基于PLC和ZigBee的温室群集控系统的设计与应用

杨蕊 李勇伟 赵慧芳

摘要 针对某地温室群环境参数调控水平落后、自动化程度低、物理位置分散、无法集中集控等问题，设计了一套基于PLC和ZigBee无线网络的温室群集控系统，实现了温室群环境参数的自动调控和集中监测管理。介绍了温室群集控系统架构、硬件组态以及通过PLC自由口和ZigBee进行无线扩展的软件实现原理和方法，并给出部分软件的编程实现。调试和现场应用结果表明：该系统设计合理、数据传输可靠，各项监控功能正常，可满足设施农业温室群的集中控制要求，提高了生产效率，也为提高设施农业的生产管理水平和发展智慧农业提供了参考和借鉴。

关键词 PLC；ZigBee；自由口通信；集控系统；智慧农业

中图分类号 S126；TP277 文献标识码 A

文章编号 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

目前设施农业温室大棚普遍存在环境参数调控水平落后、生产设施依赖人工操作、自动化程度低等问题，严重制约了温室大棚生产效率和经济效益的提高，且温室大棚具有占地面积大，温室内检测及控制点多，温室間施工布线难、维护成本高，有线通讯对设备节点变化的适应性较差等特点。为解决上述问题，笔者设计了一套基于PLC和ZigBee无线传输网络的温室群集控系统，旨在实现温室群的分散控制和集中监测管理。

1 系统硬件设计

1.1 系统架构

系统由温室内现场控制、温室间无线传输、总控室集中监控3部分组成（图1）。

温室现场控制以西门子S7-200PLC与HMI组态控制技术相集合实现温室现场环境参数的本地自控或人工调控；在温室间无线传输方面，利用西门子PLC自由口通信编程、ZigBee无线网络技术，为数据的传输交互提供桥梁；总控室可集中监控现场所有温室的环境参数及设备状态，同时上位机可将温室某个环境因子的设定值通过ZigBee无线传输方式写入现场PLC寄存器中，实现温湿度和其他环境因子的远程调控，达到温室群网络化、集约化的管理目的。

通过基于Android系统的温室监控APP应用软件及相应的权限开放构建移动端的远程监控系统，使得温室作业人员和管理人员能够在移动设备上查看温室内作物生长的实时环境信息，并通过远程数据的设定实现对温室环境参数的远程监测和连锁控制，构建一个适宜作物繁育、生长的生态环境，达到无人值守或者少人值守[1]。

1.2 PLC硬件组态（图2）

西门子S7-200PLC CPU224XP 具有14个DI、10个DO、2个AI、1个AO；CPU224XP具有双通讯口，均是9针微型连接器，与RS485兼容。统计温室现场数字量输入输出点数及现场执行器（加热器、水泵、电机等）数量及控制要求，每个温室选用2块S7-200PLC CPU224XP模块构成多主从模式即可满足系统控制要求。

为实现温室内风机等设备的线性调节，将2个PLC分别扩展一块具有4个AO点的EM232模拟量输出模块来进行输出控制。温室内需检测的温度信号点位多，通过扩展模拟量模块进行采集成本较高，因此选择模拟量采集模块T903进行温度的集中采集。检测温室内土壤湿度、二氧化碳浓度、光照强度的智能仪表需要开放RS485通信协议，因此将T903、智能仪表及2号PLC通过RS485总线连接后作为1号PLC的从站构成主从站系统。现场人机交互HMI选用CORTEK AT7101EP触摸屏，使用其自带的COM1通讯端口与现场2#PLC PORT1自由口连接构成主从系统，作为2#PLC的从站。

温室环境参数的稳定可控对作物植株的长势及产量有着最直接的影响，环境温湿度、二氧化碳浓度及光照强度等参数稳定在适宜的范围内是农作物生长不可或缺的外在条件。

现场传感器实现环境空气温湿度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数的现场采集，将物理上分散的数据通过模拟量采集模块或智能仪表动态采集实时上传至PLC中。PLC将采集值与设定值比对运算后的输出为现场加热器、水流开关、通风风扇、遮阳网、保温被等执行机构实现开关或模拟量调节控制[2]，达到温室大棚内各个环境参数的自动调整，再通过现场总线的ZigBee无线网络扩展将采集到的信息集中传输至上位机中，从而达到温室大棚自动化和科学化生产的目标。系统包括本地手动控制、本地自动控制和远程自动控制3种：本地手动控制在系统调试或检修时使用，操作本地控制柜上的开关按钮即可完成控制功能；通过现场触摸屏或上位机组态软件可实现本地或遠程自动控制[3]。

1.3 ZigBee无线网络结构

在大型的温室群现场，各温室物理位置分散、温室间距离较远且长距离布线造成施工和维护成本较高、有的温室间受环境条件限制不具备布线的条件，这些问题对各温室间的网络互联提出了新的要求，采用无线传输技术实现集中监控就显得尤为重要。

西门子S7-200CPU具有自由口通信能力，基于RS485硬件基础，实现自定义通信协议的控制方式。借助自由口通信模式，构建S7-200CPU之间的ZigBee网络无线数据传输网络，实现温室群现场有线传输和无线传输相结合的数据传输。

ZigBee网络与传统的网关法相比，具有转换延时低的优点，能满足PLC与上位机通讯的时序要求。

ZigBee有多种组网方式，常见的有树形网、星形网、Mesh网。Mesh网络具有自组织、自管理特点；在路由节点拥塞时，可自动跳到非拥塞路由节点；具有较强的集成性，可通过协调器桥接到其他网络设备[4]。因此，可以利用ZigBee无线模块构建Mesh网络，实现一对多的通信系统[5]。ZigBee网络由协调器、路由器和终端设备构成（图3），协调器与集中监控室主站PLC PORT1口相连，负责组建网络并完成数据指令的收发[6]，实现了真正的实时监控、稳定运行。

2 系统软件设计

2.1 PLC控制程序设计

PLC程序采用西门子STEP7-MICROWIN编程软件开发，综合运用梯形图语言和功能块来编写[7]，实现系统程序初始化、自由口通讯、现场数据采集、参数值计算、执行环境参数控制策略和控制信号的输出等功能。程序首次运行时默认环境参数高限值和低限值的设定工作可主要由初始化过程完成。模拟量采集与处理过程主要是将采集到的4～20 mA标准电流信号，经模拟量输入滤波，消除干扰抑制波动后，线性换算成PLC中对应值范围为6 400～3 2000的数字量[8]。

温室控制决策功能是依据温室内种植作物的个性需求，将温湿度的目标参数设置为不同的值。部分环境参数控制子程序采用滞环PID控制策略，PLC将传感器采集的实时数据与上位机软件设置的目标值进行比较运算，然后执行编制好的控制程序，通过输出值控制对应的设备来调节温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境信息。

设备控制子程序综合依据环境参数控制子程序的运行结果、行程开关的反馈状态和上位机下达的命令，最终得出执行机构的控制命令。依据设定的参数高高限值、高限值、低限值和低低限值，自动控制执行机构的启停，使环境参数保持在设定的范围内。例如，在加热操作过程中，当空气温度下降到设定的低限值以下时，开启加热器；当空气温度上升至高限值时，关闭加热器[9]。

2.2 通信协议设计

西门子PLC自由口和ZigBee节点具有可编程的特点，因此可采用自定义的方式进行通信协议的编程[10]。S7-200CPU通信端口是半双工通信口，发送和接收数据不能同时进行，且每次只允许1个从站与主站通信。该设计中采用PPI主从协议，将集中监控室的PLC作为主站、温室现场控制箱中的1号PLC作为从站，对网络中所有的PLC从站进行网络地址编码，这样不仅有利于主站对从站进行设备寻址，也可便利地进行网络扩容。以从站PLC接收数据为例，PLC接收到节点发来的起始位，首先确认是否是通信协议规定的值，直至验证通过后再对收到的数据进行加和校验，即将接收到的所有指令协议加和，若PLC接收校验位与最终加和的低8位相同，则证明接收到的数据正确未丢包，否则表示数据丢包或传输出错，PLC将本组数据全部丢弃[11]；确认正确后PLC可根据指令类型和指令数据位动作；最后接收到结束字符是通信协议的停止位0x0A，表示本段指令的接收结束。

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口接收中断

LD SM0.0

RCV VB100，0

Port0口发送初始化

LD SM0.0

MOVB 16JHJ09，SMB30

MOVB 250，SMB34

ATCH INT_1：INT1，10

ENI

XMT VB150，03

系统通信程序具体流程见图4。

2.3 上位機监控设计

上位机监控不仅具备温室环境参数信息显示的功能，便于温室作业人员和管理人员实时查看当前环境信息，而且具有自动生成报表功能，可满足后期的历史查询与数据分析（图5）。

对传感器无法自动采集的信息，可利用上位机管理系统或者手机APP完成信息的手工录入。运用SQL Server数据库为后台的数据管理提供支持，以实现对温室作物生长环境参数的统计、分析、报表生成以及作物生理生态信息、农药信息、肥料信息的录入、修改与提醒等操作[12]。对历史数据的查询和云端提取计算，可进一步提升农作物的质量和产量。

当现场控制与上位机监控系统设计完成后，环境参数的分级告警设计也是必不可少的[13]。当某项参数值超过系统预先设定的报警值时，系统将会按照设计输出声光报警信息，提醒操作站人员检查出现异常的原因，避免因为设备故障等对农业生产造成不利影响。

3 结论

基于PLC和ZigBee无线传输的温室群集中监控系统，实现了对温室群的远程监控、集中管理。该系统组网简单、方便，性价比高，在某地的生产试验中达到了预期的各项指标，实现了温室小环境的稳定调节，保障农作物始终处在最适宜的生长环境下，不仅为温室的高效生产提供了保障，也为发展智慧农业提供了参考和借鉴。

参考文献

[1] 徐正华.基于Android系统的温室环境监控APP研究与开发[D].洛阳：河南科技大学，2015.

[2] 徐小童.基于PLC的温度控制系统设计探析[J].电子测试，2016（19）：36-37.

[3] 李勇伟，张国钧，杨蕊.PROFIBUS-DP和MPI在中央空调控制系统中的应用[J].电气应用，2014（6）：64-67.

[4] 尚珵.基于ZigBee网络的数据播发传输系统研究[J].信息技术，2018，42（10）：131-136.

[5] 关新平，闫文凯，袁亚洲，等.PLC自由口模式下的工业无线监控系统设计[J].自动化仪表，2012，33（7）：66-68，72.

[6] 王鹏.基于无线传感器网络技术的博物馆环境监测系统的设计及实现[D].北京：中国科学院大学（工程管理与信息技术学院），2015.

[7] 艾辉，张海鸥，王桂兰.PLC与IPC实现机器人7轴成形系统工作台的自动控制[J].电气传动，2005，35（8）：47-49，53.

[8] 李勇伟.平朔生活区热交换站监控系统的设计[D].太原：太原理工大学，2014.

[9] 韩毅.基于物联网的设施农业温室大棚智能控制系统研究[D].太原：太原理工大学，2016.

[10] 黄沈磊.基于ZigBee的自组网无线路灯控制系统研究与设计[D].苏州：苏州大学，2010.

[11] 闫文凯.基于WSN的工业无线监控系统设计与实现[D].秦皇岛：燕山大学，2012.

[12] 李兴泽，王福平.基于物联网的农业大棚智能管控系统[J].江苏农业科学，2018，46（1）：181-183.

[13] 赵江武.温室能耗与作物产量预测研究及Android监测系统设计[D].杭州：浙江工业大学，2016.