基于PLC和GSM的家庭智能澆花系統設計

黃愛誼 范苑濱 劉祝威 梁紅芳 梁碧怡 溫龍輝 廖曉楓 崔寧

摘? ?要：針對家庭生活中人們養護花卉植物的實際需求，借助物聯網技術，將PLC控制技術、傳感器技術、GSM通信技術等技術手段進行整合，實現對花卉植物的全自動澆灌管理以及手機遠程實時監控。

關鍵詞：PLC? GSM? 澆花? 智能? 控制系統

隨著人們生活質量的提高，很多人都喜歡在家里種植一些花卉植物或蔬菜，不但可以為家庭增添生活色彩，又能凈化空氣，或者提供原生態的蔬菜，使人們更健康的生活。但是這些花卉植物的養護卻需要花費很多的心思，尤其是有些對于水分要求還比較嚴格。同時，隨著現代生活節奏的加快，因為出差、旅行、工作忙碌等原因，很多人不能及時為家中的花卉植物等補充水分，導致花卉植物等因為缺水而枯萎，特別是有些觀賞植物還比較名貴，價格不菲，也將給人們帶來不必要的損失。因此，人們希望能夠借助一些自動裝置來替代人工完成澆花任務。目前市面上的澆花系統大多是針對大范圍花卉植物的噴淋澆水，不適用于家庭，而且這些系統大多是采用單片機、WiFi（Wireless-Fidelity）等進行現場或近距離控制方式，無法實現長遠距離的實時監控。本課題擬依托物聯網技術，利用PLC（可編程序控制器，Programmable Logic Controller）和GSM（全球移動通信系統，Global System for Mobile Communications）等技術手段及相關平臺，研制一套既可以實現完全的自動控制，又可通過手機進行遠程實時監控的自動澆花系統，使得人們無論身處何地，只要有網絡通信覆蓋的地方，就可以對家中的花卉植物進行精心的照料。

1? 家庭智能澆花系統介紹

如圖1所示，家庭智能澆花系統主要由供電單元、儲水單元以及自動澆灌單元等三部分組成。供電單元主要由太陽能電池板、太陽自動跟隨裝置以及電能轉換與儲存裝置組成，用于對整個系統的獨立供電，同時也可實現節電;儲水單元主要包括儲水裝置、雨水收集裝置、電磁閥及傳感器等組成，可通過手動或自動控制開關的切換實現上水儲水或收集雨水儲水兩種方式的切換，為系統澆灌供水，同時也可實現節水;自動澆灌單元主要由PLC、觸摸屏、GSM通信模塊、各類傳感器、電磁閥及控制線路、水路等組成，主要實現自動澆灌及遠程監控功能。上述各單元之間采用標準電氣接口連接，同時在功能上又相對獨立。在實際應用時，自動澆灌單元是系統的核心必備單元，其他兩個單元可根據實際需求靈活選配。下面重點介紹自動澆灌單元。

1.1 自動澆灌單元組成原理

自動澆灌單元主要由硬件系統和控制軟件組成，其中硬件部分（圖2）主要由PLC、GSM通信模塊、觸摸屏、手機、各類傳感器和電磁閥等組成，控制軟件根據用戶需求協調控制自動澆灌過程。PLC作為硬件系統的控制核心，一方面負責GSM通信模塊與PLC之間的數據傳輸，以及對GSM通信模塊中的短信息進行解釋;另一方面，根據短信息的內容解析出的指令，輸出控制信號，控制電磁閥等執行部件動作，完成對花卉的自動澆灌，同時更新數據緩沖區中的狀態數據以備查詢。GSM通信模塊主要負責提供數據傳輸的通道，借助GSM通信網絡，實現用戶手機與自動澆灌單元之間的通信，完成控制數據和反饋數據的傳送。觸摸屏作為人機界面，可以方便用戶現場操控完成對花卉的澆灌控制，或者對相關參數進行設置。雨水傳感器、濕度傳感器等傳感器用于感知天氣、土壤狀態并發送給PLC。

本自動澆灌單元工作過程為：PLC通過雨水傳感器、濕度傳感器等定時獲取天氣、土壤狀態，并將數據儲存到數據緩沖區，再通過控制程序對外界狀態進行綜合分析判斷，針對事先通過程序確定的不同的控制策略對花卉進行自動澆灌控制。

當用戶在外想了解家中花卉植物土壤濕度及澆灌狀態時，可以通過手機將狀態查詢信息發送給GSM通信模塊中的SIM卡電話號碼，當GSM通信模塊接收到該短信息時，PLC即可立刻查詢到GSM通信模塊中的新短信息，并向GSM通信模塊發送AT指令代碼讀取短信息內容，并將數據緩沖區中所儲存的花卉植物土壤濕度及澆花狀態數據以短信息格式反饋給用戶手機。當系統每次完成對花卉進行自動澆灌后，也會將相關數據儲存在PLC的數據緩沖區中，再通過GSM通信模塊以短信息格式發送到用戶手機，使用戶可以實時了解花卉的澆灌情況。同樣，當用戶在外想通過系統直接對花卉植物進行澆灌時，可根據預定格式將短信息數據發送給GSM通信模塊中的SIM卡電話號碼，數據被PLC獲取后，經過格式識別，判斷澆灌的要求，發出控制指令，完成對花卉的澆灌，同時儲存澆灌狀態數據，并通過GSM模塊反饋到手機進行確認。

1.2 自動澆灌單元控制方式

針對系統應用的場合及控制需要不同，設計了如下幾種控制方式：

（1）手動和自動控制功能。考慮到系統的可靠性、靈活性和經濟性，系統設計了手動和自動兩種控制功能，具體通過轉換開關或觸摸屏觸控面板操控實現手動和自動方式切換。

（2）在自動控制方式下又可分為現場控制和遠程控制。如客戶在家里，可同時采用現場控制方式和遠程控制方式;如客戶在外，可通過手機采用遠程控制方式。

（3）雨天停止澆灌功能。針對花卉及澆花系統的布置位置不同，可設定為雨天停止/保持澆灌功能。如果在露臺種養花卉，可以設置雨天停止澆灌;如果在室內種養花卉，則設置為雨天保持澆灌。

1.3 自動澆灌單元主要器件選型

（1）PLC選型。本系統選用三菱FX2N系列小型PLC，該系列具有基本單元具有16/32/48/64/80/128點，具有微型化和高運算速度，性價比高。根據本系統的實際需要，選用FX2N-32MR-001型號的PLC，其輸入/輸出總點數為32點，其中輸入/輸出點數各16，輸入形式為漏型，輸出形式為繼電器輸出。

（2）GSM模塊選型。GSM模塊選用SIEMENS公司推出的TC35i模塊，該模塊符合ETSI標準的GSM 7.07和GSM 7.05。TC35i模塊為用戶提供標準的AT命令接口，可穩定、安全、快速的傳輸數據、語音、短消息等信號。TC35i模塊的接口協議公開，可滿足各種用戶開發、設計和應用的需求。當GSM 模塊接收到短信息時，PLC就會向GSM 模塊寫入命令控制字，GSM模塊通過串口向PLC發送短信數據。反之，PLC要向用戶發送消息時，PLC會先通過串口發送數據給GSM 模塊，GSM 模塊再將信息數據發送至用戶的手機。

（3）觸摸屏選型。系統對觸摸屏要求不高，且為可選部件，用戶只要能夠方便的進行簡單的參數設置或指令發布即可。因此，選用MCGS昆侖通態7寸觸摸屏，型號為TPC7062TX。該產品設計采用7英寸高亮度TFT液晶顯示屏，四線電阻式觸摸屏，預裝MCGS嵌入式組態軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數據處理功能，具有較高性價比。

（4）傳感器及電磁閥選型。綜合考慮系統需求及性價比，雨水傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及電磁閥均盡量采用通用型號。雨水傳感器選用SSM-002型雨滴傳感器，通過開關量輸出送入PLC控制信號。溫濕度傳感器采用SHT30溫濕度傳感器模塊，由PLC通過其AD轉換模塊采集數據。電磁閥采用DC24V供電有壓常閉型通用型電磁閥。

1.4 自動澆灌單元軟件設計

自動澆灌單元的工作流程如圖3所示，系統采用定時查詢方式工作。系統上電后，PLC要完成數據緩沖區的定義，PLC與GSM通信模塊之間的RS-232串口波特率等參數設置，并完成對數據緩沖區的初始化工作。所有初始工作完成后，通過依次查詢GSM短信模塊、雨水傳感器、溫濕度傳感器等，獲取相關控制指令或狀態數據，進行判斷，再執行相應的控制程序。

2? 自動澆灌系統特點

（1）系統功能全面，配置與應用靈活。系統涵蓋供電、儲水和自動澆灌功能，功能全面。在實際應用時，自動澆灌單元是系統的核心必備單元，而供電電源和儲水單元可根據客戶實際需求靈活選配，具有一定的應用靈活性。系統還設計預留有標準電氣和水路接口，方便根據客戶實際需求配置控制點數，即通過采用多點布置傳感器及多路灌溉水路，可對不同類別及需求的花卉植物進行精細化灌溉管理，而傳感器及灌溉水路的布點數又可根據客戶的需求靈活增減。

（2）系統操控的靈活性和人性化。系統除可以完成全自動、智能化、精細化的澆灌外，還可通過手機對其實施監控，擴展了系統控制和應用的空間與靈活性。通過觸摸屏，客戶還可直觀、方便靈活的設置系統的相關參數，體現了系統操作的人性化。

（3）系統主要采用PLC控制技術，開發便捷，升級和擴展能力強。系統采用PLC作為主控制器，與以單片機或嵌入式芯片作為主控制器開發的系統相比較，具有一定的技術優勢，系統開發簡單快捷，穩定性和抗干擾能力強，系統功能和規模升級、功能擴展能力強，后續還可方便的在其基礎上，以PLC為主控制器，實現智能家居控制。

3? 結語

針對家庭生活中人們養護花卉植物的實際需求，通過整合PLC、GSM及傳感控制技術，開發了一種自動澆灌系統，可對花卉植物進行精細化的澆灌管理，方便人們的生活。如在本系統基礎上進一步開發，以PLC為控制核心，進行功能拓展，還可實現智能家居控制或更大范圍的園藝種植智能澆灌管理。

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