基于WSN和PLC的遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

宋偉偉 李明 楊艷娟

摘要針對傳統(tǒng)溫室環(huán)境監(jiān)控存在的地域、距離限制以及監(jiān)控系統(tǒng)布線冗雜、數(shù)據(jù)時延性等問題，設(shè)計基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和可編程控制器（PLC）的溫室監(jiān)控系統(tǒng)。首先以CC2530芯片為核心，搭建了基于ZigBee的星型拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。然后設(shè)計WSN與PLC的通信協(xié)議，實現(xiàn)環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的實時動態(tài)傳輸。最后，提出PLC現(xiàn)場控制的溫濕度模糊控制策略，以應(yīng)對溫室控制的強(qiáng)非線性。該系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，溫室數(shù)據(jù)實時遠(yuǎn)程發(fā)布，為物聯(lián)網(wǎng)和PLC現(xiàn)場控制系統(tǒng)融合提供了一種有效途徑。

關(guān)鍵詞溫室;WSN;PLC;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2019）02-0246-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.072

智能溫室是近年來逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型、環(huán)境友好型設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)，其保留了溫室傳統(tǒng)功用，使培植作物不受或少受惡劣氣候的影響，促進(jìn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，又極大地提高了溫室管控的科學(xué)性，減少勞力付出[1]。PLC作為一種可編程軟性控制器，改變程序即可改變工作邏輯，憑借體積小巧、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點被大量應(yīng)用于智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)中。許多實際應(yīng)用中均以PLC作為溫室系統(tǒng)的下位機(jī)控制器，依據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)實時驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改善溫室環(huán)境[2-4]。陳立定等[5]則在PLC系統(tǒng)中接入網(wǎng)關(guān)GPRS模塊，以實現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端發(fā)布。

WSN即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種短距離分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)末梢連接用以感知環(huán)境的傳感器并能彼此無線通信。其中ZigBee技術(shù)是WSN領(lǐng)域內(nèi)較為流行成熟的技術(shù)[6]，具有功耗低、容量大、可靠安全等特點。WSN在智能家居[7]、醫(yī)療護(hù)理、災(zāi)害監(jiān)控等領(lǐng)域[8]廣泛應(yīng)用，目前，WSN已逐漸被應(yīng)用在溫室監(jiān)控，主要用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集，使傳感器具有較大的自由度和可移動性，擺脫了有線連接的限制[9-10]。

筆者采用以微處理器為核心的計算機(jī)集散監(jiān)控模式，引入模糊控制策略和基于ZigBee的WSN，以搭載了人機(jī)交互界面的PC作為遠(yuǎn)端監(jiān)控的上位機(jī)。該系統(tǒng)設(shè)計具有良好的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和魯棒性，傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，解決了溫室內(nèi)布線復(fù)雜、線材腐蝕問題。溫室數(shù)據(jù)時時遠(yuǎn)程發(fā)布，打破了監(jiān)控距離的限制，為物聯(lián)網(wǎng)和PLC現(xiàn)場控制系統(tǒng)融合提供了一種有效途徑。

1溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計整體架構(gòu)

溫室監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)分為3層：物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層（圖1）。

物理層由WSN、下位機(jī)主控器PLC和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。WSN基于ZigBee技術(shù)將多個節(jié)點搭建成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸信息從而實現(xiàn)“范在”傳感。PLC依據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實時改善溫室環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò)層是通過GPRS模塊提供的無線遠(yuǎn)程通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將采集到的環(huán)境因子和執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作情況高速迅捷地傳至遠(yuǎn)端。

應(yīng)用層的上位終端搭載人機(jī)交互界面，移動終端可主動查詢溫室數(shù)據(jù)和接收自動報警，從而實現(xiàn)對PLC工況和溫室環(huán)境的全面監(jiān)控。

溫室監(jiān)控系統(tǒng)運作流程見圖2。

終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線雙向通訊，多組終端節(jié)點利用布置在其上的傳感器周期性收集環(huán)境數(shù)據(jù)，無線射頻模塊將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器的射頻天線。協(xié)調(diào)器作為WSN感知層的樞紐，匯集信息后通過串口打印方式輸出數(shù)據(jù)與PLC進(jìn)行串口通信，RS233/RS422轉(zhuǎn)化模塊，將其轉(zhuǎn)化為可被PLC識別的協(xié)議。

PLC作為下位機(jī)的主控器，一方面依據(jù)模糊控制策略和預(yù)設(shè)的參數(shù)值驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改善溫室環(huán)境，另一方面將收集的原始環(huán)境數(shù)據(jù)并加上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動情況通過串口發(fā)送至GPRS網(wǎng)關(guān)，并令其以GPRS模塊以寬頻移動數(shù)據(jù)的形式發(fā)送至搭載有組態(tài)軟件的PC機(jī)監(jiān)控端數(shù)據(jù)庫。用戶可通過上位機(jī)查看圖形化實時信息、歷史數(shù)據(jù)、執(zhí)行器工作狀況、故障報警并可以手動自動模式切換，允許用戶介入實施補(bǔ)償動作。用戶可以在脫離上位機(jī)的情況下使用移動終端主動查詢溫室數(shù)據(jù)，從而保證遠(yuǎn)距離監(jiān)控溫室環(huán)境和機(jī)構(gòu)工作情況的設(shè)計目的。

2溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)是溫室監(jiān)控系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，支撐著溫室系統(tǒng)的正常運作和功能實現(xiàn)。由于溫室內(nèi)小氣候的復(fù)雜多變，長期高溫高濕的極端環(huán)境，都對監(jiān)控硬件的精確性、可靠性、耐久性提出了更高的要求。

2.1WSN數(shù)據(jù)采集

WSN采用基于ZigBee技術(shù)的短距離無線通信技術(shù)。其特點是短距離、低功耗、低復(fù)雜度、自組織、低傳輸速率，易于嵌入多種設(shè)備。ZigBee的技術(shù)特性決定它是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。ZigBee無線通信核心部分采用TI公司推出的SOC芯片CC2530，使用三端穩(wěn)壓芯片SC1033提供3.3 V供電電壓。該芯片是真正的片上系統(tǒng)解決方案，僅需少許外圍電路即可實現(xiàn)信號收發(fā)。

培植作物受諸多環(huán)境因子的影響。溫濕度是作物生長過程中最為重要的影響因子，且在溫室的密閉空間內(nèi)二者還存在一定程度的相互耦合。光照是作物生長的必要條件，直接決定作物是否進(jìn)行光合作用及進(jìn)程的強(qiáng)弱。根據(jù)植物生理特性、溫室氣候特征并結(jié)合傳感器成本、量程、精度等因素選用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11和光強(qiáng)傳感器BH1750。DHT11以單總線輸出連接至終端節(jié)點CC2530的P0_7，BH1750以I2C總線連接P0_6、P0_5。

2.2控制執(zhí)行設(shè)備

控制設(shè)備選用可編程邏輯控制器PLC。PLC具有可靠性高、體積小巧、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，而且是一種軟性系統(tǒng)，改變程序即可改變控制邏輯，以達(dá)到不同的溫室環(huán)境效果，為該溫室控制系統(tǒng)的普適性提供可能。

PLC既要求能單獨執(zhí)行控制功能，又需具備一定的通訊能力以“上達(dá)下聽”。西門子S7-200 224XP CN是一款業(yè)內(nèi)流行的PLC，具備兩路RS-485通信接口，符合設(shè)計要求。該PLC還具備14入/10出的開關(guān)量I/O口，及2入/1出的模擬量I/O，以及實時時鐘，該PLC滿足通信和數(shù)據(jù)采集需求，且具備足夠的擴(kuò)展性。

PLC加裝RS232/RS485轉(zhuǎn)化模塊，用以232協(xié)議和485協(xié)議的轉(zhuǎn)化，將ZigBee協(xié)調(diào)器收集到的數(shù)據(jù)通過串口傳至PLC。PLC的另一RS-485通訊端口可直接與專業(yè)的GPRS網(wǎng)關(guān)模塊通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)端發(fā)布和接收遠(yuǎn)端用戶指令。

2.3網(wǎng)關(guān)通訊設(shè)備

廣域網(wǎng)關(guān)通訊模塊采用廣州巨控PLC專用GPRS DTU。該模塊通用分組無線業(yè)務(wù)，利用公用運營商GPRS網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能。提供RS485接口，可直接連接串口設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。GPRS DTU模塊采用工業(yè)級高性能嵌入式處理器，抗干擾強(qiáng)，傳輸穩(wěn)定。支持各種復(fù)雜協(xié)議，如歐姆龍、三菱、西門子PPI等，多包并發(fā)采集，智能壓縮技術(shù)，相對透傳GPRS降低50%流量。

3溫室控制的軟件設(shè)計

3.1PLC的模糊控制策略設(shè)計

溫室控制具有滯后性、非線性、耦合等特點，為避免系統(tǒng)失控，引入模糊控制策略。模糊控制是以專家經(jīng)驗為指導(dǎo)，不需精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，具有魯棒性和適應(yīng)性。

溫室系統(tǒng)中較難控制的有溫度和濕度2項環(huán)境因子，該系統(tǒng)以溫度為例，將其作為被控對象，設(shè)計模糊控制器。系統(tǒng)設(shè)計的模糊控制器選取雙輸入單輸出的方式，故稱之為二維模糊控制器。確定溫度偏差e和溫度偏差變化率ec作為輸入變量，并確定u為控制器的輸出變量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運作改善室內(nèi)環(huán)境。溫室監(jiān)控系統(tǒng)模糊控制策略示意見圖3。

該系統(tǒng)運用博圖V13軟件編寫溫度模糊控制程序，濕度的模糊控制過程與溫度類似，在此不再贅述。溫室內(nèi)光照強(qiáng)度通過采集值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)額定值相比較的形式來決策和判斷，進(jìn)而驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)改善溫室環(huán)境。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2019年

3.2WSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

WSN網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建，運行 ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack使用瑞典公司IAR開發(fā)的IAR Embedded Worbench for MCS.51作為其集成開發(fā)環(huán)境。用戶通過協(xié)議棧調(diào)度程序，使用C語言開發(fā)具體應(yīng)用，編譯成功后，使用SmartRF Flash Programmer下載到相應(yīng)的ZigBee節(jié)點設(shè)備。WSN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計主要由網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理3部分組成。

（1）協(xié)調(diào)器作為ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的樞紐，起到建立和管理網(wǎng)絡(luò)的功能。在系統(tǒng)初始化后，協(xié)調(diào)器在DEFAULT_CHANLIST_LIST的里掃描默認(rèn)信道集并選擇噪聲最小的通道作為所建的網(wǎng)絡(luò)信道。采用ZDAPP_CONFIG_PAN_ID參數(shù)指定網(wǎng)絡(luò)編號PANID。在參數(shù)配置好后，調(diào)用ZDO_Start_Device啟動協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點通過函數(shù)NLME_NetworkDiscoveryRequest（）掃描發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器所建網(wǎng)絡(luò)，掃描結(jié)果由ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB（）函數(shù)返回并調(diào)用NLME_OrphanJoinRequest（）函數(shù)加入網(wǎng)絡(luò)。

（2）傳感節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器后通過協(xié)議棧的OSAl將數(shù)據(jù)封裝成一個消息并置于消息隊列中。通過AF_INCOMING_MSG_CMD標(biāo)識收到新數(shù)據(jù)的消息ID。當(dāng)需要從消息隊列中得到消息時，調(diào)用MSGpk=（afIncomingMSGPACKET_t*）osal_msg_receive（GeneriAPP_TaskID）函數(shù)。

（3）協(xié)調(diào)器需要通過串口與PLC進(jìn)行交互，因此協(xié)調(diào)器代碼需要包括串口初始化和串口接受數(shù)據(jù)的處理。串口初始化使用Init UART（void）函數(shù)，初始化函數(shù)中uartConfig.baudRate=Hal_UART_BR_9600，將波特率設(shè)置為9 600，PLC需與其一致。

當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點無線數(shù)據(jù)AF_INCOMING_MSG_CMD時，調(diào)用函數(shù)GenericAPP_MessageMSGCB（）將接收到的數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給PLC。函數(shù)GenericAPP_MessageMSGCB（）部分代碼實現(xiàn)：

3.4上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)搭載組態(tài)軟件實現(xiàn)PLC的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以修改PLC數(shù)據(jù)，查看溫室環(huán)境數(shù)據(jù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作情況、歷史數(shù)據(jù)報表等。該系統(tǒng)使用WINCC組態(tài)，支持OPC，無需固定IP和任何端口映射。

上位機(jī)安裝巨控OPCSERVER，使用OPC管理器配置監(jiān)控端，將網(wǎng)關(guān)變量更新到本地OPC服務(wù)器。使用WINCC組態(tài)軟件開發(fā)工程，將組態(tài)軟件的變量關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的OPC寄存器，這樣WINCC即可通過OPC接口從OPCSERVER訪問遠(yuǎn)程PLC變量。

4小結(jié)

該研究在智能溫室的基礎(chǔ)上，針對溫室內(nèi)多種環(huán)境因子數(shù)據(jù)實現(xiàn)采集，通過PLC預(yù)設(shè)策略實施智能調(diào)控，遠(yuǎn)端PC可通過組態(tài)界面監(jiān)控實時數(shù)據(jù)。在溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，采用了2種無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。在近端對室內(nèi)環(huán)境因子的采集采用ZigBee技術(shù)搭建了WSN，通過自組網(wǎng)的雙向無線通訊，增大了移動自由度，擺脫了有線連接的限制，解決了線材易腐蝕的問題。在遠(yuǎn)端采用GPRS DTU模塊將溫室數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)布，打破了PC和溫室一對一的監(jiān)控。溫室控制層引入模糊控制策略，使之具有較佳的魯棒性、適應(yīng)性和容錯性。同時該系統(tǒng)使用的短距離無線感應(yīng)和遠(yuǎn)距離無線傳輸方案相結(jié)合，契合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大背景。

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