基于 LabVIEW平台的寒地日光温室群远程监控系统设计

应用领域：远程监测/控制
 
挑战：以 NI LabVIEW 为软件核心，集成 PCI6221，NI WSN，第三方 OMRON PLC 控制器等硬件，共同构建寒地日光温室群远程无线监控系统。
 
应用方案：通过使用具有良好人机界面和易于编程的 LabVIEW，结合基于 ZigBee 协议的 NI-WSN，实现对温室环境参数的无线测量，传送，显示和存储。使用 DSC 工具包，通过 OPC server 易于对温室控制器 OMRON PLC 的读写，实现对执行机构快速准确的控制。使用 WEB server 实现监控系统的远程监控。
 
使用产品： 
LabVIEW 8.6/ RT/ DSC/ DAQmx
PCI 6221
NI WSN-3202
 
介绍：目前我国温室面积不断增大，温室内传感器的种类和数量不断增多，而由于温室控制系统多采用有线布网、人工测量，作物更改时监控设备要随之改动，增加了布线的难度，工作效率低，故障率高。针对这种情况，本文提出了利用虚拟仪器技术的软件开发平台 labVIEW,结合基于ZigBee 协议的无线传感器网络（WSN）技术，通过 OPC SEVER控制下位机控制器 PLC，设计出寒地日光温室群远程监控系统。

正文
1.  概述
    地处寒地地区（高于北纬 43°的地区）的吉林省和黑龙江省是我国的农业大省，目前随着日光温室的迅速发展，该地区从国外引进并自行设计了大量日光温室。经过调研走访，由于高寒地区冬季恶劣的气候条件，且温室均以加温温室为主，在实际运行中存在着能耗大，自动运行故障率高，维修成本高，使温室控制主要靠人工经验手动管理，这是限制温室作物高产、优质、高效生产的主要障碍。本文基于LabVIEW 软件平台构建上位机监控系统，结合基于 ZigBee 技术的无线传感器，实现寒地日光温室环境信息的无线采集，显示，存储。通过 NI DSC 模块中的 OPC SEVER，易于实现对 PLC 的读写，从而实时对现场设备进行监控，并通过 WEB SEVER实现远程监控。
2.  监控系统设计
    系统整体设计方案如图 1 所示。无线传感器网络由布置在温室中的环境温、湿度传感器，土壤湿度传感器及二氧化碳和光照传感器组成，各传感器将非电量转化成随环境参数改变的电量，以无线的方式传送至以太网关接收端，再通过以太网接口传至上位机。上位机运行基于 LabVIEW 实现的监控界面，实现环境参数的实时显示，数据库存储，打印输出，参数设置，报警，历史数据查询等功能。下位机控制器选用 PLC，梯形图编程简单，在寒地温室复杂的环境条件下，控制器可靠性高。

图1 系统整体方案框图

2.1  监控系统硬件实现
    无线传感器网络选用 NI WSN-3202。NI WSN-3202 测量节点作为一款无线设备，提供 4 路±10 V 模拟输入通道和 4 路双向数字通道。18 针螺栓端子连接器可直接与传感器连接；设备提供的 12 V、20 mA 电源输出可以直接为需要外部电源的传感器供电。直接使用 4 节 1.5V、AA 碱性电池为该测量节点供电，4节电池的电量可持续工作 3 年。采集节点在 2.4 GHz 频段上以无线方式将数据传输至 WSN 以太网关；WSN以太网关进而通过以太网连接至其他网络设备。WSN-3202 可配置为网状路由器(mesh router)，以拓展网络距离并且将更多节点连接至网关。最多 8 个终端节点（在星形拓扑中）或最多 36 个测量节点（在网状拓扑中）可连接单一 WSN 网关，支持最远 300 米户外视距。
    温度传感器选用 SHT75，湿度传感器选用 SHT75。主要性能指标是：温度测量范围-40℃~+123.8℃；精度±0.3℃（在 25℃时）；响应时间<8s；功耗 20Μw（平均值）；湿度测量范围：0-100%RH；精度±1.8RH;重复性精度：±0.1%RH；数字量输出。土壤湿度传感器选用 5TE。光照度传感器选用 TBQ-6。主要性能指标是：测量范围 0-20 万 Lux；光谱范围 400-700nm；测量误差<2%；电源电压 12/24VDC;输出可选4-20 mA  、0-20mV。CO2 传感器选用 CGS-3100。主要性能指标是：测量范围 0-2000ppm；测量精度±30ppm±5%（0-50℃）；响应时间<30s；电源 9-18VDC;消耗电流平均 50 mA；数字量输出。
    数据采集卡使用NI公司M系列数据采集（DAQ）PCI-6221卡。PCI-6221是一款低廉的M系列数据采集卡，在计算机上使用。它可以采集模拟信号、数字信号，拥有定时器的功能，同时还具有模拟输出的功能，该数据该数据采集卡具有高性能的数据采集与控制功能。我们主要使用的是该采集卡的模拟输入、数字量输入的功能。用于位置固定的传感器（如室外气象站监测）的有线测量以及设备状态的监测。与无线传感器网络共同构建完整集成的有线和无线测量。PCI-6221数据采集卡具有16个模拟输入通道，2个模拟输出通道以及24个数字I/O。
    下位机控制器选用OMRON PLC CPM2AH 60CDR A，该控制器可靠性高，性价比高，编程简单，设计周期短。通过计算I/O，本系统一共需要29路输入，13路输出。

2.2  监控系统软件设计
    系统的软件设计主要包括上位机软件设计，和下位机梯形图编程，本文主要介绍上位机软件设计。上位机监控界面采样 NI LabVIEW 软件编程。为了便于操作人员及时掌握现场情况，设计了简单、自然友好的监视控制界面。软件系统如图 2 所示，其中包括用户管理模块、数据采集模块、参数设置模块、控制输出模块、数据处理与查询模块等。  

图2 软件系统结构图 

    监控系统登陆界面如图3所示，通过与 ACCESS数据库相连，可进行新增用户、登陆权限等管理。

图3 软件登陆界面 

    数据实时显示界面如图 4 所示，可以实时显示温室环境各个参数的信息，并通过设定上下限，实现声光报警的管理。

图4 实时数据显示界面 

    机器状态显示与控制模块如图 5 所示，通过选择手动和自动运行，使用这种虚拟仪器的方式，实现各种现场设备的远程控制。

图5 机器运行状态显示与控制 

    利用 LabVIEW 用户免费开放的数据库访问工具包 LabSQL，通过 Mircosoft ADO 控件和 LabSQL语言实现数据库的访问。系统把监控的实时数据温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度及各执行器的状态存入Access数据库，操作人员可在数据查询界面通过日期查询。前面板及程序图如图 6、图 7所示。

图6 历史数据查询 
 

图7 数据查询程序框图

2.3  上位机软件与PLC通信实现
    NI LabVIEW 软件可以通过多种方式与任何可编程逻辑控制器（PLC）进行通信。用于过程控制的OLE（OPC）定义了在控制设备和人机界面（HMI）之间进行实时对象数据通信的标准。OPC 服务器适用于几乎所有 PLC和可编程自动化控制器（PAC）。通过 LabVIEW 程序访问 PLC数据，可以在解决方案中加入强大的分析和控制功能。
    本方案采用基于串口的传统 PLC OMRON CPM2AH。首先通过欧姆龙 PLC 编程软件 CX-Programmer，完成梯形图程序的编写，通过 RS232 串口线将 PLC 与上位机相连，上电运行，见梯形图程序写入 PLC。接下来进行 NI OPC 服务器的设置。选择开始》程序》National Instruments》NI OPCServers》NI OPCServers，启动 NI OPC 服务器。如图 8 所示。在 device 区单击鼠标右键创建 channel，设备驱动选择 omron host link，逐步选择下一步，完成设置。在刚刚创建的通道 PLC 上单击右键，选择创建设备，输入设备名称 CPM2AH，如图 9 所示。这时在右侧框，如图左键单击，添加 tag，输入 tag 名和地址，配置 PLC 地址。如图 10所示。至此 OPC 服务器的设置基本完成。

  

    LabVIEW的 DataSocket 中隐含一个 NI 的 OPC Client，可通过 OPC Client 与 OMRON的 OPC Sever 进行通信，实现数据的交互。下面介绍如何在 LabVIEW 中利用 OPC  建立与 PLC 的数据连接。在 LabVIEW 的前面板上生成需进行通信的控件，该控件的数据类型应与 OPC 中的数据类型一致。在该控件上单击右键，弹出快捷菜单，选择“属性/数据绑定/数据绑定选择/datasocket”设置相应的访问类型和路径，这样将程序中的前面板控件连接到 PLC 相应的地址，实现对下位机的读写。运行 LabVIEW 程序，改变前面板控件的值，在 OPC Scout 中可观察到 PLC 对应地址上数据的变化；同样该地址对应的 LabVIEW 中的变量的值也会改变。至此，基于 OPC 的 PC与 PLC 实时通信就实现了。

2.4 远程监控实现
    通过开启 LabVIEW 的 Web 服务器，可以在网页上发布 LabVIEW 程序，使本地或远程的客户端计算机可以实时浏览或控制 Web 服务器中的远程面板，实现生产环境的远程控制。
    使用 LabVIEW 的 Web 发布工具：Tools/Options，在弹出的对话框中完成与 Web 服务器有关的设置和LabVIEW 程序的发布。如图 11 所示，分别设置 Web服务器：配置；Web服务器：可见 VI；Web服务器：浏览器访问。通过 Tools/Web Publishing Tools 对话框，可以将 Web内存中的程序，以网页的形式发布，在客户端进行浏览。
    根据客户端安装软件的不同，客户端对远程面板有不同的访问方式。如在 Web 上浏览程序前面板；在 Web 上浏览 HTML 文件；通过网页浏览器在网页中操作远程面板；在 LabVIEW 中监控远程前面板；利用 LabVNC 实现远程面板发布。
    本文选择使用网页浏览器在网页中操作远程面板。需要注意的是客户端计算机需要安装免费的LabVIEW Run-Time Engine，安装占空间约 90M 大小。 在 LAN内，远程面板的地址格式是：http:// pcname: port / viname.htm；在 Internet 上，远程面板地址格式为 http://ipaddress:port/viname.htm。
    当远程面板出现在浏览器上时，可右键单击鼠标，在弹出的菜单中，可以请求 vi 控制权，如图 12 所示。当多个客户端同时监控服务器端时，可以多个同时监视，但只能有一个客户端有控制权，其他的需等待释放后获得控制权。
    在 Web服务器上，通过 Tools / Remote Panel Connection Manager，可以对所链接的客户端计算机的连接信息与状态进行查看和控制。

  

结论
    利用 NI 公司先进的软硬件技术平台，在极短的时间内开发出了一套系统可靠，运行稳定的寒地日光温室控制系统。借助 NI WSN 系统，灵活创建完整集成的有线和无线测量解决方案，并通过 LabVIEW 开发环境访问各类 NI 平台。同时实现了与 LabVIEW 软件开发平台的无缝连接。选定 NI 公司的产品，无论是在开发的周期还是实验的验证都得到了很好的缩短。LabVIEW 的开发便捷性在 UI 界面与系统的开发过程中得到了充分的发挥。通过 LabVIEW 程序访问 PLC 数据，可以在解决方案中加入强大的分析和控制功能。