基于ZIGBEE和GPRS的PLC远程环境监测系统设计
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摘要：为改善人力环境监管存在的局限性及GPRS—PLC监测系统的高成本等缺陷，设计可自组网络的远程环境监测系统。设计中构建了远程环境监测系统网络结构，采用西门子S7—200系列PLC作为采集仪控制器，TI CC2530 ZigBee无线网络模块作为现场组网模块，采用GPRS DTU传输数据，采用X86架构计算机构建监测平台。论述采集仪、无线网络模块程序设计的一般问题和程序设计流程，论述基于Winsock的监测中心软件平台设计方法。
关键词：远程环境监测；zigbee；gprs DTU；plc；自组网
中图分类号：TP 274 文献标识码：A
Design of PLC Remote Environmental Monitoring System Based on ZigBee and GPRS
CHEN Liding， WEN Lveqin， ZHANG Liangbin
（College of Automation， South China University of Technology， Guangzhou510640， China）
Abstract：A selfnetworking REMS （remote environmental monitoring system） has been designed to improve the limitations of human environmental regulatory and GPRSPLC monitoring system. A REMS network structure has been designed， using Siemens S7—200 series PLC as the logger controller， TI CC2530 ZigBee module as field wireless network device， GPRS DTU to transfer data， X86—based computer to build the monitoring platform. Discussed the general problem and programing method of PLC and CC2530 program design， also discussed the way to build the software platform based on Winsock.
Key words：remote environmental monitoring； ZigBee； GPRS DTU； PLC； Selfnetworking
1序言
传统的环境监测需要依靠工作人员到工业现场采集数据。在厂家众多，位置分散的情况下，无疑耗费了大量的人力物力，且存在厂家偷排污染物等许多不可控现象。
为改善这一问题，基于GPRS与PLC的无线环境监测系统被设计并投入使用[1]。该设备为减少人力耗费和实时监控起到了积极意义。但由于该设备只允许单个PLC与GPRS模块通信，其应用范围受到了局限。比如说在大型的工业现场，设备之间距离较远，单个采集器IO端口有限且长距离布线施工成本较高，仅能在每个设备使用一个完整采集仪，这样就使得终端设备成本较高，且GPRS流量所产生的费用也较高。
这些问题对系统设计提出了新的要求。改进的系统以每个工业现场为单位，与数据中心进行GPRS数据传递；现场的采集仪之间能够自行组成通信网络，将数据集中到具备GPRS数据传递功能的节点；除了设备的开关状态，在某些情况下，采集仪还需采集污水、废气等的参数，因此需要配置可选的模拟信号采集通道；数据中心起到存储历史数据，显示实时数据的作用，人性化的用户界面能大大提高工作效率。
2硬件系统结构
根据需求，整体系统结构如图1所示。每个工业现场具备一台连接了GPRS DTU的采集仪；采集仪由PLC作为控制核心；对于像本文设计的，需要组建无线通信网络的工业现场，则每个采集仪上均要连接无线通信模块。多个工业现场的GPRS DTU通过GPRS网络将数据传递到Internet，并由数据中心接收处理。
图1环境监测系统组成
2.1采集仪控制器
采集仪在工业现场主要采集治污设备的开关状态，根据需求采集治理前后污染物的浓度参数，进行数据打包传递处理。较大型的工业设备在生产过程中往往会排放出包括气体和液体等多种污染物，在每个污染物产生处都有相应的治污设备。因此，采集仪需要有多个开关量采集点。对污染物的浓度等信息的采集是根据需求来设计的。一般的污染源只需强制治污设备运行即可保证治污合格，仅有对需要跟踪观察的污染物才要配备模拟量采集点。采集仪需要配备一定的模拟量采集能力，并在开关/模拟采集点的数量上具有可扩展的能力。为了让控制器能够同时与GPRS DTU和无线网络模块通信，必须选用有两路串行通信口的型号。
西门子S7—200CN CPU 224XP CN是一款工业上常用的PLC，具备两路RS—485通信接口，符合设计需求。该PLC还具备14入/10出的开关量I/O，及2入/1出的模拟量I/O，以及实时时钟，且最大可扩展168点开关量、38点模拟量。该PLC满足通信需求，也满足数据采集需求，且具备足够的扩展性[2—3]。
2.2现场无线网络模块
大型工业现场的生产设备距离较远，障碍物、电磁屏蔽物分布随机，采集仪每次采集的信号量较少，因此无需过高的速率，而需要保证网络畅通，灵活可配置。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网（Personal Area Network，PAN）协议，是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。相同设备模块经过不同的设置，可作为协调器、路由器、末端节点工作于网络中，组成星形、树形、网状拓扑网络。其中，网状网络通信灵活，路由器节点之间可互相通信，可保障整个局域网的通信畅通。协调器作为网络的中心，可协调管理6000个以上的子节点。路由器节点（加装了路由器模块的采集仪）采集现场参数，通过网状网络最终将数据传递到协调器节点（加装了协调器的采集仪，并加装了GPRS DTU）。