宋偉偉 李明 楊艷娟

摘要針對(duì)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(xiàn)冗雜、數(shù)據(jù)時(shí)延性等問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。然后設(shè)計(jì)WSN與PLC的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)傳輸。最后，提出PLC現(xiàn)場(chǎng)控制的溫濕度模糊控制策略，以應(yīng)對(duì)溫室控制的強(qiáng)非線(xiàn)性。該系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，溫室數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程發(fā)布，為物聯(lián)網(wǎng)和PLC現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）02-0246-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.072

智能溫室是近年來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)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(diǎn)被大量應(yīng)用于智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)中。許多實(shí)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(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)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(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端發(fā)布。

WSN即無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(diǎn)。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(dòng)性，擺脫了有線(xiàn)連接的限制[9-10]。

筆者采用以微處理器為核心的計(jì)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(jì)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(xiàn)復(fù)雜、線(xiàn)材腐蝕問(wèn)題。溫室數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)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(chǎng)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(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)搭建成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸信息從而實(shí)現(xiàn)“范在”傳感。PLC依據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)改善溫室環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò)層是通過(guò)GPRS模塊提供的無(wú)線(xiàn)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(dòng)終端可主動(dòng)查詢(xún)溫室數(shù)據(jù)和接收自動(dòng)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC工況和溫室環(huán)境的全面監(jiān)控。

溫室監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)作流程見(jiàn)圖2。

終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)雙向通訊，多組終端節(jié)點(diǎn)利用布置在其上的傳感器周期性收集環(huán)境數(shù)據(jù)，無(wú)線(xiàn)射頻模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器的射頻天線(xiàn)。協(xié)調(diào)器作為WSN感知層的樞紐，匯集信息后通過(guò)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(shí)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)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(dòng)情況通過(guò)串口發(fā)送至GPRS網(wǎng)關(guān)，并令其以GPRS模塊以寬頻移動(dòng)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(kù)。用戶(hù)可通過(guò)上位機(jī)查看圖形化實(shí)時(shí)信息、歷史數(shù)據(jù)、執(zhí)行器工作狀況、故障報(bào)警并可以手動(dòng)自動(dòng)模式切換，允許用戶(hù)介入實(shí)施補(bǔ)償動(dòng)作。用戶(hù)可以在脫離上位機(jī)的情況下使用移動(dòng)終端主動(dòng)查詢(xún)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(jì)目的。

2溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(yùn)作和功能實(shí)現(xiàn)。由于溫室內(nèi)小氣候的復(fù)雜多變，長(zhǎng)期高溫高濕的極端環(huán)境，都對(duì)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。其特點(diǎn)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。ZigBee無(wú)線(xiàn)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(shí)現(xiàn)信號(hào)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(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)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(xiàn)輸出連接至終端節(jié)點(diǎn)CC2530的P0_7，BH1750以I2C總線(xiàn)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(diǎn)，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(dú)執(zhí)行控制功能，又需具備一定的通訊能力以“上達(dá)下聽(tīng)”。西門(mén)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(jì)要求。該P(yáng)LC還具備14入/10出的開(kāi)關(guān)量I/O口，及2入/1出的模擬量I/O，以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘，該P(yáng)LC滿(mǎn)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(guò)串口傳至PLC。PLC的另一RS-485通訊端口可直接與專(zhuān)業(yè)的GPRS網(wǎng)關(guān)模塊通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)端發(fā)布和接收遠(yuǎn)端用戶(hù)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(zhuān)用GPRS DTU。該模塊通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)，利用公用運(yùn)營(yíng)商GPRS網(wǎng)絡(luò)為用戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。GPRS DTU模塊采用工業(yè)級(jí)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(mén)子PPI等，多包并發(fā)采集，智能壓縮技術(shù)，相對(duì)透?jìng)鱃PRS降低50%流量。

3溫室控制的軟件設(shè)計(jì)

3.1PLC的模糊控制策略設(shè)計(jì)

溫室控制具有滯后性、非線(xiàn)性、耦合等特點(diǎn)，為避免系統(tǒng)失控，引入模糊控制策略。模糊控制是以專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)環(huán)境因子，該系統(tǒng)以溫度為例，將其作為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)模糊控制器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模糊控制器選取雙輸入單輸出的方式，故稱(chēng)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(yùn)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(jiàn)圖3。

該系統(tǒng)運(yùn)用博圖V13軟件編寫(xiě)溫度模糊控制程序，濕度的模糊控制過(guò)程與溫度類(lèi)似，在此不再贅述。溫室內(nèi)光照強(qiáng)度通過(guò)采集值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)額定值相比較的形式來(lái)決策和判斷，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)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(jì)

WSN網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建，運(yùn)行 ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack使用瑞典公司IAR開(kāi)發(fā)的IAR Embedded Worbench for MCS.51作為其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。用戶(hù)通過(guò)協(xié)議棧調(diào)度程序，使用C語(yǔ)言開(kāi)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(diǎn)設(shè)備。WSN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(wú)線(xiàn)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(hào)PANID。在參數(shù)配置好后，調(diào)用ZDO_Start_Device啟動(dòng)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)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(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器后通過(guò)協(xié)議棧的OSAl將數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)消息并置于消息隊(duì)列中。通過(guò)AF_INCOMING_MSG_CMD標(biāo)識(shí)收到新數(shù)據(jù)的消息ID。當(dāng)需要從消息隊(duì)列中得到消息時(shí)，調(diào)用MSGpk=（afIncomingMSGPACKET_t*）osal_msg_receive（GeneriAPP_TaskID）函數(shù)。

（3）協(xié)調(diào)器需要通過(guò)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(diǎn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)AF_INCOMING_MSG_CMD時(shí)，調(diào)用函數(shù)GenericAPP_MessageMSGCB（）將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口發(fā)送給PLC。函數(shù)GenericAPP_MessageMSGCB（）部分代碼實(shí)現(xiàn)：

3.4上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)搭載組態(tài)軟件實(shí)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(bào)表等。該系統(tǒng)使用WINCC組態(tài)，支持OPC，無(wú)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(kāi)發(fā)工程，將組態(tài)軟件的變量關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的OPC寄存器，這樣WINCC即可通過(guò)OPC接口從OPCSERVER訪(fǎng)問(wèn)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(duì)溫室內(nèi)多種環(huán)境因子數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采集，通過(guò)PLC預(yù)設(shè)策略實(shí)施智能調(diào)控，遠(yuǎn)端PC可通過(guò)組態(tài)界面監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了2種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。在近端對(duì)室內(nèi)環(huán)境因子的采集采用ZigBee技術(shù)搭建了WSN，通過(guò)自組網(wǎng)的雙向無(wú)線(xiàn)通訊，增大了移動(dòng)自由度，擺脫了有線(xiàn)連接的限制，解決了線(xiàn)材易腐蝕的問(wèn)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(duì)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(cuò)性。同時(shí)該系統(tǒng)使用的短距離無(wú)線(xiàn)感應(yīng)和遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)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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