基于PLC与ZigBee的室内环境监控系统设计

李 路，何新霞，孔祥飞，李 旋

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

基于PLC与ZigBee的室内环境监控系统设计

李 路，何新霞，孔祥飞，李 旋

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

环境监测点位具有分布范围广、点位多等特点，建立一套基于无线传感网络的环境实时监控系统，实现对区域内环境要素的在线监控，对及时掌握环境状况及有效控制环境污染的扩散有着直接而重要的作用;以CC2530芯片为核心构建ZigBee无线传感网络，并通过主控制器PLC将采集的数据进行分析与处理;利用主协调器及PLC将接收的监测数据传至上位机进行实时显示，由监控平台，结合红外收发器完成对外部设备的远程控制;上位机采用Wincc组态软件，结合西门子精智面板提供优异的人机交互界面体验;通过实验测试表明，该系统可实现大范围的室内环境参数的采集和传输以及远距离监控功能，且具有安装方便、扩展性强等特点，适用于需进行统一管理的智能楼宇建筑。

PLC；ZigBee；CC2530；物联网

0 引言

随着生活水平不断提高和环境污染日益严重这一矛盾的突出，人们对室内环境提出了更高的要求。目前，市场上各类针对环境问题的智能单品层出不穷，然而此类单品彼此间互不关联，独立运行，部分单品功能重复造成资源浪费。鉴于此，本文提出了一种分布式采集与执行、集中式管理的楼宇环境实时监控系统设计方案，旨在将各类数字化产品“孤岛”[1]集于一体，统一管理，形成联动，避免资源浪费，达到节能效果。

本文的主要工作包括底层硬件设计，ZigBee网络的建立，上位机监测和控制界面的设计，协调器与PLC之间的通信，系统对各设备的自动控制，以及GSM远程监控系统。

1 环境监控系统总体构成及原理

在物联网领域，系统结构主要分为应用层、网络层以及感知层[2]。本文中，应用层主要是HMI人机交互界面，网络层主要是ZigBee无线传感网络，感知层主要包括环境参数传感器和相应的设备控制器，PLC作为系统的中枢，实现对整个系统的监测与控制。

通信功能基于ZigBee通信协议[3-4]实现，采用分布式网络结构，配置少数协调器和多个路由器及终端，协调器负责汇总分布于不同空间位置的路由器和终端信息，同时，分布于各个节点的路由器互为中继器，从而实现大范围的数据传输。协调器通过西门子CP340串口通信模块与PLC进行通信，将无线传感器网络的数据传输到PLC进行分析处理[5]。

汇总后的信息由PLC进行综合判断和处理，通过CP340或西门子I/O口发出使能信号。其中，CP340发出的串口信息，通过ZigBee无线网络发送至相应路由器，进而控制红外线、继电器或无线电等设备输出控制信号，远程实现对室内设备的联动控制；而I/O口发出的控制信号主要负责主机附近的设备，基于此设计思路，在控制环节形成了以串口信息控制为主，I/O控制为辅的一种方案，具备大范围远程控制、小范围灵活控制的特点。

上位机以MPI通讯方式完成与下位机PLC的通讯连接，一方面，PLC可将处理后的数据信息实时显示在精智面板上，由精智面板提供良好的人机交互体验。另一方面，PLC也可将上位机发出的控制信号进行处理，按照用户需求完成对网络中的各设备的自动控制。系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体网络结构图

ZigBee模块主要分为中心节点和终端节点两大类[6]，中心节点作为协调器负责建立ZigBee无线网络，终端节点作为路由器主动扫描网络并申请加入，两者建立无线链路后即可进行点对点的数据通信。

传感器采集的信息暂存于CC2530，通过自定义的环境参数请求协议实现环境参数的采集和处理，即仅在主机主动请求环境参数时路由器才将信息发送给协调器，网络才被占用，无环境参数请求时，网络无数据传输，这样可大大节省网络占用率，同时达到节能效果。

2 硬件系统设计

市场上的传感器和控制器千差万别，为实现模块化功能，即各个传感器和控制器具备独立挂载于任何路由器下的特性，方便维护和管理，需将各类传感器和控制器的收发信息格式进行统一转换。

选用TI公司生产的CC2530芯片实现ZigBee网络通信，CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，集成了51单片机内核。同时CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适用于超低功耗要求的系统[7]。

结合CC2530芯片的特点，本文信息类型主要有3种：串口信息、模拟量、开关量。对于串口信息，统一设置波特率为9600；对于模拟量量程，统一设置为0～3.3 V；对于开关量，统一设置为0和3.3 V电平。通过单片机和运算放大电路，实现信息格式的转换。

温度和湿度传感器选择型号为DHT11，该传感器采用单总线数字通信方式，选用STC 11F02E单片机的IO口模拟单串口，与DHT11进行单总线通信，再将该信息经过处理，使用波特率为9600的串口通信方式发送给ZigBee路由器，信号传递流程图如图2所示。

图2 温湿度信号传递流程图

通常甲烷传感器和一氧化碳传感器的输出类型为电压型模拟量，由于ZigBee的硬件模块CC2530具有0～3.3 V的AD采样功能，所以对甲烷传感器和一氧化碳传感器输出的模拟量经过电压跟随器、0～3.3 V调理电路、0～3.3 V限幅保护电路处理后输入至CC2530的AD引脚，电路原理图如图3所示，再将AD转换的值暂存于CC2530中。

图3 信号调理和保护电路

定义输入电压为Vin，输出电压为Vo，根据原理图可得到二者关系：

根据以上表达式可知，通过合理设计R11和R12可以将传感器输出调理至CC2530允许的输入范围，同时，设计时应使电流尽量小，以减小电阻上的能量损耗。本文选用的传感器输出为0～4 V，故设计参数如下：

R11=R12=10 kΩ

此时，输出范围为1.2～3.2V，满足CC2530的AD输入范围。

PM2.5传感器选用夏普公司的一款传感器，该传感器输出是波特率为2400的串口信号，其中包含PM2.5的测量值信息，但CC2530芯片的串口通信波特率统一设置为9600，故使用两个STC11F02E单片机设计波特率转换器，原理图如图4所示，将单片机1串口通信波特率设置为2400，用于接收PM2.5传感器发出的串口信号；将单片机2的串口通信波特率设置为9600，用于和CC2530进行通信，并将PM2.5的测量值暂存于CC2530模块中。而单片机1和单片机2之间通过9个IO口进行通信，理论精度可达到29，即512，满足通常情况下PM2.5的测量精度要求。

图4 PM2.5信号波特率转换器

此外，配备了红外控制器，负责模拟设备的红外线遥控功能，红外线收发器通过单片机进行控制，而单片机接收来自ZigBee的串口信息，并在单片机内对该串口信息进行判断，控制红外线的收发。

3 软件系统设计

本文设计的系统基于PLC进行控制、Zigbee进行无线网络传输，PLC与CC2530之间通过CP340模块通过主从模式进行串口通信。

设计适用于本系统的主从通信协议，在CC2530中预先定义串口命令，再通过PLC经由CP340发出预先定义的命令，CC2530进行识别后，再将已储存的环境参数经过CP340上传给PLC。

CC2530可设置三种工作方式：协调器模式、路由器模式和终端模式。协调器主要负责建立和配置网络，是Zigbee网络中的第一个设备；路由器主要作用是加入协调器所建立的网络，并辅助终端进行数据通信；终端不负责维护整个网络，对于本文设计的系统，终端与路由器扮演的角色没有很大区别，但终端可以睡眠并随时等待被唤醒，可有效节能。本文通过设计主从通信方式，即由PLC控制CP340发出串口信息，主动通过ZigBee协议经由协调器向各个路由器或终端发出环境信息请求指令，当路由器或终端接到信息请求指令后，判断对象是否为本路由器或终端下挂载的传感器或控制器，若是，则相应路由器或终端会将信息发送至协调器，协调器再通过西门子CP340模块将参数传输至PLC进行处理，达到了节能的效果，尤其在大范围监控的应用中，工作于终端模式的CC2530甚至可以用普通电池进行供电。但作为中继器的CC2530需工作在路由器模式下，通过合理布局，在关键节点位置合理设置中继器，使其工作于路由器模式即可。

红外控制作为一种无线、非接触控制技术，广泛应用于工业控制、家电行业等各个领域[8]。收集大量的设备遥控器代码，内置于PLC的数据块中，用户可根据个人使用的品牌，在上位机上进行选择，从而实现对空调等设备的自动控制。但是由于实际中各类设备品牌繁杂，且每个品牌的遥控器代码均不同，不易收集完整，并且设备更新速度较快，仅仅通过内置代码可能无法满足要求，为解决此问题，提出了一种基于PLC的遥控代码学习功能，作为功能补充，弥补个别设备因无遥控代码数据库而无法控制的缺点。经过大量的调查得出，目前遥控器基本采用NEC编码实现，鉴于此，根据NEC编码规则，设计了遥控器学习功能，即通过上位机提供设置向导，由PLC发出红外接收等待指令，此时将设备原装遥控器对准红外接收装置并按下，该按键的NEC编码通过ZigBee网络上传至PLC主机，并进行储存，完成学习功能。当需要使用该按键功能时，再由PLC将已经储存的代码通过ZigBee网络传给红外发射器，进而实现控制功能。基于PLC的红外学习向导流程如图5所示。

图5 遥控器学习向导图

4 监控系统设计

4.1 基于WINCC的监控系统的设计

SIMATIC操作面板是全集成自动化(TIA)的一部分，广泛地应用于自动化系统中。由于TIA集成的独一无二的技术，可以帮助工程设计人员大量减少组态时间[9]。SIMATICWinCC用于组态SIMATICHMI操作面板，HMI人机交互界面的主要功能是对整个系统的当前状态进行实时监测以及用户在界面上直接操作。WinCC监控界面如图6所示。

以一栋六层的建筑楼为例，WinCC监控界面主要分为主界面和子界面，主界面选择进入某一房间，子界面主要显示房间内部的具体情况。如图6所示，为101号房间的环境监控子界面，该界面主要包括4个部分，环境参数显示，阈值设定，设备状态，设备选择，包含手动和自动模式，PLC将采集的数据信号进行处理分析后，将处理后的结果在该界面进行显示，也可手动控制各执行机构动作，满足特定需求。其他房间类似，但显示的参数和控制的设备视具体情况而定。

4.2 基于GSM的远程监控系统设计

基于GSM模块实现危险气体报警功能。GSM模块型号选择SIM900A，该模块能够提供符合GSM07.05协议规范的命令接口和标准AT指令集，具备RS-232通信方式[10]，PLC与GSM模块之间通信的传输数据和指令符号均采用ASCII码形式。

本环节需要实现PLC和GSM模块之间的通信，将GSM的AT指令存于PLC的数据块中，主要包括发送和接收短信的手机号码和发送的短信内容等信息。使用串口发送AT指令以实现发送报警短信功能，主要包括以下步骤：

1)设置为文本模式，指令为：

AT+CMGF=1；

2)设置文本参数，指令为：

AT+CSMP=17,167,2,25；

3)设置编码类型为UCS2,指令为：

AT+CSCS="UCS2"；

4)设置接收短信的手机号码，接收短信号码通过上位机进行设置，然后通过插入0的方式转换为SIM900A可以识别的AT指令，再将转换后的包含手机号码的AT指令通过串口发送至SIM900A，例如系统将报警短信发送至13012345678，发送指令如下:AT+CMGS=

"00310038003000310032003300340035003600360038"

5)最后，将需要发送的内容通过串口传给SIM900A，例如本文发送“烟雾报警”四个字到接收短信的手机，需将这四个字转换成Unicode，指令如下：

70DF96FE62A58B66。

当系统监测出危险气体含量超标时，需要发出报警短信。首先，PLC内置以上AT指令，并将上位机设置的手机号码加入AT指令，需要报警时，PLC通过CP340将短信报警的AT指令发送给GSM模块，从而实现短信报警功能。

5 总结

本文设计了基于ZigBee和PLC的建筑和楼宇室内环境实时监测与控制系统，系统可以对室内各环境参数进行准确的采集与传输，进而根据预设的参数来调节和控制室内环境。目前市场上多数同类控制器为成套装置，扩展新设备比较困难，本装置增加了学习功能，使其具有更强的通用性，终端模块化可使用户可根据实际需求灵活选择。经过测试运行表明，该系统具有组网灵活，实用性强，可靠性高，通用性好以及低功耗等特点，无线通信方式也可以很好地解决布线麻烦和维护困难等缺点，在环境检测行业领域具有良好的市场前景和应用价值。

[1] 赵玉民. 数字家庭的应用业务及其系统设计研究[J]. 电视技术,2013,S1:21-30.

[2] 陈立伟，杨建华,曹晓欢, 等. 物联网架构下的室内环境监控系统[J]. 电子科技大学学报,2012(2):265-268.

[3] 何雪勤. ZigBee技术在智能家居系统中的应用研究[D].成都：电子科技大学,2015.

[4] 尹纪庭,袁 佳,焦志曼,等. 基于ARM和ZigBee的智能家居控制系统研究与开发[J]. 计算机测量与控制,2013(9):2451-2454.

[5] 张 琰,李吴松,张荆沙,等. 物联网环境下基于PLC的远程控制系统设计[J]. 微电子学与计算机,2016(2):130-134.

[6] 王 风. 基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学,2012.

[7] 刘毅力,焦尚彬. 基于CC2530无线传感网络系统的设计[J]. 现代电子技术,2013(3):43-46.

[8] 李瑾瑞. 学习型红外控制器的设计与实现[D].成都：电子科技大学,2014.

[9] 杨路明,雷亚军. 组态软件WinCC在自动监控系统中的应用[J]. 计算技术与自动化,2003(4):21-24.

[10] 刘主链,宋 跃,何志辉,等. 无线模块与GSM实现的智能远程家居控制系统[J]. 计算机测量与控制,2011(9):2133-2135.

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，重庆人，硕士研究生，主要从事电力电子与电力传动方向的研究。

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

TP

A