基于PLC和ZigBee的溫室群集控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

楊蕊 李勇偉 趙慧芳

摘要 針對某地溫室群環(huán)境參數(shù)調(diào)控水平落后、自動化程度低、物理位置分散、無法集中集控等問題，設(shè)計了一套基于PLC和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的溫室群集控系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫室群環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)控和集中監(jiān)測管理。介紹了溫室群集控系統(tǒng)架構(gòu)、硬件組態(tài)以及通過PLC自由口和ZigBee進(jìn)行無線擴(kuò)展的軟件實現(xiàn)原理和方法，并給出部分軟件的編程實現(xiàn)。調(diào)試和現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)設(shè)計合理、數(shù)據(jù)傳輸可靠，各項監(jiān)控功能正常，可滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室群的集中控制要求，提高了生產(chǎn)效率，也為提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理水平和發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 PLC；ZigBee；自由口通信；集控系統(tǒng)；智慧農(nóng)業(yè)

中圖分類號 S126；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）09-0224-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.063

Abstract A greenhouse cluster control system based on PLC and ZigBee wireless network was designed to solve the problems of environmental parameter adjustment of a certain greenhouse group， such as backwardness， low automation， scattered physical location and centralized control， thus realizing automatic regulation and centralized monitoring management. This paper details the architecture and hardware configuration of the greenhouse cluster control system， and the software implementation principles and methods for wireless expansion through PLC free port and ZigBee， and gives some software programming. The commissioning and onsite application show that the system is reasonable in design， reliable in data transmission， normal monitoring functions， meeting the centralized control requirements of the facility agricultural greenhouses， improving production efficiency， and improving the production management level of facility agriculture and developing smart agriculture.

Key words PLC；ZigBee；Free port communication；Centralized control system；Smart agriculture

目前設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚普遍存在環(huán)境參數(shù)調(diào)控水平落后、生產(chǎn)設(shè)施依賴人工操作、自動化程度低等問題，嚴(yán)重制約了溫室大棚生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的提高，且溫室大棚具有占地面積大，溫室內(nèi)檢測及控制點多，溫室間施工布線難、維護(hù)成本高，有線通訊對設(shè)備節(jié)點變化的適應(yīng)性較差等特點。為解決上述問題，筆者設(shè)計了一套基于PLC和ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的溫室群集控系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)溫室群的分散控制和集中監(jiān)測管理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由溫室內(nèi)現(xiàn)場控制、溫室間無線傳輸、總控室集中監(jiān)控3部分組成（圖1）。

溫室現(xiàn)場控制以西門子S7-200PLC與HMI組態(tài)控制技術(shù)相集合實現(xiàn)溫室現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的本地自控或人工調(diào)控；在溫室間無線傳輸方面，利用西門子PLC自由口通信編程、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為數(shù)據(jù)的傳輸交互提供橋梁；總控室可集中監(jiān)控現(xiàn)場所有溫室的環(huán)境參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)，同時上位機(jī)可將溫室某個環(huán)境因子的設(shè)定值通過ZigBee無線傳輸方式寫入現(xiàn)場PLC寄存器中，實現(xiàn)溫濕度和其他環(huán)境因子的遠(yuǎn)程調(diào)控，達(dá)到溫室群網(wǎng)絡(luò)化、集約化的管理目的。

通過基于Android系統(tǒng)的溫室監(jiān)控APP應(yīng)用軟件及相應(yīng)的權(quán)限開放構(gòu)建移動端的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，使得溫室作業(yè)人員和管理人員能夠在移動設(shè)備上查看溫室內(nèi)作物生長的實時環(huán)境信息，并通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的設(shè)定實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和連鎖控制，構(gòu)建一個適宜作物繁育、生長的生態(tài)環(huán)境，達(dá)到無人值守或者少人值守[1]。

1.2 PLC硬件組態(tài)（圖2）

西門子S7-200PLC CPU224XP 具有14個DI、10個DO、2個AI、1個AO；CPU224XP具有雙通訊口，均是9針微型連接器，與RS485兼容。統(tǒng)計溫室現(xiàn)場數(shù)字量輸入輸出點數(shù)及現(xiàn)場執(zhí)行器（加熱器、水泵、電機(jī)等）數(shù)量及控制要求，每個溫室選用2塊S7-200PLC CPU224XP模塊構(gòu)成多主從模式即可滿足系統(tǒng)控制要求。

為實現(xiàn)溫室內(nèi)風(fēng)機(jī)等設(shè)備的線性調(diào)節(jié)，將2個PLC分別擴(kuò)展一塊具有4個AO點的EM232模擬量輸出模塊來進(jìn)行輸出控制。溫室內(nèi)需檢測的溫度信號點位多，通過擴(kuò)展模擬量模塊進(jìn)行采集成本較高，因此選擇模擬量采集模塊T903進(jìn)行溫度的集中采集。檢測溫室內(nèi)土壤濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度的智能儀表需要開放RS485通信協(xié)議，因此將T903、智能儀表及2號PLC通過RS485總線連接后作為1號PLC的從站構(gòu)成主從站系統(tǒng)?，F(xiàn)場人機(jī)交互HMI選用CORTEK AT7101EP觸摸屏，使用其自帶的COM1通訊端口與現(xiàn)場2#PLC PORT1自由口連接構(gòu)成主從系統(tǒng)，作為2#PLC的從站。

溫室環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定可控對作物植株的長勢及產(chǎn)量有著最直接的影響，環(huán)境溫濕度、二氧化碳濃度及光照強(qiáng)度等參數(shù)穩(wěn)定在適宜的范圍內(nèi)是農(nóng)作物生長不可或缺的外在條件。

現(xiàn)場傳感器實現(xiàn)環(huán)境空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)的現(xiàn)場采集，將物理上分散的數(shù)據(jù)通過模擬量采集模塊或智能儀表動態(tài)采集實時上傳至PLC中。PLC將采集值與設(shè)定值比對運(yùn)算后的輸出為現(xiàn)場加熱器、水流開關(guān)、通風(fēng)風(fēng)扇、遮陽網(wǎng)、保溫被等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)開關(guān)或模擬量調(diào)節(jié)控制[2]，達(dá)到溫室大棚內(nèi)各個環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)整，再通過現(xiàn)場總線的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展將采集到的信息集中傳輸至上位機(jī)中，從而達(dá)到溫室大棚自動化和科學(xué)化生產(chǎn)的目標(biāo)。系統(tǒng)包括本地手動控制、本地自動控制和遠(yuǎn)程自動控制3種：本地手動控制在系統(tǒng)調(diào)試或檢修時使用，操作本地控制柜上的開關(guān)按鈕即可完成控制功能；通過現(xiàn)場觸摸屏或上位機(jī)組態(tài)軟件可實現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程自動控制[3]。

1.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在大型的溫室群現(xiàn)場，各溫室物理位置分散、溫室間距離較遠(yuǎn)且長距離布線造成施工和維護(hù)成本較高、有的溫室間受環(huán)境條件限制不具備布線的條件，這些問題對各溫室間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)提出了新的要求，采用無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)集中監(jiān)控就顯得尤為重要。

西門子S7-200CPU具有自由口通信能力，基于RS485硬件基礎(chǔ)，實現(xiàn)自定義通信協(xié)議的控制方式。借助自由口通信模式，構(gòu)建S7-200CPU之間的ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)溫室群現(xiàn)場有線傳輸和無線傳輸相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)法相比，具有轉(zhuǎn)換延時低的優(yōu)點，能滿足PLC與上位機(jī)通訊的時序要求。

ZigBee有多種組網(wǎng)方式，常見的有樹形網(wǎng)、星形網(wǎng)、Mesh網(wǎng)。Mesh網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自管理特點；在路由節(jié)點擁塞時，可自動跳到非擁塞路由節(jié)點；具有較強(qiáng)的集成性，可通過協(xié)調(diào)器橋接到其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[4]。因此，可以利用ZigBee無線模塊構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)一對多的通信系統(tǒng)[5]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備構(gòu)成（圖3），協(xié)調(diào)器與集中監(jiān)控室主站PLC PORT1口相連，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)并完成數(shù)據(jù)指令的收發(fā)[6]，實現(xiàn)了真正的實時監(jiān)控、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 PLC控制程序設(shè)計

PLC程序采用西門子STEP7-MICROWIN編程軟件開發(fā)，綜合運(yùn)用梯形圖語言和功能塊來編寫[7]，實現(xiàn)系統(tǒng)程序初始化、自由口通訊、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、參數(shù)值計算、執(zhí)行環(huán)境參數(shù)控制策略和控制信號的輸出等功能。程序首次運(yùn)行時默認(rèn)環(huán)境參數(shù)高限值和低限值的設(shè)定工作可主要由初始化過程完成。模擬量采集與處理過程主要是將采集到的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，經(jīng)模擬量輸入濾波，消除干擾抑制波動后，線性換算成PLC中對應(yīng)值范圍為6 400～3 2000的數(shù)字量[8]。

溫室控制決策功能是依據(jù)溫室內(nèi)種植作物的個性需求，將溫濕度的目標(biāo)參數(shù)設(shè)置為不同的值。部分環(huán)境參數(shù)控制子程序采用滯環(huán)PID控制策略，PLC將傳感器采集的實時數(shù)據(jù)與上位機(jī)軟件設(shè)置的目標(biāo)值進(jìn)行比較運(yùn)算，然后執(zhí)行編制好的控制程序，通過輸出值控制對應(yīng)的設(shè)備來調(diào)節(jié)溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境信息。

設(shè)備控制子程序綜合依據(jù)環(huán)境參數(shù)控制子程序的運(yùn)行結(jié)果、行程開關(guān)的反饋狀態(tài)和上位機(jī)下達(dá)的命令，最終得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制命令。依據(jù)設(shè)定的參數(shù)高高限值、高限值、低限值和低低限值，自動控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟停，使環(huán)境參數(shù)保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。例如，在加熱操作過程中，當(dāng)空氣溫度下降到設(shè)定的低限值以下時，開啟加熱器；當(dāng)空氣溫度上升至高限值時，關(guān)閉加熱器[9]。

2.2 通信協(xié)議設(shè)計

西門子PLC自由口和ZigBee節(jié)點具有可編程的特點，因此可采用自定義的方式進(jìn)行通信協(xié)議的編程[10]。S7-200CPU通信端口是半雙工通信口，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)不能同時進(jìn)行，且每次只允許1個從站與主站通信。該設(shè)計中采用PPI主從協(xié)議，將集中監(jiān)控室的PLC作為主站、溫室現(xiàn)場控制箱中的1號PLC作為從站，對網(wǎng)絡(luò)中所有的PLC從站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址編碼，這樣不僅有利于主站對從站進(jìn)行設(shè)備尋址，也可便利地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。以從站PLC接收數(shù)據(jù)為例，PLC接收到節(jié)點發(fā)來的起始位，首先確認(rèn)是否是通信協(xié)議規(guī)定的值，直至驗證通過后再對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加和校驗，即將接收到的所有指令協(xié)議加和，若PLC接收校驗位與最終加和的低8位相同，則證明接收到的數(shù)據(jù)正確未丟包，否則表示數(shù)據(jù)丟包或傳輸出錯，PLC將本組數(shù)據(jù)全部丟棄[11]；確認(rèn)正確后PLC可根據(jù)指令類型和指令數(shù)據(jù)位動作；最后接收到結(jié)束字符是通信協(xié)議的停止位0x0A，表示本段指令的接收結(jié)束。

部分程序如下：

Port0口接收初始化

LD SM0.0

MOVB 16JHJ09，SMB30

MOVB 16JHJF0，SMB87

MOVB 16JHJ23，SMB88

MOVB 16JHJ0A，SMB89

MOVW +5，SMW90

MOVB 50，SMB94

ATCH INT_0：INT0，23

EN

RCV VB100，0

Port0口接收中斷

LD SM0.0

RCV VB100，0

Port0口發(fā)送初始化

LD SM0.0

MOVB 16JHJ09，SMB30

MOVB 250，SMB34

ATCH INT_1：INT1，10

ENI

XMT VB150，03

系統(tǒng)通信程序具體流程見圖4。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)控不僅具備溫室環(huán)境參數(shù)信息顯示的功能，便于溫室作業(yè)人員和管理人員實時查看當(dāng)前環(huán)境信息，而且具有自動生成報表功能，可滿足后期的歷史查詢與數(shù)據(jù)分析（圖5）。

對傳感器無法自動采集的信息，可利用上位機(jī)管理系統(tǒng)或者手機(jī)APP完成信息的手工錄入。運(yùn)用SQL Server數(shù)據(jù)庫為后臺的數(shù)據(jù)管理提供支持，以實現(xiàn)對溫室作物生長環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計、分析、報表生成以及作物生理生態(tài)信息、農(nóng)藥信息、肥料信息的錄入、修改與提醒等操作[12]。對歷史數(shù)據(jù)的查詢和云端提取計算，可進(jìn)一步提升農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。

當(dāng)現(xiàn)場控制與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計完成后，環(huán)境參數(shù)的分級告警設(shè)計也是必不可少的[13]。當(dāng)某項參數(shù)值超過系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的報警值時，系統(tǒng)將會按照設(shè)計輸出聲光報警信息，提醒操作站人員檢查出現(xiàn)異常的原因，避免因為設(shè)備故障等對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響。

3 結(jié)論

基于PLC和ZigBee無線傳輸?shù)臏厥胰杭斜O(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫室群的遠(yuǎn)程監(jiān)控、集中管理。該系統(tǒng)組網(wǎng)簡單、方便，性價比高，在某地的生產(chǎn)試驗中達(dá)到了預(yù)期的各項指標(biāo)，實現(xiàn)了溫室小環(huán)境的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，保障農(nóng)作物始終處在最適宜的生長環(huán)境下，不僅為溫室的高效生產(chǎn)提供了保障，也為發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)提供了參考和借鑒。

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