基于 LabVIEW平臺的寒地日光溫室群遠程監控系統設計

　　1. 概述

　　地處寒地地區(高于北緯 43°的地區)的吉林省和黑龍江省是我國的農業大省，目前隨著日光溫室的迅速發展，該地區從國外引進并自行設計了大量日光溫室。經過調研走訪，由于高寒地區冬季惡劣的氣候條件，且溫室均以加溫溫室為主，在實際運行中存在著能耗大，自動運行故障率高，維修成本高，使溫室控制主要靠人工經驗手動管理，這是限制溫室作物高產、優質、高效生產的主要障礙。本文基于LabVIEW 軟件平臺構建上位機監控系統，結合基于 ZigBee 技術的無線傳感器，實現寒地日光溫室環境信息的無線采集，顯示，存儲。通過 NI DSC 模塊中的 OPC SEVER，易于實現對 PLC 的讀寫，從而實時對現場設備進行監控，并通過 WEB SEVER實現遠程監控。

　　2. 監控系統設計

　　系統整體設計方案如圖 1 所示。無線傳感器網絡由布置在溫室中的環境溫、濕度傳感器，土壤濕度傳感器及二氧化碳和光照傳感器組成，各傳感器將非電量轉化成隨環境參數改變的電量，以無線的方式傳送至以太網關接收端，再通過以太網接口傳至上位機。上位機運行基于 LabVIEW 實現的監控界面，實現環境參數的實時顯示，數據庫存儲，打印輸出，參數設置，報警，歷史數據查詢等功能。下位機控制器選用 PLC，梯形圖編程簡單，在寒地溫室復雜的環境條件下，控制器可靠性高。

　　圖1 系統整體方案框圖

　　2.1 監控系統硬件實現

　　無線傳感器網絡選用 NI WSN-3202。NI WSN-3202 測量節點作為一款無線設備，提供 4 路±10 V 模擬輸入通道和 4 路雙向數字通道。18 針螺栓端子連接器可直接與傳感器連接;設備提供的 12 V、20 mA 電源輸出可以直接為需要外部電源的傳感器供電。直接使用 4 節 1.5V、AA 堿性電池為該測量節點供電，4節電池的電量可持續工作 3 年。采集節點在 2.4 GHz 頻段上以無線方式將數據傳輸至 WSN 以太網關;WSN以太網關進而通過以太網連接至其他網絡設備。WSN-3202 可配置為網狀路由器(mesh router)，以拓展網絡距離并且將更多節點連接至網關。最多 8 個終端節點(在星形拓撲中)或最多 36 個測量節點(在網狀拓撲中)可連接單一 WSN 網關，支持最遠 300 米戶外視距。

　　溫度傳感器選用 SHT75，濕度傳感器選用 SHT75。主要性能指標是：溫度測量范圍-40℃~+123.8℃;精度±0.3℃(在 25℃時);響應時間<8s;功耗 20Μw(平均值);濕度測量范圍：0-100%RH;精度±1.8RH;重復性精度：±0.1%RH;數字量輸出。土壤濕度傳感器選用 5TE。光照度傳感器選用 TBQ-6。主要性能指標是：測量范圍 0-20 萬 Lux;光譜范圍 400-700nm;測量誤差<2%;電源電壓 12/24VDC;輸出可選4-20 mA 、0-20mV。CO2 傳感器選用 CGS-3100。主要性能指標是：測量范圍 0-2000ppm;測量精度±30ppm±5%(0-50℃);響應時間<30s;電源 9-18VDC;消耗電流平均 50 mA;數字量輸出。

　　數據采集卡使用NI公司M系列數據采集(DAQ)PCI-6221卡。PCI-6221是一款低廉的M系列數據采集卡，在計算機上使用。它可以采集模擬信號、數字信號，擁有定時器的功能，同時還具有模擬輸出的功能，該數據該數據采集卡具有高性能的數據采集與控制功能。我們主要使用的是該采集卡的模擬輸入、數字量輸入的功能。用于位置固定的傳感器(如室外氣象站監測)的有線測量以及設備狀態的監測。與無線傳感器網絡共同構建完整集成的有線和無線測量。PCI-6221數據采集卡具有16個模擬輸入通道，2個模擬輸出通道以及24個數字I/O。

　　下位機控制器選用OMRON PLC CPM2AH 60CDR A，該控制器可靠性高，性價比高，編程簡單，設計周期短。通過計算I/O，本系統一共需要29路輸入，13路輸出。

　　2.2 監控系統軟件設計

　　系統的軟件設計主要包括上位機軟件設計，和下位機梯形圖編程，本文主要介紹上位機軟件設計。上位機監控界面采樣 NI LabVIEW 軟件編程。為了便于操作人員及時掌握現場情況，設計了簡單、自然友好的監視控制界面。軟件系統如圖 2 所示，其中包括用戶管理模塊、數據采集模塊、參數設置模塊、控制輸出模塊、數據處理與查詢模塊等。

　　圖2 軟件系統結構圖

　　監控系統登陸界面如圖3所示，通過與 ACCESS數據庫相連，可進行新增用戶、登陸權限等管理。

　　圖3 軟件登陸界面

　　數據實時顯示界面如圖 4 所示，可以實時顯示溫室環境各個參數的信息，并通過設定上下限，實現聲光報警的管理。

　　圖4 實時數據顯示界面

　　機器狀態顯示與控制模塊如圖 5 所示，通過選擇手動和自動運行，使用這種虛擬儀器的方式，實現各種現場設備的遠程控制。

　　圖5 機器運行狀態顯示與控制

　　利用 LabVIEW 用戶免費開放的數據庫訪問工具包 LabSQL，通過 Mircosoft ADO 控件和 LabSQL語言實現數據庫的訪問。系統把監控的實時數據溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度及各執行器的狀態存入Access數據庫，操作人員可在數據查詢界面通過日期查詢。前面板及程序圖如圖 6、圖 7所示。

　　圖6 歷史數據查詢

　　圖7 數據查詢程序框圖

　　2.3 上位機軟件與PLC通信實現

　　NI LabVIEW 軟件可以通過多種方式與任何可編程邏輯控制器(PLC)進行通信。用于過程控制的OLE(OPC)定義了在控制設備和人機界面(HMI)之間進行實時對象數據通信的標準。OPC 服務器適用于幾乎所有 PLC和可編程自動化控制器(PAC)。通過 LabVIEW 程序訪問 PLC數據，可以在解決方案中加入強大的分析和控制功能。

　　本方案采用基于串口的傳統 PLC OMRON CPM2AH。首先通過歐姆龍 PLC 編程軟件 CX-Programmer，完成梯形圖程序的編寫，通過 RS232 串口線將 PLC 與上位機相連，上電運行，見梯形圖程序寫入 PLC。接下來進行 NI OPC 服務器的設置。選擇開始》程序》National Instruments》NI OPCServers》NI OPCServers，啟動 NI OPC 服務器。如圖 8 所示。在 device 區單擊鼠標右鍵創建 channel，設備驅動選擇 omron host link，逐步選擇下一步，完成設置。在剛剛創建的通道 PLC 上單擊右鍵，選擇創建設備，輸入設備名稱 CPM2AH，如圖 9 所示。這時在右側框，如圖左鍵單擊，添加 tag，輸入 tag 名和地址，配置 PLC 地址。如圖 10所示。至此 OPC 服務器的設置基本完成。

　　LabVIEW的 DataSocket 中隱含一個 NI 的 OPC Client，可通過 OPC Client 與 OMRON的 OPC Sever 進行通信，實現數據的交互。下面介紹如何在 LabVIEW 中利用 OPC 建立與 PLC 的數據連接。在 LabVIEW 的前面板上生成需進行通信的控件，該控件的數據類型應與 OPC 中的數據類型一致。在該控件上單擊右鍵，彈出快捷菜單，選擇“屬性/數據綁定/數據綁定選擇/datasocket”設置相應的訪問類型和路徑，這樣將程序中的前面板控件連接到 PLC 相應的地址，實現對下位機的讀寫。運行 LabVIEW 程序，改變前面板控件的值，在 OPC Scout 中可觀察到 PLC 對應地址上數據的變化;同樣該地址對應的 LabVIEW 中的變量的值也會改變。至此，基于 OPC 的 PC與 PLC 實時通信就實現了。

　　2.4 遠程監控實現

　　通過開啟 LabVIEW 的 Web 服務器，可以在網頁上發布 LabVIEW 程序，使本地或遠程的客戶端計算機可以實時瀏覽或控制 Web 服務器中的遠程面板，實現生產環境的遠程控制。

　　使用 LabVIEW 的 Web 發布工具：Tools/Options，在彈出的對話框中完成與 Web 服務器有關的設置和LabVIEW 程序的發布。如圖 11 所示，分別設置 Web服務器：配置;Web服務器：可見 VI;Web服務器：瀏覽器訪問。通過 Tools/Web Publishing Tools 對話框，可以將 Web內存中的程序，以網頁的形式發布，在客戶端進行瀏覽。

　　根據客戶端安裝軟件的不同，客戶端對遠程面板有不同的訪問方式。如在 Web 上瀏覽程序前面板;在 Web 上瀏覽 HTML 文件;通過網頁瀏覽器在網頁中操作遠程面板;在 LabVIEW 中監控遠程前面板;利用 LabVNC 實現遠程面板發布。

　　本文選擇使用網頁瀏覽器在網頁中操作遠程面板。需要注意的是客戶端計算機需要安裝免費的LabVIEW Run-Time Engine，安裝占空間約 90M 大小。 在 LAN內，遠程面板的地址格式是：http:// pcname: port / viname.htm;在 Internet 上，遠程面板地址格式為 http://ipaddress:port/viname.htm。

　　當遠程面板出現在瀏覽器上時，可右鍵單擊鼠標，在彈出的菜單中，可以請求 vi 控制權，如圖 12 所示。當多個客戶端同時監控服務器端時，可以多個同時監視，但只能有一個客戶端有控制權，其他的需等待釋放后獲得控制權。

　　在 Web服務器上，通過 Tools / Remote Panel Connection Manager，可以對所鏈接的客戶端計算機的連接信息與狀態進行查看和控制。

　　結論

　　利用 NI 公司先進的軟硬件技術平臺，在極短的時間內開發出了一套系統可靠，運行穩定的寒地日光溫室控制系統。借助 NI WSN 系統，靈活創建完整集成的有線和無線測量解決方案，并通過 LabVIEW 開發環境訪問各類 NI 平臺。同時實現了與 LabVIEW 軟件開發平臺的無縫連接。選定 NI 公司的產品，無論是在開發的周期還是實驗的驗證都得到了很好的縮短。LabVIEW 的開發便捷性在 UI 界面與系統的開發過程中得到了充分的發揮。通過 LabVIEW 程序訪問 PLC 數據，可以在解決方案中加入強大的分析和控制功能。