基于ZIGBEE和GPRS的PLC遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：為改善人力環(huán)境監(jiān)管存在的局限性及GPRS—PLC監(jiān)測系統(tǒng)的高成本等缺陷，設計可自組網(wǎng)絡的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。設計中構建了遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡結構，采用西門子S7—200系列PLC作為采集儀控制器，TI CC2530 ZigBee無線網(wǎng)絡模塊作為現(xiàn)場組網(wǎng)模塊，采用GPRS DTU傳輸數(shù)據(jù)，采用X86架構計算機構建監(jiān)測平臺。論述采集儀、無線網(wǎng)絡模塊程序設計的一般問題和程序設計流程，論述基于Winsock的監(jiān)測中心軟件平臺設計方法。

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關鍵詞：遠程環(huán)境監(jiān)測；ZigBee；GPRS DTU；PLC；自組網(wǎng)

中圖分類號：TP 274 文獻標識碼：A

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Design of PLC Remote Environmental Monitoring System Based on ZigBee and GPRS

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CHEN Liding， WEN Lveqin， ZHANG Liangbin

（College of Automation， South China University of Technology， Guangzhou510640， China）

Abstract：A selfnetworking REMS （remote environmental monitoring system） has been designed to improve the limitations of human environmental regulatory and GPRSPLC monitoring system. A REMS network structure has been designed， using Siemens S7—200 series PLC as the logger controller， TI CC2530 ZigBee module as field wireless network device， GPRS DTU to transfer data， X86—based computer to build the monitoring platform. Discussed the general problem and programing method of PLC and CC2530 program design， also discussed the way to build the software platform based on Winsock.

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Key words：remote environmental monitoring； ZigBee； GPRS DTU； PLC； Selfnetworking

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1序言

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測需要依靠工作人員到工業(yè)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。在廠家眾多，位置分散的情況下，無疑耗費了大量的人力物力，且存在廠家偷排污染物等許多不可控現(xiàn)象。

為改善這一問題，基于GPRS與PLC的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)被設計并投入使用[1]。該設備為減少人力耗費和實時監(jiān)控起到了積極意義。但由于該設備只允許單個PLC與GPRS模塊通信，其應用范圍受到了局限。比如說在大型的工業(yè)現(xiàn)場，設備之間距離較遠，單個采集器IO端口有限且長距離布線施工成本較高，僅能在每個設備使用一個完整采集儀，這樣就使得終端設備成本較高，且GPRS流量所產(chǎn)生的費用也較高。

這些問題對系統(tǒng)設計提出了新的要求。改進的系統(tǒng)以每個工業(yè)現(xiàn)場為單位，與數(shù)據(jù)中心進行GPRS數(shù)據(jù)傳遞；現(xiàn)場的采集儀之間能夠自行組成通信網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)集中到具備GPRS數(shù)據(jù)傳遞功能的節(jié)點；除了設備的開關狀態(tài)，在某些情況下，采集儀還需采集污水、廢氣等的參數(shù)，因此需要配置可選的模擬信號采集通道；數(shù)據(jù)中心起到存儲歷史數(shù)據(jù)，顯示實時數(shù)據(jù)的作用，人性化的用戶界面能大大提高工作效率。

2硬件系統(tǒng)結構

根據(jù)需求，整體系統(tǒng)結構如圖1所示。每個工業(yè)現(xiàn)場具備一臺連接了GPRS DTU的采集儀；采集儀由PLC作為控制核心；對于像本文設計的，需要組建無線通信網(wǎng)絡的工業(yè)現(xiàn)場，則每個采集儀上均要連接無線通信模塊。多個工業(yè)現(xiàn)場的GPRS DTU通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳遞到Internet，并由數(shù)據(jù)中心接收處理。

圖1環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成

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2.1采集儀控制器

采集儀在工業(yè)現(xiàn)場主要采集治污設備的開關狀態(tài)，根據(jù)需求采集治理前后污染物的濃度參數(shù)，進行數(shù)據(jù)打包傳遞處理。較大型的工業(yè)設備在生產(chǎn)過程中往往會排放出包括氣體和液體等多種污染物，在每個污染物產(chǎn)生處都有相應的治污設備。因此，采集儀需要有多個開關量采集點。對污染物的濃度等信息的采集是根據(jù)需求來設計的。一般的污染源只需強制治污設備運行即可保證治污合格，僅有對需要跟蹤觀察的污染物才要配備模擬量采集點。采集儀需要配備一定的模擬量采集能力，并在開關/模擬采集點的數(shù)量上具有可擴展的能力。為了讓控制器能夠同時與GPRS DTU和無線網(wǎng)絡模塊通信，必須選用有兩路串行通信口的型號。

西門子S7—200CN CPU 224XP CN是一款工業(yè)上常用的PLC，具備兩路RS—485通信接口，符合設計需求。該PLC還具備14入/10出的開關量I/O，及2入/1出的模擬量I/O，以及實時時鐘，且最大可擴展168點開關量、38點模擬量。該PLC滿足通信需求，也滿足數(shù)據(jù)采集需求，且具備足夠的擴展性[2—3]。

2.2現(xiàn)場無線網(wǎng)絡模塊

大型工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)設備距離較遠，障礙物、電磁屏蔽物分布隨機，采集儀每次采集的信號量較少，因此無需過高的速率，而需要保證網(wǎng)絡暢通，靈活可配置。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)（Personal Area Network，PAN）協(xié)議，是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術。相同設備模塊經(jīng)過不同的設置，可作為協(xié)調(diào)器、路由器、末端節(jié)點工作于網(wǎng)絡中，組成星形、樹形、網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)絡。其中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信靈活，路由器節(jié)點之間可互相通信，可保障整個局域網(wǎng)的通信暢通。協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡的中心，可協(xié)調(diào)管理6000個以上的子節(jié)點。路由器節(jié)點（加裝了路由器模塊的采集儀）采集現(xiàn)場參數(shù)，通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡最終將數(shù)據(jù)傳遞到協(xié)調(diào)器節(jié)點（加裝了協(xié)調(diào)器的采集儀，并加裝了GPRS DTU）。

TI公司的CC2530 ZigBee解決方案在2.4GHz頻段下的波特率為250kbps。通過調(diào)節(jié)收發(fā)功率，CC2530之間的通信距離可以達到300m，若增加CC2591功率放大模塊，通信距離可以達到1Km。將CC2530組建成網(wǎng)狀網(wǎng)絡，可以滿足設計需求[4—7]。

2.3GPRS無線通信模塊

協(xié)調(diào)器節(jié)點連接GPRS DTU。協(xié)調(diào)器節(jié)點將從各路由器節(jié)點接收的實時數(shù)據(jù)及本身數(shù)據(jù)處理打包后，通過GPRS DTU將數(shù)據(jù)傳遞到GPRS網(wǎng)絡，由監(jiān)測服務器接收處理。工業(yè)級的GPRS DTU模塊提供串口，可進行模特率、數(shù)據(jù)位、校驗位等設置，可與PLC等串口設備通信。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，設置IP地址、端口信息后，可透明地將串口數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到Internet，通過局域網(wǎng)傳送到監(jiān)測中心服務器上。

2.4監(jiān)測中心服務器

監(jiān)測中心服務器需要通過Internet接收GPRS DTU發(fā)來的數(shù)據(jù)，存儲歷史數(shù)據(jù)，顯示實時數(shù)據(jù)，以友好簡便的方式與監(jiān)測工作人員互動。為了方便軟件系統(tǒng)設計開發(fā)以及GPRS DTU模塊的驅(qū)動連接，可采用X86架構的計算機作為服務器，并配備Windows操作系統(tǒng)，服務器終端操作平臺采用可觸控的一體機，通過Internet讀取服務器數(shù)據(jù)，方便工作人員操作[8]。

計算技術與自動化2012年9月

第31卷第3期陳立定等：基于ZIGBEE和GPRS的PLC遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

3程序設計方法

3.1PLC程序設計

PLC程序設計的重點在于與無線模塊的通信程序設計。西門子S7—200 CPU224XP CN具有4種通信方式：點對點（PPI）方式、多點接口協(xié)議（MPI）方式、DP方式、自由端口通信方式。其中自由端口通信方式允許自定義通信協(xié)議，數(shù)據(jù)收發(fā)模式自由切換，方便與外設通信。

協(xié)調(diào)器節(jié)點中PLC通過Port0串口與CC2530通信，采用自由端口通信方式。大部分時間中PLC作為從機，從CC2530接收數(shù)據(jù)，僅當有查詢指令時，通過CC2530向路由器節(jié)點發(fā)送查詢指令。協(xié)調(diào)器每30s收集完路由器節(jié)點數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)送給PLC，PLC將數(shù)據(jù)打包后送至GPRS DTU模塊，每隔5min存儲一次實時數(shù)據(jù)以供查詢。協(xié)調(diào)器PLC程序流程圖如圖2所示。

圖2協(xié)調(diào)器節(jié)點PLC程序流程圖

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協(xié)調(diào)器節(jié)點還連接GPRS DTU模塊。PLC通過Port1串口與GPRS DTU模塊連接，同樣采用自由端口通信方式。在與GPRS DTU通信過程中，大部分情況下PLC作為主機向GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，僅在接收查詢指令時作為從機。協(xié)調(diào)器節(jié)點每隔30s將個域網(wǎng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)打包發(fā)送給數(shù)據(jù)中心。其工作流程如圖3所示。

圖3PLC與GPRS通訊程序框圖

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路由器節(jié)點中大部分時間PLC作為主機，向CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)，僅當CC2530收到歷史數(shù)據(jù)查詢信息時，作為從機接受查詢并返回信息。PLC每隔30s將數(shù)據(jù)送給CC2530，每五分鐘存儲一次實時數(shù)據(jù)以供查詢。路由器節(jié)點PLC程序流程圖如圖4所示。

圖4路由器節(jié)點PLC程序流程圖

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3.2CC2530程序設計

CC2530內(nèi)嵌了增強型單周期指令51核心，相比傳統(tǒng)的12周期指令8051單片機，執(zhí)行速度大為提升。CC2530模塊開發(fā)可采用IAR EW8051集成開發(fā)環(huán)境，并下載安裝TI ZigBee協(xié)議棧。該集成開發(fā)環(huán)境具備C/C++編譯器，十分方便開發(fā)使用。

為了合理管理系統(tǒng)事件，ZigBee模塊軟件系統(tǒng)采用TI Z—Stack軟件架構。無線模塊開始運行后，系統(tǒng)設備進行初始化，然后Z—Stack開始執(zhí)行，輪詢事件以快速響應。在通信網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器主要負責建立網(wǎng)絡和維護網(wǎng)絡，并接收網(wǎng)絡信息。整個協(xié)調(diào)器程序流程如圖5所示。其中節(jié)點處理請求包括了節(jié)點的入網(wǎng)請求和數(shù)據(jù)傳送請求。

圖5CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖

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路由器在總體的任務調(diào)度等方面上與協(xié)調(diào)器相似，只是少了建立網(wǎng)絡和處理節(jié)點請求的任務。對無線數(shù)據(jù)的接收處理方法無論是在協(xié)調(diào)器還是在路由器都是比較核心的部分。網(wǎng)狀網(wǎng)絡決定了數(shù)據(jù)處理方法較為復雜。路由器在接收到信息時，首先判斷是否廣播信息。對廣播信息則保存其數(shù)據(jù)并進行下一步處理，否則判斷信息目標地址是否本機。整個信息處理流程如圖6所示。

圖6CC2530路由器節(jié)點信息處理流程圖

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3.3監(jiān)測軟件設計

Winsock控件是微軟提供的windows下網(wǎng)絡編程接口，它集成了Socket技術，具備基于TCP/IP協(xié)議的接口實現(xiàn)方法。Winsock將通信相關的API封裝成一個整體，只要通過對控件相關屬性的設置和方法的調(diào)用就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。本系統(tǒng)具有多個GPRS DTU終端，數(shù)據(jù)中心要為每臺終端建立一個線程，以實時高效接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)中心服務器每次接收終端數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)包形式接收，每個數(shù)據(jù)包包括了該地點n個檢測節(jié)點的信息。以某檢測節(jié)點的數(shù)據(jù)為例，00 01 01 12 04 12 13 25 24 A3 7D 2F。其中00 01是終端機器碼；01是節(jié)點在該終端網(wǎng)絡中的節(jié)點碼；12 04 12表示12年4月12日；13 25 24表示13點25分24秒；A3表示該節(jié)點中開關量信息為10100011；7D 2F表示該節(jié)點中兩個模擬量，以FF為100%，則其值分別為49.02%和18.43%。將這些數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中，并以曲線或靜態(tài)圖形表示出來，可以給監(jiān)督執(zhí)法機關直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖7所示的節(jié)點信息查詢界面實現(xiàn)了某網(wǎng)絡中某節(jié)點信息的實時更新和歷史信息查詢，點擊實時數(shù)據(jù)，界面將顯示當前節(jié)點信息，包括開關信號和模擬信號。在相應信號指示器上點擊，可以在曲線框中顯示一個小時內(nèi)的曲線變化。顯示數(shù)據(jù)部分表示當前正在顯示的數(shù)據(jù)信息，包括時間和信號量。通過設置歷史時間可以查詢歷史信息。

圖7某節(jié)點信息的用戶界面

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4結語

本文利用CC2530 ZigBee模塊、西門子S7—200 CPU 224XP CN、GPRS DTU數(shù)據(jù)通信和VB6.0 Winsock控件，成功實現(xiàn)了自組網(wǎng)的遠程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計。本設計對已在佛山市南海環(huán)保局運行的上一代采集儀提出了有參考意思的升級更新思路，使采集儀自身能夠無線組網(wǎng)，擴大應用范圍，降低通信等持續(xù)投資的費用，對其他監(jiān)控系統(tǒng)的設計也能起一定的參考意義。

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