基于PLC和GSM的家庭智能浇花系统设计

来源:用户上传      作者:黄爱谊 范苑滨 刘祝威 梁红芳 梁碧怡 温龙辉 廖晓枫 崔宁

　　摘   要：针对家庭生活中人们养护花卉植物的实际需求，借助物联网技术，将PLC控制技术、传感器技术、GSM通信技术等技术手段进行整合，实现对花卉植物的全自动浇灌管理以及手机远程实时监控。
　　关键词：PLC  GSM  浇花  智能  控制系统
　　随着人们生活质量的提高，很多人都喜欢在家里种植一些花卉植物或蔬菜，不但可以为家庭增添生活色彩，又能净化空气，或者提供原生态的蔬菜，使人们更健康的生活。但是这些花卉植物的养护却需要花费很多的心思，尤其是有些对于水分要求还比较严格。同时，随着现代生活节奏的加快，因为出差、旅行、工作忙碌等原因，很多人不能及时为家中的花卉植物等补充水分，导致花卉植物等因为缺水而枯萎，特别是有些观赏植物还比较名贵，价格不菲，也将给人们带来不必要的损失。因此，人们希望能够借助一些自动装置来替代人工完成浇花任务。目前市面上的浇花系统大多是针对大范围花卉植物的喷淋浇水，不适用于家庭，而且这些系统大多是采用单片机、WiFi（Wireless-Fidelity）等进行现场或近距离控制方式，无法实现长远距离的实时监控。本课题拟依托物联网技术，利用PLC（可编程序控制器，Programmable Logic Controller）和GSM（全球移动通信系统，Global System for Mobile Communications）等技术手段及相关平台，研制一套既可以实现完全的自动控制，又可通过手机进行远程实时监控的自动浇花系统，使得人们无论身处何地，只要有网络通信覆盖的地方，就可以对家中的花卉植物进行精心的照料。
　　1  家庭智能浇花系统介绍
　　如图1所示，家庭智能浇花系统主要由供电单元、储水单元以及自动浇灌单元等三部分组成。供电单元主要由太阳能电池板、太阳自动跟随装置以及电能转换与储存装置组成，用于对整个系统的独立供电，同时也可实现节电;储水单元主要包括储水装置、雨水收集装置、电磁阀及传感器等组成，可通过手动或自动控制开关的切换实现上水储水或收集雨水储水两种方式的切换，为系统浇灌供水，同时也可实现节水;自动浇灌单元主要由PLC、触摸屏、GSM通信模块、各类传感器、电磁阀及控制线路、水路等组成，主要实现自动浇灌及远程监控功能。上述各单元之间采用标准电气接口连接，同时在功能上又相对独立。在实际应用时，自动浇灌单元是系统的核心必备单元，其他两个单元可根据实际需求灵活选配。下面重点介绍自动浇灌单元。
　　1.1 自动浇灌单元组成原理
　　自动浇灌单元主要由硬件系统和控制软件组成，其中硬件部分（图2）主要由PLC、GSM通信模块、触摸屏、手机、各类传感器和电磁阀等组成，控制软件根据用户需求协调控制自动浇灌过程。PLC作为硬件系统的控制核心，一方面负责GSM通信模块与PLC之间的数据传输，以及对GSM通信模块中的短信息进行解释;另一方面，根据短信息的内容解析出的指令，输出控制信号，控制电磁阀等执行部件动作，完成对花卉的自动浇灌，同时更新数据缓冲区中的状态数据以备查询。GSM通信模块主要负责提供数据传输的通道，借助GSM通信网络，实现用户手机与自动浇灌单元之间的通信，完成控制数据和反馈数据的传送。触摸屏作为人机界面，可以方便用户现场操控完成对花卉的浇灌控制，或者对相关参数进行设置。雨水传感器、湿度传感器等傳感器用于感知天气、土壤状态并发送给PLC。
　　本自动浇灌单元工作过程为：PLC通过雨水传感器、湿度传感器等定时获取天气、土壤状态，并将数据储存到数据缓冲区，再通过控制程序对外界状态进行综合分析判断，针对事先通过程序确定的不同的控制策略对花卉进行自动浇灌控制。
　　当用户在外想了解家中花卉植物土壤湿度及浇灌状态时，可以通过手机将状态查询信息发送给GSM通信模块中的SIM卡电话号码，当GSM通信模块接收到该短信息时，PLC即可立刻查询到GSM通信模块中的新短信息，并向GSM通信模块发送AT指令代码读取短信息内容，并将数据缓冲区中所储存的花卉植物土壤湿度及浇花状态数据以短信息格式反馈给用户手机。当系统每次完成对花卉进行自动浇灌后，也会将相关数据储存在PLC的数据缓冲区中，再通过GSM通信模块以短信息格式发送到用户手机，使用户可以实时了解花卉的浇灌情况。同样，当用户在外想通过系统直接对花卉植物进行浇灌时，可根据预定格式将短信息数据发送给GSM通信模块中的SIM卡电话号码，数据被PLC获取后，经过格式识别，判断浇灌的要求，发出控制指令，完成对花卉的浇灌，同时储存浇灌状态数据，并通过GSM模块反馈到手机进行确认。
　　1.2 自动浇灌单元控制方式
　　针对系统应用的场合及控制需要不同，设计了如下几种控制方式：
　　（1）手动和自动控制功能。考虑到系统的可靠性、灵活性和经济性，系统设计了手动和自动两种控制功能，具体通过转换开关或触摸屏触控面板操控实现手动和自动方式切换。
　　（2）在自动控制方式下又可分为现场控制和远程控制。如客户在家里，可同时采用现场控制方式和远程控制方式;如客户在外，可通过手机采用远程控制方式。
　　（3）雨天停止浇灌功能。针对花卉及浇花系统的布置位置不同，可设定为雨天停止/保持浇灌功能。如果在露台种养花卉，可以设置雨天停止浇灌;如果在室内种养花卉，则设置为雨天保持浇灌。
　　1.3 自动浇灌单元主要器件选型
　　（1）PLC选型。本系统选用三菱FX2N系列小型PLC，该系列具有基本单元具有16/32/48/64/80/128点，具有微型化和高运算速度，性价比高。根据本系统的实际需要，选用FX2N-32MR-001型号的PLC，其输入/输出总点数为32点，其中输入/输出点数各16，输入形式为漏型，输出形式为继电器输出。
　　（2）GSM模块选型。GSM模块选用SIEMENS公司推出的TC35i模块，该模块符合ETSI标准的GSM 7.07和GSM 7.05。TC35i模块为用户提供标准的AT命令接口，可稳定、安全、快速的传输数据、语音、短消息等信号。TC35i模块的接口协议公开，可满足各种用户开发、设计和应用的需求。当GSM 模块接收到短信息时，PLC就会向GSM 模块写入命令控制字，GSM模块通过串口向PLC发送短信数据。反之，PLC要向用户发送消息时，PLC会先通过串口发送数据给GSM 模块，GSM 模块再将信息数据发送至用户的手机。 　　（3）触摸屏选型。系统对触摸屏要求不高，且为可选部件，用户只要能够方便的进行简单的参数设置或指令发布即可。因此，选用MCGS昆仑通态7寸触摸屏，型号为TPC7062TX。该产品设计采用7英寸高亮度TFT液晶显示屏，四线电阻式触摸屏，预装MCGS嵌入式组态软件（运行版），具备强大的图像显示和数据处理功能，具有较高性价比。
　　（4）传感器及电磁阀选型。综合考虑系统需求及性价比，雨水传感器、温度传感器、湿度传感器及电磁阀均尽量采用通用型号。雨水传感器选用SSM-002型雨滴传感器，通过开关量输出送入PLC控制信号。温湿度传感器采用SHT30温湿度传感器模块，由PLC通过其AD转换模块采集数据。电磁阀采用DC24V供电有压常闭型通用型电磁阀。
　　1.4 自动浇灌单元软件设计
　　自动浇灌单元的工作流程如图3所示，系统采用定时查询方式工作。系统上电后，PLC要完成数据缓冲区的定义，PLC与GSM通信模块之间的RS-232串口波特率等参数设置，并完成对数据缓冲区的初始化工作。所有初始工作完成后，通过依次查询GSM短信模块、雨水传感器、温湿度传感器等，获取相关控制指令或状态数据，进行判断，再执行相应的控制程序。
　　2  自动浇灌系统特点
　　（1）系统功能全面，配置与应用灵活。系统涵盖供电、储水和自动浇灌功能，功能全面。在实际应用时，自动浇灌单元是系统的核心必备单元，而供电电源和储水单元可根据客户实际需求灵活选配，具有一定的应用灵活性。系统还设计预留有标准电气和水路接口，方便根据客户实际需求配置控制点数，即通过采用多点布置传感器及多路灌溉水路，可对不同类别及需求的花卉植物进行精细化灌溉管理，而传感器及灌溉水路的布点数又可根据客户的需求灵活增减。
　　（2）系统操控的灵活性和人性化。系统除可以完成全自动、智能化、精细化的浇灌外，还可通过手机对其实施监控，扩展了系统控制和应用的空间与灵活性。通过触摸屏，客户还可直观、方便灵活的设置系统的相关参数，体现了系统操作的人性化。
　　（3）系统主要采用PLC控制技术，开发便捷，升级和扩展能力强。系统采用PLC作为主控制器，与以单片机或嵌入式芯片作为主控制器开发的系统相比较，具有一定的技术优势，系统开发简单快捷，稳定性和抗干扰能力强，系统功能和规模升级、功能扩展能力强，后续还可方便的在其基础上，以PLC为主控制器，实现智能家居控制。
　　3  结语
　　针对家庭生活中人们养护花卉植物的实际需求，通过整合PLC、GSM及传感控制技术，开发了一种自动浇灌系统，可对花卉植物进行精细化的浇灌管理，方便人们的生活。如在本系统基础上进一步开发，以PLC为控制核心，进行功能拓展，还可实现智能家居控制或更大范围的园艺种植智能浇灌管理。
　　参考文献
　　[1] 高尚，陈景波.智能温室控制系统的研究与开发[J].中国高新技术企业，2015（4）：13-14.
　　[2] 曹怡之.基于 PLC 的智能温室监控系统设计[J].中外企业家，2015（15）：185.
　　[3] 黄尔烈，安宪军，霍振宇.PLC嵌入GSM技术实现环境参数的远程采集[J].辽宁工程技术大学學报：然科学版，2007，26（5）：731-733.
　　[4] 付丽辉，尹文庆.基于嵌入式系统的洪泽湖水产养殖污染环境的远程数据采集与监测[J].安徽农业科学，2012，40（13）：7885-7886.
　　[5] 王乐达，徐立鸿，黄培.一种基于多点数据采集的水产养殖监控系统[J].渔业现代化，2012，39（4）：18-19.
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