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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
：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 traner 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。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Inte
图1环境监测系统组成
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]。
计算技术与自动化2012年9月
第31卷第3期陈立定等：基于ZIGBEE和GPRS的PLC远程环境监测系统设计
3程序设计方法
协调器节点中PLC通过Port0串口与CC2530通信，采用自由端口通信方式。大部分时间中PLC作为从机，从CC2530接收数据，仅当有查询指令时，通过CC2530向路由器节点发送查询指令。协调器每30s收集完路由器节点数据后，将数据送给PLC，PLC将数据打包后送至GPRS DTU模块，每隔5min存储一次实时数据以供查询。协调器PLC程序流程图如图2所示。
图2协调器节点PLC程序流程图
协调器节点还连接GPRS DTU模块。PLC通过Port1串口与GPRS DTU模块连接，同样采用自由端口通信方式。在与GPRS DTU通信过程中，大部分情况下PLC作为主机向GPRS模块发送数据，仅在接收查询指令时作为从机。协调器节点每隔30s将个域网内所有数据打包发送给数据中心。其工作流程如图3所示。
图LC与GPRS通讯程序框图
路由器节点中大部分时间PLC作为主机，向CC2530发送数据，仅当CC2530收到历史数据查询信息时，作为从机接受查询并返回信息。PLC每隔30s将数据送给CC2530，每五分钟存储一次实时数据以供查询。路由器节点PLC程序流程图如图4所示。
图4路由器节点PLC程序流程图
为了合理管理系统事件，ZigBee模块软件系统采用TI Z—Stack软件架构。无线模块开始运行后，系统设备进行初始化，然后Z—Stack开始执行，轮询事件以快速响应。在通信网络中，协调器主要负责建立网络和维护网络，并接收网络信息。整个协调器程序流程如图5所示。其中节点处理请求包括了节点的入网请求和数据传送请求。
图5CC2530协调器节点程序流程图
路由器在总体的任务调度等方面上与协调器相似，只是少了建立网络和处理节点请求的任务。对无线数据的接收处理方法无论是在协调器还是在路由器都是比较核心的部分。网状网络决定了数据处理方法较为复杂。路由器在接收到信息时，首先判断是否广播信息。对广播信息则保存其数据并进行下一步处理，否则判断信息目标地址是否本机。整个信息处理流程如图6所示。
图6CC2530路由器节点信息处理流程图
数据中心怎么写作器每次接收终端数据都是以数据包形式接收，每个数据包包括了该地点n个检测节点的信息。以某检测节点的数据为例，00 01 01 12 04 12 13 25 24 A3 7D 2F。其中00 01是终端机器码；01是节点在该终端网络中的节点码；12 04 12表示12年4月12日；13 25 24表示13点25分24秒；A3表示该节点中开关量信息为10100011；7D 2F表示该节点中两个模拟量，以FF为100%，则其值分别为49.02%和18.43%。将这些数据记录在数据库中，并以曲线或静态图形表示出来，可以给监督执法机关直观的数据依据。
图7所示的节点信息查询界面实现了某网络中某节点信息的实时更新和历史信息查询，点击实时数据，界面将显示当前节点信息，包括开关信号和模拟信号。在相应信号指示器上点击，可以在曲线框中显示一个小时内的曲线变化。显示数据部分表示当前正在显示的数据信息，包括时间和信号量。通过设置历史时间可以查询历史信息。
图7某节点信息的用户界面
4结语
本文利用CC2530 ZigBee模块、西门子S7—200 CPU 224XP CN、GPRS DTU数据通信和VB6.0 Winsock控件，成功实现了自组网的远程环境在线监测系统的设计。本设计对已在佛山市南海环保局运行的上一代采集仪提出了有参考意思的升级更新思路，使采集仪自身能够无线组网，扩大应用范围，降低通信等持续投资的费用，对其他监控系统的设计也能起一定的参考意义。
参考文献
陈立定，冯景辉.基于plc和GPRS的远程环境监测系统设计[J].自动化与仪表，2010，04：26—28.
李江全，刘荣.西门子S7—200 PLC数据通信及测控应用[M].北京：电子工业出版社，2011.
[3]西门子公司. S7—200编程手册[Z]， 2005： 108—115
[4]钟永峰，刘永俊.ZigBee无线传感器网络[M].北京：北京邮电大学出版社，2011.
[5]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].
[6]林瑶瑶.基于ZigBee的现场参数无线检测装置的研究与设计[D].大连：大连理工大学，2009.
[7]张敏，海博奇，邹鹏.基于ZigBee无线网络的电源电压监控系统[J]，通信技术，2012，45（02）：10—13.
[8]郭家虎.基于VB6.0的PC与PLC实时通信技术[J].煤矿机械， 2004（9）： 56—57.
关键词：远程环境监测；ZigBee；GPRS DTU；PLC；自组网
：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 traner 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。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Inte
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rnet，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）。TI公司的CC2530 ZigBee解决方案在2.4GHz频段下的波特率为250kbps。通过调节收发功率，CC2530之间的通信距离可以达到300m，若增加CC2591功率放大模块，通信距离可以达到1Km。将CC2530组建成网状网络，可以满足设计需求[4—7]。2.3GPRS无线通信模块
协调器节点连接GPRS DTU。协调器节点将从各路由器节点接收的实时数据及本身数据处理打包后，通过GPRS DTU将数据传递到GPRS网络，由监测怎么写作器接收处理。工业级的GPRS DTU模块提供串口，可进行模特率、数据位、校验位等设置，可与plc等串口设备通信。内嵌TCP/IP协议，设置IP地址、端口信息后，可透明地将串口数据通过GPRS网络发送到Internet，通过局域网传送到监测中心怎么写作器上。2.4监测中心怎么写作器
监测中心怎么写作器需要通过Internet接收GPRS DTU发来的数据，存储历史数据，显示实时数据，以友好简便的方式与监测工作人员互动。为了方便软件系统设计开发以及GPRS DTU模块的驱动连接，可采用X86架构的计算机作为怎么写作器，并配备Windows操作系统，怎么写作器终端操作平台采用可触控的一体机，通过Internet读取怎么写作器数据，方便工作人员操作[8]。计算技术与自动化2012年9月
第31卷第3期陈立定等：基于ZIGBEE和GPRS的PLC远程环境监测系统设计
3程序设计方法
3.1PLC程序设计
PLC程序设计的重点在于与无线模块的通信程序设计。西门子S7—200 CPU224XP CN具有4种通信方式：点对点（PPI）方式、多点接口协议（MPI）方式、DP方式、自由端口通信方式。其中自由端口通信方式允许自定义通信协议，数据收发模式自由切换，方便与外设通信。协调器节点中PLC通过Port0串口与CC2530通信，采用自由端口通信方式。大部分时间中PLC作为从机，从CC2530接收数据，仅当有查询指令时，通过CC2530向路由器节点发送查询指令。协调器每30s收集完路由器节点数据后，将数据送给PLC，PLC将数据打包后送至GPRS DTU模块，每隔5min存储一次实时数据以供查询。协调器PLC程序流程图如图2所示。
图2协调器节点PLC程序流程图
协调器节点还连接GPRS DTU模块。PLC通过Port1串口与GPRS DTU模块连接，同样采用自由端口通信方式。在与GPRS DTU通信过程中，大部分情况下PLC作为主机向GPRS模块发送数据，仅在接收查询指令时作为从机。协调器节点每隔30s将个域网内所有数据打包发送给数据中心。其工作流程如图3所示。
图LC与GPRS通讯程序框图
路由器节点中大部分时间PLC作为主机，向CC2530发送数据，仅当CC2530收到历史数据查询信息时，作为从机接受查询并返回信息。PLC每隔30s将数据送给CC2530，每五分钟存储一次实时数据以供查询。路由器节点PLC程序流程图如图4所示。
图4路由器节点PLC程序流程图
3.2CC2530程序设计
CC2530内嵌了增强型单周期指令51核心，相比传统的12周期指令8051单片机，执行速度大为提升。CC2530模块开发可采用IAR EW8051集成开发环境，并下载安装TI ZigBee协议栈。该集成开发环境具备C/C++编译器，十分方便开发使用。为了合理管理系统事件，ZigBee模块软件系统采用TI Z—Stack软件架构。无线模块开始运行后，系统设备进行初始化，然后Z—Stack开始执行，轮询事件以快速响应。在通信网络中，协调器主要负责建立网络和维护网络，并接收网络信息。整个协调器程序流程如图5所示。其中节点处理请求包括了节点的入网请求和数据传送请求。
图5CC2530协调器节点程序流程图
路由器在总体的任务调度等方面上与协调器相似，只是少了建立网络和处理节点请求的任务。对无线数据的接收处理方法无论是在协调器还是在路由器都是比较核心的部分。网状网络决定了数据处理方法较为复杂。路由器在接收到信息时，首先判断是否广播信息。对广播信息则保存其数据并进行下一步处理，否则判断信息目标地址是否本机。整个信息处理流程如图6所示。
图6CC2530路由器节点信息处理流程图
3.3监测软件设计
Winsock控件是微软提供的windows下网络编程接口，它集成了Socket技术，具备基于TCP/IP协议的接口实现方法。Winsock将通信相关的API封装成一个整体，只要通过对控件相关属性的设置和方法的调用就可以实现网络通信。本系统具有多个GPRS DTU终端，数据中心要为每台终端建立一个线程，以实时高效接收和发送数据。数据中心怎么写作器每次接收终端数据都是以数据包形式接收，每个数据包包括了该地点n个检测节点的信息。以某检测节点的数据为例，00 01 01 12 04 12 13 25 24 A3 7D 2F。其中00 01是终端机器码；01是节点在该终端网络中的节点码；12 04 12表示12年4月12日；13 25 24表示13点25分24秒；A3表示该节点中开关量信息为10100011；7D 2F表示该节点中两个模拟量，以FF为100%，则其值分别为49.02%和18.43%。将这些数据记录在数据库中，并以曲线或静态图形表示出来，可以给监督执法机关直观的数据依据。
图7所示的节点信息查询界面实现了某网络中某节点信息的实时更新和历史信息查询，点击实时数据，界面将显示当前节点信息，包括开关信号和模拟信号。在相应信号指示器上点击，可以在曲线框中显示一个小时内的曲线变化。显示数据部分表示当前正在显示的数据信息，包括时间和信号量。通过设置历史时间可以查询历史信息。
图7某节点信息的用户界面
4结语
本文利用CC2530 ZigBee模块、西门子S7—200 CPU 224XP CN、GPRS DTU数据通信和VB6.0 Winsock控件，成功实现了自组网的远程环境在线监测系统的设计。本设计对已在佛山市南海环保局运行的上一代采集仪提出了有参考意思的升级更新思路，使采集仪自身能够无线组网，扩大应用范围，降低通信等持续投资的费用，对其他监控系统的设计也能起一定的参考意义。
参考文献
陈立定，冯景辉.基于plc和GPRS的远程环境监测系统设计[J].自动化与仪表，2010，04：26—28.
李江全，刘荣.西门子S7—200 PLC数据通信及测控应用[M].北京：电子工业出版社，2011.
[3]西门子公司. S7—200编程手册[Z]， 2005： 108—115
[4]钟永峰，刘永俊.ZigBee无线传感器网络[M].北京：北京邮电大学出版社，2011.
[5]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].
源于：论文大纲怎么写www.udooo.com
北京：北京航空航天大学出版社，2009.[6]林瑶瑶.基于ZigBee的现场参数无线检测装置的研究与设计[D].大连：大连理工大学，2009.
[7]张敏，海博奇，邹鹏.基于ZigBee无线网络的电源电压监控系统[J]，通信技术，2012，45（02）：10—13.
[8]郭家虎.基于VB6.0的PC与PLC实时通信技术[J].煤矿机械， 2004（9）： 56—57.