基于WSN和PLC的远程温室监控系统设计

宋伟伟 李明 杨艳娟

摘要针对传统温室环境监控存在的地域、距离限制以及监控系统布线冗杂、数据时延性等问题，设计基于无线传感器网络（WSN）和可编程控制器（PLC）的温室监控系统。首先以CC2530芯片为核心，搭建了基于ZigBee的星型拓撲无线传感器网络。然后设计WSN与PLC的通信协议，实现环境检测数据的实时动态传输。最后，提出PLC现场控制的温湿度模糊控制策略，以应对温室控制的强非线性。该系统传感网络组网灵活，温室数据实时远程发布，为物联网和PLC现场控制系统融合提供了一种有效途径。

关键词温室;WSN;PLC;远程监控

中图分类号S126文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）02-0246-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.072

智能温室是近年来逐步发展起来的一种资源节约型、环境友好型设施农业技术，其保留了温室传统功用，使培植作物不受或少受恶劣气候的影响，促进高产稳产，又极大地提高了温室管控的科学性，减少劳力付出[1]。PLC作为一种可编程软性控制器，改变程序即可改变工作逻辑，凭借体积小巧、性能稳定、维护方便等优点被大量应用于智能温室监控系统中。许多实际应用中均以PLC作为温室系统的下位机控制器，依据环境数据实时驱动执行机构来改善温室环境[2-4]。陈立定等[5]则在PLC系统中接入网关GPRS模块，以实现PLC数据的远端发布。

WSN即无线传感器网络是一种短距离分布式传感网络，网络末梢连接用以感知环境的传感器并能彼此无线通信。其中ZigBee技术是WSN领域内较为流行成熟的技术[6]，具有功耗低、容量大、可靠安全等特点。WSN在智能家居[7]、医疗护理、灾害监控等领域[8]广泛应用，目前，WSN已逐渐被应用在温室监控，主要用于环境数据采集，使传感器具有较大的自由度和可移动性，摆脱了有线连接的限制[9-10]。

笔者采用以微处理器为核心的计算机集散监控模式，引入模糊控制策略和基于ZigBee的WSN，以搭载了人机交互界面的PC作为远端监控的上位机。该系统设计具有良好的适应性、稳定性和鲁棒性，传感网络组网灵活，解决了温室内布线复杂、线材腐蚀问题。温室数据时时远程发布，打破了监控距离的限制，为物联网和PLC现场控制系统融合提供了一种有效途径。

1温室监控系统设计整体架构

温室监控系统整体架构分为3层：物理层、网络层、应用层（图1）。

物理层由WSN、下位机主控器PLC和执行机构组成。WSN基于ZigBee技术将多个节点搭建成网络拓扑结构传输信息从而实现“范在”传感。PLC依据环境数据驱动执行机构实时改善温室环境。

网络层是通过GPRS模块提供的无线远程通信和互联网技术，将采集到的环境因子和执行机构工作情况高速迅捷地传至远端。

应用层的上位终端搭载人机交互界面，移动终端可主动查询温室数据和接收自动报警，从而实现对PLC工况和温室环境的全面监控。

温室监控系统运作流程见图2。

终端节点与协调器通过ZigBee网络无线双向通讯，多组终端节点利用布置在其上的传感器周期性收集环境数据，无线射频模块将数据通过ZigBee网络传输至协调器的射频天线。协调器作为WSN感知层的枢纽，汇集信息后通过串口打印方式输出数据与PLC进行串口通信，RS233/RS422转化模块，将其转化为可被PLC识别的协议。

PLC作为下位机的主控器，一方面依据模糊控制策略和预设的参数值驱动执行机构来改善温室环境，另一方面将收集的原始环境数据并加上执行机构的驱动情况通过串口发送至GPRS网关，并令其以GPRS模块以宽频移动数据的形式发送至搭载有组态软件的PC机监控端数据库。用户可通过上位机查看图形化实时信息、历史数据、执行器工作状况、故障报警并可以手动自动模式切换，允许用户介入实施补偿动作。用户可以在脱离上位机的情况下使用移动终端主动查询温室数据，从而保证远距离监控温室环境和机构工作情况的设计目的。

2温室监控系统的硬件设计

硬件系统是温室监控系统的物理基础，支撑着温室系统的正常运作和功能实现。由于温室内小气候的复杂多变，长期高温高湿的极端环境，都对监控硬件的精确性、可靠性、耐久性提出了更高的要求。

2.1WSN数据采集

WSN采用基于ZigBee技术的短距离无线通信技术。其特点是短距离、低功耗、低复杂度、自组织、低传输速率，易于嵌入多种设备。ZigBee的技术特性决定它是无线传感网络的最佳选择。ZigBee无线通信核心部分采用TI公司推出的SOC芯片CC2530，使用三端稳压芯片SC1033提供3.3 V供电电压。该芯片是真正的片上系统解决方案，仅需少许外围电路即可实现信号收发。

培植作物受诸多环境因子的影响。温湿度是作物生长过程中最为重要的影响因子，且在温室的密闭空间内二者还存在一定程度的相互耦合。光照是作物生长的必要条件，直接决定作物是否进行光合作用及进程的强弱。根据植物生理特性、温室气候特征并结合传感器成本、量程、精度等因素选用数字温湿度传感器DHT11和光强传感器BH1750。DHT11以单总线输出连接至终端节点CC2530的P0_7，BH1750以I2C总线连接P0_6、P0_5。

2.2控制执行设备

控制设备选用可编程逻辑控制器PLC。PLC具有可靠性高、体积小巧、抗干扰能力强等优点，而且是一种软性系统，改变程序即可改变控制逻辑，以达到不同的温室环境效果，为该温室控制系统的普适性提供可能。

PLC既要求能单独执行控制功能，又需具备一定的通讯能力以“上达下听”。西门子S7-200 224XP CN是一款业内流行的PLC，具备两路RS-485通信接口，符合设计要求。该PLC还具备14入/10出的开关量I/O口，及2入/1出的模拟量I/O，以及实时时钟，该PLC满足通信和数据采集需求，且具备足够的扩展性。

PLC加装RS232/RS485转化模块，用以232协议和485协议的转化，将ZigBee协调器收集到的数据通过串口传至PLC。PLC的另一RS-485通讯端口可直接与专业的GPRS网关模块通讯，实现数据远端发布和接收远端用户指令。

2.3網关通讯设备

广域网关通讯模块采用广州巨控PLC专用GPRS DTU。该模块通用分组无线业务，利用公用运营商GPRS网络为用户提供无线长距离数据传输功能。提供RS485接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输功能。GPRS DTU模块采用工业级高性能嵌入式处理器，抗干扰强，传输稳定。支持各种复杂协议，如欧姆龙、三菱、西门子PPI等，多包并发采集，智能压缩技术，相对透传GPRS降低50%流量。

3温室控制的软件设计

3.1PLC的模糊控制策略设计

温室控制具有滞后性、非线性、耦合等特点，为避免系统失控，引入模糊控制策略。模糊控制是以专家经验为指导，不需精准的数学模型，具有鲁棒性和适应性。

温室系统中较难控制的有温度和湿度2项环境因子，该系统以温度为例，将其作为被控对象，设计模糊控制器。系统设计的模糊控制器选取双输入单输出的方式，故称之为二维模糊控制器。确定温度偏差e和温度偏差变化率ec作为输入变量，并确定u为控制器的输出变量，控制执行机构运作改善室内环境。温室监控系统模糊控制策略示意见图3。

该系统运用博图V13软件编写温度模糊控制程序，湿度的模糊控制过程与温度类似，在此不再赘述。温室内光照强度通过采集值与系统预设额定值相比较的形式来决策和判断，进而驱动执行机构改善温室环境。

安徽农业科学2019年

3.2WSN网络设计

WSN网络使用ZigBee技术构建，运行 ZigBee协议栈Z-Stack。Z-Stack使用瑞典公司IAR开发的IAR Embedded Worbench for MCS.51作为其集成开发环境。用户通过协议栈调度程序，使用C语言开发具体应用，编译成功后，使用SmartRF Flash Programmer下载到相应的ZigBee节点设备。WSN网络的设计主要由网络建立、数据接收和数据处理3部分组成。

（1）协调器作为ZigBee无线传感网络的枢纽，起到建立和管理网络的功能。在系统初始化后，协调器在DEFAULT_CHANLIST_LIST的里扫描默认信道集并选择噪声最小的通道作为所建的网络信道。采用ZDAPP_CONFIG_PAN_ID参数指定网络编号PANID。在参数配置好后，调用ZDO_Start_Device启动协调器建立网络。

终端节点通过函数NLME_NetworkDiscoveryRequest（）扫描发现协调器所建网络，扫描结果由ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB（）函数返回并调用NLME_OrphanJoinRequest（）函数加入网络。

（2）传感节点将数据传输至协调器后通过协议栈的OSAl将数据封装成一个消息并置于消息队列中。通过AF_INCOMING_MSG_CMD标识收到新数据的消息ID。当需要从消息队列中得到消息时，调用MSGpk=（afIncomingMSGPACKET_t*）osal_msg_receive（GeneriAPP_TaskID）函数。

（3）协调器需要通过串口与PLC进行交互，因此协调器代码需要包括串口初始化和串口接受数据的处理。串口初始化使用Init UART（void）函数，初始化函数中uartConfig.baudRate=Hal_UART_BR_9600，将波特率设置为9 600，PLC需与其一致。

当协调器接收到终端节点无线数据AF_INCOMING_MSG_CMD时，调用函数GenericAPP_MessageMSGCB（）将接收到的数据通过RS232串口发送给PLC。函数GenericAPP_MessageMSGCB（）部分代码实现：

3.4上位机设计

上位机搭载组态软件实现PLC的远程监控，可以修改PLC数据，查看温室环境数据、执行机构工作情况、历史数据报表等。该系统使用WINCC组态，支持OPC，无需固定IP和任何端口映射。

上位机安装巨控OPCSERVER，使用OPC管理器配置监控端，将网关变量更新到本地OPC服务器。使用WINCC组态软件开发工程，将组态软件的变量关联到对应的OPC寄存器，这样WINCC即可通过OPC接口从OPCSERVER访问远程PLC变量。

4小结

该研究在智能温室的基础上，针对温室内多种环境因子数据实现采集，通过PLC预设策略实施智能调控，远端PC可通过组态界面监控实时数据。在温室监控系统设计中，采用了2种无线数据传输技术。在近端对室内环境因子的采集采用ZigBee技术搭建了WSN，通过自组网的双向无线通讯，增大了移动自由度，摆脱了有线连接的限制，解决了线材易腐蚀的问题。在远端采用GPRS DTU模块将温室数据远程发布，打破了PC和温室一对一的监控。温室控制层引入模糊控制策略，使之具有较佳的鲁棒性、适应性和容错性。同时该系统使用的短距离无线感应和远距离无线传输方案相结合，契合物联网发展的大背景。

参考文献

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