李 路，何新霞，孔祥飛，李 旋

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

基于PLC與ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李 路，何新霞，孔祥飛，李 旋

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

環(huán)境監(jiān)測點位具有分布范圍廣、點位多等特點，建立一套基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)環(huán)境要素的在線監(jiān)控，對及時掌握環(huán)境狀況及有效控制環(huán)境污染的擴散有著直接而重要的作用;以CC2530芯片為核心構(gòu)建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并通過主控制器PLC將采集的數(shù)據(jù)進行分析與處理;利用主協(xié)調(diào)器及PLC將接收的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至上位機進行實時顯示，由監(jiān)控平臺，結(jié)合紅外收發(fā)器完成對外部設(shè)備的遠程控制;上位機采用Wincc組態(tài)軟件，結(jié)合西門子精智面板提供優(yōu)異的人機交互界面體驗;通過實驗測試表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)大范圍的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集和傳輸以及遠距離監(jiān)控功能，且具有安裝方便、擴展性強等特點，適用于需進行統(tǒng)一管理的智能樓宇建筑。

PLC；ZigBee；CC2530；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

隨著生活水平不斷提高和環(huán)境污染日益嚴重這一矛盾的突出，人們對室內(nèi)環(huán)境提出了更高的要求。目前，市場上各類針對環(huán)境問題的智能單品層出不窮，然而此類單品彼此間互不關(guān)聯(lián)，獨立運行，部分單品功能重復(fù)造成資源浪費。鑒于此，本文提出了一種分布式采集與執(zhí)行、集中式管理的樓宇環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，旨在將各類數(shù)字化產(chǎn)品“孤島”[1]集于一體，統(tǒng)一管理，形成聯(lián)動，避免資源浪費，達到節(jié)能效果。

本文的主要工作包括底層硬件設(shè)計，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，上位機監(jiān)測和控制界面的設(shè)計，協(xié)調(diào)器與PLC之間的通信，系統(tǒng)對各設(shè)備的自動控制，以及GSM遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)成及原理

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及感知層[2]。本文中，應(yīng)用層主要是HMI人機交互界面，網(wǎng)絡(luò)層主要是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，感知層主要包括環(huán)境參數(shù)傳感器和相應(yīng)的設(shè)備控制器，PLC作為系統(tǒng)的中樞，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。

通信功能基于ZigBee通信協(xié)議[3-4]實現(xiàn)，采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配置少數(shù)協(xié)調(diào)器和多個路由器及終端，協(xié)調(diào)器負責(zé)匯總分布于不同空間位置的路由器和終端信息，同時，分布于各個節(jié)點的路由器互為中繼器，從而實現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)器通過西門子CP340串口通信模塊與PLC進行通信，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC進行分析處理[5]。

匯總后的信息由PLC進行綜合判斷和處理，通過CP340或西門子I/O口發(fā)出使能信號。其中，CP340發(fā)出的串口信息，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至相應(yīng)路由器，進而控制紅外線、繼電器或無線電等設(shè)備輸出控制信號，遠程實現(xiàn)對室內(nèi)設(shè)備的聯(lián)動控制；而I/O口發(fā)出的控制信號主要負責(zé)主機附近的設(shè)備，基于此設(shè)計思路，在控制環(huán)節(jié)形成了以串口信息控制為主，I/O控制為輔的一種方案，具備大范圍遠程控制、小范圍靈活控制的特點。

上位機以MPI通訊方式完成與下位機PLC的通訊連接，一方面，PLC可將處理后的數(shù)據(jù)信息實時顯示在精智面板上，由精智面板提供良好的人機交互體驗。另一方面，PLC也可將上位機發(fā)出的控制信號進行處理，按照用戶需求完成對網(wǎng)絡(luò)中的各設(shè)備的自動控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

ZigBee模塊主要分為中心節(jié)點和終端節(jié)點兩大類[6]，中心節(jié)點作為協(xié)調(diào)器負責(zé)建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點作為路由器主動掃描網(wǎng)絡(luò)并申請加入，兩者建立無線鏈路后即可進行點對點的數(shù)據(jù)通信。

傳感器采集的信息暫存于CC2530，通過自定義的環(huán)境參數(shù)請求協(xié)議實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集和處理，即僅在主機主動請求環(huán)境參數(shù)時路由器才將信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)才被占用，無環(huán)境參數(shù)請求時，網(wǎng)絡(luò)無數(shù)據(jù)傳輸，這樣可大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)占用率，同時達到節(jié)能效果。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

市場上的傳感器和控制器千差萬別，為實現(xiàn)模塊化功能，即各個傳感器和控制器具備獨立掛載于任何路由器下的特性，方便維護和管理，需將各類傳感器和控制器的收發(fā)信息格式進行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，集成了51單片機內(nèi)核。同時CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適用于超低功耗要求的系統(tǒng)[7]。

結(jié)合CC2530芯片的特點，本文信息類型主要有3種：串口信息、模擬量、開關(guān)量。對于串口信息，統(tǒng)一設(shè)置波特率為9600；對于模擬量量程，統(tǒng)一設(shè)置為0～3.3 V；對于開關(guān)量，統(tǒng)一設(shè)置為0和3.3 V電平。通過單片機和運算放大電路，實現(xiàn)信息格式的轉(zhuǎn)換。

溫度和濕度傳感器選擇型號為DHT11，該傳感器采用單總線數(shù)字通信方式，選用STC 11F02E單片機的IO口模擬單串口，與DHT11進行單總線通信，再將該信息經(jīng)過處理，使用波特率為9600的串口通信方式發(fā)送給ZigBee路由器，信號傳遞流程圖如圖2所示。

圖2 溫濕度信號傳遞流程圖

通常甲烷傳感器和一氧化碳傳感器的輸出類型為電壓型模擬量，由于ZigBee的硬件模塊CC2530具有0～3.3 V的AD采樣功能，所以對甲烷傳感器和一氧化碳傳感器輸出的模擬量經(jīng)過電壓跟隨器、0～3.3 V調(diào)理電路、0～3.3 V限幅保護電路處理后輸入至CC2530的AD引腳，電路原理圖如圖3所示，再將AD轉(zhuǎn)換的值暫存于CC2530中。

圖3 信號調(diào)理和保護電路

定義輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo，根據(jù)原理圖可得到二者關(guān)系：

根據(jù)以上表達式可知，通過合理設(shè)計R11和R12可以將傳感器輸出調(diào)理至CC2530允許的輸入范圍，同時，設(shè)計時應(yīng)使電流盡量小，以減小電阻上的能量損耗。本文選用的傳感器輸出為0～4 V，故設(shè)計參數(shù)如下：

R11=R12=10 kΩ

此時，輸出范圍為1.2～3.2V，滿足CC2530的AD輸入范圍。

PM2.5傳感器選用夏普公司的一款傳感器，該傳感器輸出是波特率為2400的串口信號，其中包含PM2.5的測量值信息，但CC2530芯片的串口通信波特率統(tǒng)一設(shè)置為9600，故使用兩個STC11F02E單片機設(shè)計波特率轉(zhuǎn)換器，原理圖如圖4所示，將單片機1串口通信波特率設(shè)置為2400，用于接收PM2.5傳感器發(fā)出的串口信號；將單片機2的串口通信波特率設(shè)置為9600，用于和CC2530進行通信，并將PM2.5的測量值暫存于CC2530模塊中。而單片機1和單片機2之間通過9個IO口進行通信，理論精度可達到29，即512，滿足通常情況下PM2.5的測量精度要求。

圖4 PM2.5信號波特率轉(zhuǎn)換器

此外，配備了紅外控制器，負責(zé)模擬設(shè)備的紅外線遙控功能，紅外線收發(fā)器通過單片機進行控制，而單片機接收來自ZigBee的串口信息，并在單片機內(nèi)對該串口信息進行判斷，控制紅外線的收發(fā)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)基于PLC進行控制、Zigbee進行無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，PLC與CC2530之間通過CP340模塊通過主從模式進行串口通信。

設(shè)計適用于本系統(tǒng)的主從通信協(xié)議，在CC2530中預(yù)先定義串口命令，再通過PLC經(jīng)由CP340發(fā)出預(yù)先定義的命令，CC2530進行識別后，再將已儲存的環(huán)境參數(shù)經(jīng)過CP340上傳給PLC。

CC2530可設(shè)置三種工作方式：協(xié)調(diào)器模式、路由器模式和終端模式。協(xié)調(diào)器主要負責(zé)建立和配置網(wǎng)絡(luò)，是Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的第一個設(shè)備；路由器主要作用是加入?yún)f(xié)調(diào)器所建立的網(wǎng)絡(luò)，并輔助終端進行數(shù)據(jù)通信；終端不負責(zé)維護整個網(wǎng)絡(luò)，對于本文設(shè)計的系統(tǒng)，終端與路由器扮演的角色沒有很大區(qū)別，但終端可以睡眠并隨時等待被喚醒，可有效節(jié)能。本文通過設(shè)計主從通信方式，即由PLC控制CP340發(fā)出串口信息，主動通過ZigBee協(xié)議經(jīng)由協(xié)調(diào)器向各個路由器或終端發(fā)出環(huán)境信息請求指令，當路由器或終端接到信息請求指令后，判斷對象是否為本路由器或終端下掛載的傳感器或控制器，若是，則相應(yīng)路由器或終端會將信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過西門子CP340模塊將參數(shù)傳輸至PLC進行處理，達到了節(jié)能的效果，尤其在大范圍監(jiān)控的應(yīng)用中，工作于終端模式的CC2530甚至可以用普通電池進行供電。但作為中繼器的CC2530需工作在路由器模式下，通過合理布局，在關(guān)鍵節(jié)點位置合理設(shè)置中繼器，使其工作于路由器模式即可。

紅外控制作為一種無線、非接觸控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家電行業(yè)等各個領(lǐng)域[8]。收集大量的設(shè)備遙控器代碼，內(nèi)置于PLC的數(shù)據(jù)塊中，用戶可根據(jù)個人使用的品牌，在上位機上進行選擇，從而實現(xiàn)對空調(diào)等設(shè)備的自動控制。但是由于實際中各類設(shè)備品牌繁雜，且每個品牌的遙控器代碼均不同，不易收集完整，并且設(shè)備更新速度較快，僅僅通過內(nèi)置代碼可能無法滿足要求，為解決此問題，提出了一種基于PLC的遙控代碼學(xué)習(xí)功能，作為功能補充，彌補個別設(shè)備因無遙控代碼數(shù)據(jù)庫而無法控制的缺點。經(jīng)過大量的調(diào)查得出，目前遙控器基本采用NEC編碼實現(xiàn)，鑒于此，根據(jù)NEC編碼規(guī)則，設(shè)計了遙控器學(xué)習(xí)功能，即通過上位機提供設(shè)置向?qū)?，由PLC發(fā)出紅外接收等待指令，此時將設(shè)備原裝遙控器對準紅外接收裝置并按下，該按鍵的NEC編碼通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至PLC主機，并進行儲存，完成學(xué)習(xí)功能。當需要使用該按鍵功能時，再由PLC將已經(jīng)儲存的代碼通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給紅外發(fā)射器，進而實現(xiàn)控制功能?；赑LC的紅外學(xué)習(xí)向?qū)Я鞒倘鐖D5所示。

圖5 遙控器學(xué)習(xí)向?qū)D

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

4.1 基于WINCC的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

SIMATIC操作面板是全集成自動化(TIA)的一部分，廣泛地應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中。由于TIA集成的獨一無二的技術(shù)，可以幫助工程設(shè)計人員大量減少組態(tài)時間[9]。SIMATICWinCC用于組態(tài)SIMATICHMI操作面板，HMI人機交互界面的主要功能是對整個系統(tǒng)的當前狀態(tài)進行實時監(jiān)測以及用戶在界面上直接操作。WinCC監(jiān)控界面如圖6所示。

以一棟六層的建筑樓為例，WinCC監(jiān)控界面主要分為主界面和子界面，主界面選擇進入某一房間，子界面主要顯示房間內(nèi)部的具體情況。如圖6所示，為101號房間的環(huán)境監(jiān)控子界面，該界面主要包括4個部分，環(huán)境參數(shù)顯示，閾值設(shè)定，設(shè)備狀態(tài)，設(shè)備選擇，包含手動和自動模式，PLC將采集的數(shù)據(jù)信號進行處理分析后，將處理后的結(jié)果在該界面進行顯示，也可手動控制各執(zhí)行機構(gòu)動作，滿足特定需求。其他房間類似，但顯示的參數(shù)和控制的設(shè)備視具體情況而定。

4.2 基于GSM的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

基于GSM模塊實現(xiàn)危險氣體報警功能。GSM模塊型號選擇SIM900A，該模塊能夠提供符合GSM07.05協(xié)議規(guī)范的命令接口和標準AT指令集，具備RS-232通信方式[10]，PLC與GSM模塊之間通信的傳輸數(shù)據(jù)和指令符號均采用ASCII碼形式。

本環(huán)節(jié)需要實現(xiàn)PLC和GSM模塊之間的通信，將GSM的AT指令存于PLC的數(shù)據(jù)塊中，主要包括發(fā)送和接收短信的手機號碼和發(fā)送的短信內(nèi)容等信息。使用串口發(fā)送AT指令以實現(xiàn)發(fā)送報警短信功能，主要包括以下步驟：

1)設(shè)置為文本模式，指令為：

AT+CMGF=1；

2)設(shè)置文本參數(shù)，指令為：

AT+CSMP=17,167,2,25；

3)設(shè)置編碼類型為UCS2,指令為：

AT+CSCS="UCS2"；

4)設(shè)置接收短信的手機號碼，接收短信號碼通過上位機進行設(shè)置，然后通過插入0的方式轉(zhuǎn)換為SIM900A可以識別的AT指令，再將轉(zhuǎn)換后的包含手機號碼的AT指令通過串口發(fā)送至SIM900A，例如系統(tǒng)將報警短信發(fā)送至13012345678，發(fā)送指令如下:AT+CMGS=

"00310038003000310032003300340035003600360038"

5)最后，將需要發(fā)送的內(nèi)容通過串口傳給SIM900A，例如本文發(fā)送“煙霧報警”四個字到接收短信的手機，需將這四個字轉(zhuǎn)換成Unicode，指令如下：

70DF96FE62A58B66。

當系統(tǒng)監(jiān)測出危險氣體含量超標時，需要發(fā)出報警短信。首先，PLC內(nèi)置以上AT指令，并將上位機設(shè)置的手機號碼加入AT指令，需要報警時，PLC通過CP340將短信報警的AT指令發(fā)送給GSM模塊，從而實現(xiàn)短信報警功能。

5 總結(jié)

本文設(shè)計了基于ZigBee和PLC的建筑和樓宇室內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以對室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)進行準確的采集與傳輸，進而根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)來調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)環(huán)境。目前市場上多數(shù)同類控制器為成套裝置，擴展新設(shè)備比較困難，本裝置增加了學(xué)習(xí)功能，使其具有更強的通用性，終端模塊化可使用戶可根據(jù)實際需求靈活選擇。經(jīng)過測試運行表明，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活，實用性強，可靠性高，通用性好以及低功耗等特點，無線通信方式也可以很好地解決布線麻煩和維護困難等缺點，在環(huán)境檢測行業(yè)領(lǐng)域具有良好的市場前景和應(yīng)用價值。

[1] 趙玉民. 數(shù)字家庭的應(yīng)用業(yè)務(wù)及其系統(tǒng)設(shè)計研究[J]. 電視技術(shù),2013,S1:21-30.

[2] 陳立偉，楊建華,曹曉歡, 等. 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報,2012(2):265-268.

[3] 何雪勤. ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].成都：電子科技大學(xué),2015.

[4] 尹紀庭,袁 佳,焦志曼,等. 基于ARM和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[J]. 計算機測量與控制,2013(9):2451-2454.

[5] 張 琰,李吳松,張荊沙,等. 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于PLC的遠程控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微電子學(xué)與計算機,2016(2):130-134.

[6] 王 風(fēng). 基于CC2530的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué),2012.

[7] 劉毅力,焦尚彬. 基于CC2530無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2013(3):43-46.

[8] 李瑾瑞. 學(xué)習(xí)型紅外控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué),2014.

[9] 楊路明,雷亞軍. 組態(tài)軟件WinCC在自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 計算技術(shù)與自動化,2003(4):21-24.

[10] 劉主鏈,宋 躍,何志輝,等. 無線模塊與GSM實現(xiàn)的智能遠程家居控制系統(tǒng)[J]. 計算機測量與控制,2011(9):2133-2135.

Design of Indoor Environmental Monitoring and Controlling System Based on PLC and ZigBee

Li Lu, He Xinxia, Kong Xiangfei, Li Xuan

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Environmental monitoring sites have the characteristics of wide distribution and multi-points, it has an important role in timely grasping the environmental situation and effectively controlling the spread of environmental pollution by establishing a real-time monitoring and controlling system based on Wireless Sensor Network, and realizing online monitoring of environmental factors within certain regions. The collection and transmission of the parameters of indoor environment in a large range are realized through building a wireless sensor network based on ZigBee communication protocol using CC2530 chip, the collected data are analyzed and processed by the main controller PLC. Monitoring data received are transmitted to the host computer for real-time display through the master coordinator and PLC, remote control of indoor equipment is realized by the monitoring platform, combined with infrared transceiver. WinCC configuration software is used as the host computer, and SIEMENS smart panel is configured to provide an excellent human-computer interaction experience. The experimental results show that, the acquisition and transmission of indoor environment parameters as well as remote monitoring function in a wide area can be achieved by this system. It has the features of convenient installation and strong extensibility, which is suitable for all intelligent buildings which has a need for unified management.

PLC; ZigBee; CC2530; internet of things

2016-11-17；

2016-12-23。

李 路(1990-)，女，重慶人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動方向的研究。

1671-4598(2017)05-0112-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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