一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统。该系统包括上位机、ZigBee数据采集节点、ZigBee路由器、ZigBee协调器、PLC、开关输入模块和执行输出模块，PLC分别与上位机、ZigBee协调器、开关输入模块、执行输出模块相连接，ZigBee数据采集节点与ZigBee路由器相连接，ZigBee路由器与ZigBee协调器相连接，执行输出模块包括连接在PLC上的继电器模块以及与继电器模块相连的遮阳网执行电机、天窗侧窗执行电机、湿帘风机、环流风机、湿帘外窗电机、补光灯、CO2发生器、加热水泵和报警灯。该系统解决了现有温室监控系统布线复杂，维护困难和可靠性不高等问题。
【专利说明】
一种基于Z i gBee和PLC的温室控制系统
技术领域
[0001]本实用新型属于农业生产自动化控制技术领域，具体涉及到一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统。
【背景技术】
[0002]温室是一种可以改变植物生长环境，为植物生长创造更好条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。随着社会经济的发展，各种园艺温室和农作物温室的数量在不断的增加，目前我国温室环境监测系统主要基于有线方式，一般需要在土壤中铺设大量的电缆，其存在着布线复杂，抗干扰能力差，功耗大，投资成本高和安装维护困难等缺陷，采用无线的方式进行温室环境参数的采集和传输可以解决上述问题，ZigBee技术是近几年来发展的一种新型无线通信技术，其具有低功耗，成本低，时延短，网络容量大，可靠安全等特点，被广泛的应用在短距离内的低速率无线传输的场合中。
[0003]同时温室内高温高湿的环境对监控系统的可靠性要求较高，目前温室监控系统常采用的单片机系统难以满足要求，而可编程逻辑控制器PLC则具有构成灵活，扩展容易，使用方便，编程简单和抗干扰能力强等特点，可大大提高系统的可靠性。
【发明内容】
[0004]本实用新型针对现有技术存在的缺陷和不足，提出了一种基于ZigBee技术与PLC的温室监控系统，该系统解决了现有技术中布线复杂、维护不方便和可靠性差等问题，实现了对温室内的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等环境因子的实时采集和无线传输，作为主控制器的PLC能按照预先设定的参数和从ZigBee协调器传输来的数据对温室环境进行自动调节，以满足不同农作物的生长要求。
[0005]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统，其特征在于，包括上位机、ZigBee数据采集节点、ZigBee路由器、ZigBee协调器、PLC、开关输入模块和执行输出模块，所述PLC分别与上位机、Z i gBe e协调器、开关输入模块、执行输出模块相连接，所述的Z i gBe e数据采集节点与ZigBee路由器相连接，所述的ZigBee路由器与ZigBee协调器相连接，所述的ZigBee数据采集节点包括无线单片机以及与无线单片机相连接的传感器模块、电源模块、无线耦合匹配模块和液晶显示模块，所述的ZigBee路由器包括无线单片机以及与无线单片机相连接的电源模块，无线耦合匹配模块、键盘模块和液晶显示模块，所述的ZigBee协调器包括无线单片机以及与无线单片机相连接的通讯模块、电源模块，无线耦合匹配模块、键盘模块和液晶显示模块，所述的执行输出模块包括连接在PLC上的继电器模块。
[0007]作为本实用新型的一种优选方案，所述的执行输出模块还包括与继电器模块相连接的遮阳网执行电机、天窗侧窗执行电机、湿帘风机、环流风机、湿帘外窗电机、补光灯、C02发生器、加热水栗和报警灯。
[0008]作为本实用新型的一种优选方案，所述的传感器模块包括温湿度传感器、光照度传感器和二氧化碳传感器。
[0009]作为本实用新型的一种优选方案，所述的ZigBee数据采集节点、ZigBee路由器和ZigBee协调器中的无线单片机型号选用CC2530单片机。
[0010]作为本实用新型的一种优选方案，所述的PLC选用西门子S7-200系列的CPU226。
[0011]本实用新型有益效果是:
[0012]I)本实用新型采用ZigBee无线网络进行通信，实现了对温室环境内的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度等参数的实时采集和无线传输，节省了大量布线的成本。
[0013]2)本实用新型通过利用树型网络拓扑结构进行组网实现数据传输，与传统无线网络采用星型网络拓扑结构相比，具有易连接，易管理和易维护等优点，能更好的满足温室大棚控制要求。
[0014]3)本实用新型采用PLC作为主控制器，其抗干扰性能强，工作稳定，能有效的提高温室控制系统的可靠性。
【附图说明】
[0015]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0016]图1是本实用新型的总体结构框图。
[0017]图2是本实用新型中ZigBee数据采集节点的结构示意图。
[0018]图3是本实用新型中ZigBee协调器的结构示意图。
[0019]图4是本实用新型中ZigBee路由器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和具体实施例对本实新型进行进一步说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0021]如图1所示，一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统，包括上位机、ZigBee数据采集节点、ZigBee路由器、ZigBee协调器、PLC、开关输入模块和执行输出模块，所述PLC分别与上位机、ZigBee协调器、开关输入模块、执行输出模块相连接，所述的ZigBee数据采集节点与ZigBee路由器相连接，所述的ZigBee路由器与ZigBee协调器相连接，所述的执行输出模块包括连接在PLC上的继电器模块以及与继电器模块相连的遮阳网执行电机、天窗侧窗执行电机、湿帘风机、环流风机、湿帘外窗电机、补光灯、C02发生器、加热水栗和报警灯。
[0022]本实施例中，所述的PLC选用西门子S7-200系列的CPU226CN，CPU226具有24个数字量输入点和16个数字输出点，可连接7个扩展模块，它包括22KB数据和程序存储空间，2个独立的20kHz高速脉冲输出，6个独立的30kHz高速计数器。它具有2个RS485通讯/编程接口，其中一个通讯接口与上位机通过RS232转RS485转换器相连接，另外一个通讯接口也通过RS232转RS485转换器与ZigBee协调器相连。
[0023]开关输入模块包括启动按钮，停止按钮和手动/自动切换按钮，以及各执行机构(内外遮阳网、天窗、侧窗、湿帘外窗、环流风机、湿帘风机、补光灯、CO2发生器、加热水栗、热风炉风机)的手动开关和部分执行机构(内外遮阳网、天窗、侧窗、湿帘外窗)的限位开关。
[0024]PLC作为主控制器主要完成温室环境参数的采集与处理，控制相关执行机构和故障报警等功能。当系统上电后，PLC首先进行初始化，即对上位机传过来的环境阈值进行设置和对用于采集数据寄存器，辅助寄存器定时器，计数器，以及输入输出寄存器进行初始化。当ZigBee协调器将采集到的温室内部的四种环境参数数据传给系统的主控制器PLC，PLC根据上位设置的环境阈值对相应的执行机构进行相关控制，通过对相应执行机构的控制，使作物能够在适宜的环境下生长。作为主控制器的PLC有自动和手动两种工作方式，正常情况下工作在自动控制模块，而手动工作模式应用与设备安装调试或者执行设备出现故障的时候。
[0025]本实施例中，所述的ZigBee数据采集节点、ZigBee路由器和ZigBee协调器中的无线单片机选用TI公司生产的CC2530F256型单片机。
[0026]ZigBee数据采集节点主要实现对温室环境参数的采集，如图2所示，ZigBee数据采集节点包括无线单片机以及与无线单片机相连接的传感器模块、电源模块、无线耦合匹配模块和液晶显示模块，传感器模块包括温湿度传感器(SHTl I)，光照度传感器(TSL2561)和二氧化碳传感器(TGS4160)，液晶显示模块采用LCD12864芯片，用于显示传感器现场所采集的环境参数数据，便于工作人员进行调试和查看，无线耦合匹配模块采用单级天线，电源模块采用3节1.5V干电池作为供电电源，将电池分别通过DC/DC芯片HT7333和LTC3440实现将4.5V电压转换为3.3V和5V的电压，以满足CC2530和不同元器件的供电需求。
[0027]ZigBee协调器是整个无线传输网络的核心，它的主要任务是维持和管理无线网络中的所有节点，接收从ZigBee路由器发送过来的环境参数，并且通过RS232转RS485串口将所采集到环境参数送到PLC，如图3所示，所述的ZigBee协调器包括无线单片机以及与无线单片机相连接的通讯模块、电源模块，无线耦合匹配模块、键盘模块和液晶显示模块，通信模块通过芯片SP3223E来完成ZigBee协调器的RS232串口设计，ZigBee协调器通过采用RS-232和RS-485转换器(JaRa2102D)来实现与PLC的通信，液晶显示模块采用LCD12864芯片，用于显示各个ZigBee数据采集节点所采集的环境参数数据，键盘模块设计了四个按键，分别为SET，UP，OK和CANCEL，通过这些按键，可以进行LCD显示的设置。按下SET进入设置页面时，LCD显示接收到节点的信息列表，按下UP键可以选择一个节点，再按下OK键就选定该节点，LCD就会显示该数据采集节点所采集的环境参数信息，CANCEL按键用来取消。由于ZigBee协调器一直处于工作状态，因此采用外接有线的方式进行供电，电源模块采用5V电源，通过稳压转换芯片AMS1117来完成节点要求的3.3V稳定工作电源。
[0028]ZigBee路由器主要任务是接收从ZigBee数据采集节点发送过来的环境参数数据，并将数据信息转发到ZigBee协调器上，如图4所示，所述的ZigBee路由器包括无线单片机以及与无线单片机相连接的电源模块，无线耦合匹配模块、键盘模块和液晶显示模块，其大部分硬件电路与ZigBee协调器结构相似，只是少了通讯模块。
[0029]基于ZigBee和PLC的温室控制系统的工作过程:
[0030]ZigBee数据采集节点中的传感器模块将实时采集温室内的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度等参数，并通过无线耦合匹配模块将这些数据无线发送到ZigBee路由器，再由路由器传送到ZigBee协调器，ZigBee协调器通过串口将各个数据采集节点的数据传送给PLC，作为主控制器的PLC根据从ZigBee协调器传送来的数据和上位机预先设定好的环境参数阈值控制温室内的各个执行设备，对温室环境进行自动调节，以满足不同农作物的生长要求。同时PLC通过RS485转RS232转换器将所接收到的数据和各执行设备的状态等相关信息传送给上位机，上位机可以将采集的数据进行存储、分析和历史查询。上位机还可以发送设置好的环境参数阈值和相关控制指令给PLC，从而监控整个温室系统，共同实现对温室的自动化检测与控制。
[0031]本实用新型结构具有可靠性高，组网灵活，功耗低等特点，可以很好的解决有线通信方式布线麻烦，维护困难和温室监控系统可靠性不高等问题，在智能农业领域有着良好推广应用价值。
[0032]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统，其特征在于，包括上位机、ZigBee数据采集节点、ZigBee路由器、ZigBee协调器、PLC、开关输入模块和执行输出模块，所述PLC分别与上位机、ZigBee协调器、开关输入模块、执行输出模块相连接，所述的ZigBee数据采集节点与ZigBee路由器相连接，所述的ZigBee路由器与ZigBee协调器相连接，所述的ZigBee数据采集节点包括无线单片机以及与无线单片机相连接的传感器模块、电源模块、无线耦合匹配模块和液晶显示模块，所述的ZigBee路由器包括无线单片机以及与无线单片机相连接的电源模块，无线耦合匹配模块、键盘模块和液晶显示模块，所述的ZigBee协调器包括无线单片机以及与无线单片机相连接的通讯模块、电源模块，无线耦合匹配模块、键盘模块和液晶显示模块，所述的执行输出模块包括连接在PLC上的继电器模块。2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统，其特征在于:所述的执行输出模块还包括与继电器模块相连接的遮阳网执行电机、天窗侧窗执行电机、湿帘风机、环流风机、湿帘外窗电机、补光灯、CO2发生器、加热水栗和报警灯。3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统，其特征在于:所述的传感器模块包括温湿度传感器，光照度传感器和二氧化碳传感器。4.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统，其特征在于:所述的ZigBee数据采集节点、ZigBee路由器和ZigBee协调器中的无线单片机型号选用CC2530单片机。5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee和PLC的温室控制系统，其特征在于:所述的PLC选用西门子S7-200系列的CPU226。
【文档编号】G05D23/20GK205450821SQ201620179582
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月2日
【发明人】杨征航, 赖忠喜
【申请人】杨征航, 台州职业技术学院, 赖忠喜