓度，该传感器内部集成了TGS4161 CO2气体传感器和PIC16LF88单片机，体积小，寿命长，稳定性高。该传感器对CO2气体浓度的侧量范围为400～4 000 ppm，其输出的电平值与CO2气体浓度保持良好的线性关系，非常适用于温室CO2浓度的检测。光照度传感器选用BH-1750型光照度传感器，该传感器是半导体制造商ROHM近些年推出的一种I2C串行总线接口的数字型光强度传感器，其具有较广的光照强度测量范围（1～65535LUX），分辨率高，功耗较低和接线方便等优点。数据采集模块的电路原理图如图3所示。

图3 数据采集模块电路图Fig.3 Data acquisition module circuit

2.1.2 无线通信模块

ZigBee无线通信核心部分采用TI公司生产的CC2530芯片，CC2530是一个真正用于 IEEE 802.15.4的ZigBee和FR4CE应用的片上系统（SOC）解决方案，其能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存8KB RAM和许多其他的强大功能。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。其外围电路图如图4所示。

2.1.3 电源管理模块

电源管理模块主要为数据采集模块，液晶显示模块和无线通信模块提供电源。考虑到温室需要无人值守的情况下工作，因此本系统采用锂电池作为数据采集节点和主节点的供电电源，市面上最常用的可充电锂电池的额定电压为3.7 V，而CC2530射频芯片和BH1750传感器的所需供电电压为3.3 V，SHT11传感器、LCD1602液晶显示器和CDM4161传感器所需的供电电压为5 V，因此将锂电池分别通过DC/DC芯片LTC3340和HT7333实现将3.7 V电压转换为5 V和3.3 V的电压，以满足不同元器件的供电需求。图5为电源模块电路原理图。

2.2 主节点设计

主节点主要完成多个子节点采集数据的无线收发任务，其大部分硬件电路与数据采集节点相同，主要不同在于主节点没有数据采集模块，而多了串口通信模块，主节点需要通过RS232串口与PLC进行通信，采用SP3223E电平转换器进行RS232电平转换，将SP3223E的RIOUT，TIN引脚分别接CC2530的 P0_2，P0_3引脚，串口提供了一个标准的9针串行接口。

图4 CC2530外围电路图Fig.4 CC2530 peripheral circuit diagram

图5 电源模块电路图Fig.5 Power module circuit diagram

2.3 PLC控制系统设计

温室智能监控系统把从主节点传输的四种环境参数数据传给系统的主控制器PLC后，PLC根据预设的参数和上位机所设置的环境参数对相应的控制机构进行相关控制。根据系统的控制要求分析PLC的输入和输出点，本系统的PLC控制器的输入点有：启动信号、停止信号、自动/手动切换按钮、内外遮阳网、天窗、侧窗、湿帘外窗的限位开关及内外遮阳网、天窗、侧窗、湿帘外窗、环流风机、湿帘风机、补光灯、CO2发生器、加热水泵、热风炉风机的手动开关共28个输入点。输出点有：内外遮阳网、天窗、侧窗、湿帘外窗、环流风机、湿帘风机、补光灯、CO2发生器、加热水泵、报警灯、热风炉风机共12个输出点。在满足功能要求的前提下综合性价比选用西门子S7200系列的CPU226，输入量扩展模块一个，型号为EM221。CPU226具有24个数字量输入点和16个数字输出点，加上EM221的 8个输入点，能满足系统的需求。将开关按钮和限位开关接入到输入端，完成手动控制功能，输出端连接继电器系统，控制执行机构动作。

3 系统软件设计

系统软件主要包括ZigBee节点程序编写，PLC控制程序设计和上位机界面的设计。

3.1 ZigBee节点程序设计

ZigBee无线节点的应用程序是在IAR的集成开发环境下，在ZigBee2007/PRO协议栈ZStack-2.0.0-1.2.0基础上开发的，节点的软件设计分为数据采集节点的设计和主节点程序的设计。主节点主要负责组建星形网络及接收处理各节点传递过来的信息。当主节点接通电源复位后，首先进行初始化，并建立一个具有唯一ID标识的ZigBee网络，之后进行无线监控，若接收到的信息为其它节点的入网请求信号，则将给节点分配16位的短地址标识符并更新网络列表，而若接受到的信息为节点上传的数据信息，则将各节点上传的温室环境参数传送给PLC，交由PLC处理。ZigBee网络中的数据采集节点则负责温室环境参数的检测，并将检测到数据上传个主节点。数据采集节点上电初始化后，首先扫描可用网络，并申请加入，当如网成功后，为了节能降低功耗，本方案中采用休眠-唤醒的工作机制，只有在定时时间5 min到时，各传感器才采集一次数据并上传到主节点，其余时间里节点进入休眠模式，主节点和数据采集节点的程序流程如图6所示。

图6 ZigBee节点程序流程图Fig.6 Program flow chart of the ZigBee node

3.2 PLC控制程序设计

PLC控制程序采用STEP 7-MicroWINV4.0编程软件编写，其控制程序有手动和自动操作模式，在手动操作模式下，操作人员可以手动实现对各执行设备的控制，而在自动操作模式下，PLC会根据主节点传送来的环境参数（温度，湿度，CO2浓度和光照强度）以及上位机根据生产经验所设置各参数的上下限值来控制各个执行机构的输出状态。

3.3 上位机界面设计

上位机监控中心的系统软件采用MCGS组态软件进行开发，图7为开发的MCGS监控操作界面。该界面主要由环境参数显示模块，PLC执行设备状态显示模块，参数设置模块，手动控制模块和数据库访问模块等组成，通过该界面用户既可以直观清晰的观测温室内的环境参数和各PLC执行设备的运行情况，也可以通过参数设置模块方便设置温室环境的上下限值，同时还可以手动的控制温室的各执行机构。另外通过该监控界面还可以查看实时环境参数曲线和对温室的历史数据进行查询，能方便的实现对温室环境的监控管理。

4 结 论

图7 基于MCGS的监控操作界面Fig.7 The monitoring interface based on MCGS

文中设计了一种以ZigBee技术和PLC为核心的温室监控系统，该系统可以对温室环境中的温度、湿度、光照度和CO2浓度等各项参数进行准确的检测、采集。并可以根据预设的参数来调节和控制温室环境，以满足不同植物的生长需求。经测试运行表明该系统具有可靠性高，组网灵活，功耗低等特点，可以很好的解决有线通信方式布线麻烦和维护困难等问题，在智能农业领域有着良好的市场前景和推广应用价值。

[1]陈方元，赖忠喜，陈文波，等.一种简易温室控制系统的设计[J].电子设计工程.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]黄智勇，王启志，严丽.基于ZigBee的温室环境监测系统的设计[J].微型机与应用，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]庄立运，鲁庆，王晓晖.基于CC2530的大棚温湿度无线采集节点设计与实现[J].湖北农业科学，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]骆科学.基于Zigbee协议的无线温湿度监控系统的设计与实现[D].长春:吉林大学，2012.

[5]刘科峰，邓秀勤，刘志煌.基于ZigBee的多点温度监控系统[J].现代电子技术，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的温室大棚智能监控系统的研究[D].成都:西华大学，2012.