Author(s):
Fulu Wang - Northeast Agriculture University
Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems
Products:
PCI Basic, NI WSN-3202, LabVIEW
The Challenge:
以NI LabVIEW為軟件核心，集成PCI6221，NI WSN，第三方OMRON PLC 控制器等硬件，共同構(gòu)建寒地日光溫室群遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)。
The Solution:
通過使用具有良好人機(jī)界面和易于編程的LabVIEW，結(jié)合基于ZigBee協(xié)議的NI-WSN，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的無線測(cè)量，傳送，顯示和存儲(chǔ)。使用DSC工具包，通過OPC server易于對(duì)溫室控制器OMRON PLC 的讀寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速準(zhǔn)確的控制。使用WEB server實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
"通過使用NI產(chǎn)品，我們極大地縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證時(shí)間。"
地處寒地地區(qū)（高于北緯43°的地區(qū)）的吉林省和黑龍江省是我國的農(nóng)業(yè)大省，目前隨著日光溫室的迅速發(fā)展，該地區(qū)從國外引進(jìn)并自行設(shè)計(jì)了大量日光溫室。經(jīng)過調(diào)研走訪，由于高寒地區(qū)冬季惡劣的氣候條件，且溫室均以加溫溫室為主，在實(shí)際運(yùn)行中存在著能耗大，自動(dòng)運(yùn)行故障率高，維修成本高，使溫室控制主要靠人工經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)管理，這是限制溫室作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)的主要障礙。
本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)構(gòu)建上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器，實(shí)現(xiàn)寒地日光溫室環(huán)境信息的無線采集，顯示，存儲(chǔ)。通過LabVIEW DSC Module 中的OPC SEVER，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的讀寫，從而實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并通過WEB SEVER實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由布置在溫室中的環(huán)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(zhuǎn)化成隨環(huán)境參數(shù)改變的電量，以無線的方式傳送至以太網(wǎng)關(guān)接收端，再通過以太網(wǎng)接口傳至上位機(jī)。上位機(jī)運(yùn)行基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，打印輸出，參數(shù)設(shè)置，報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。下位機(jī)控制器選用PLC，梯形圖編程簡(jiǎn)單，在寒地溫室復(fù)雜的環(huán)境條件下，控制器可靠性高。
監(jiān)控系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選用NI WSN-3202 。NI WSN-3202測(cè)量節(jié)點(diǎn)作為一款無線設(shè)備，提供4路±10 V模擬輸入通道和4路雙向數(shù)字通道。18針螺栓端子連接器可直接與傳感器連接；設(shè)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(jié)1.5V、AA堿性電池為該測(cè)量節(jié)點(diǎn)供電，4節(jié)電池的電量可持續(xù)工作3年。采集節(jié)點(diǎn)在2.4 GHz頻段上以無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至WSN以太網(wǎng)關(guān)；WSN以太網(wǎng)關(guān)進(jìn)而通過以太網(wǎng)連接至其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。WSN-3202可配置為網(wǎng)狀路由器(mesh router)，以拓展網(wǎng)絡(luò)距離并且將更多節(jié)點(diǎn)連接至網(wǎng)關(guān)。最多8個(gè)終端節(jié)點(diǎn)（在星形拓?fù)渲校┗蜃疃?6個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)（在網(wǎng)狀拓?fù)渲校┛蛇B接單一WSN網(wǎng)關(guān)，支持最遠(yuǎn)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(biāo)是：溫度測(cè)量范圍-40℃~+123.8℃；精度±0.3℃（在25℃時(shí)）；響應(yīng)時(shí)間<8s；功耗20Μw（平均值）；濕度測(cè)量范圍：0-100%RH；精度±1.8RH;重復(fù)性精度：±0.1%RH；數(shù)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(biāo)是：測(cè)量范圍0-20萬Lux；光譜范圍400-700nm；測(cè)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(biāo)是：測(cè)量范圍0-2000ppm；測(cè)量精度±30ppm±5%（0-50℃）；響應(yīng)時(shí)間<30s；電源9-18VDC;消耗電流平均50 mA；數(shù)字量輸出。
數(shù)據(jù)采集卡使用NI公司M系列數(shù)據(jù)采集（DAQ） PCI-6221 卡。PCI-6221是一款低廉的M系列數(shù)據(jù)采集卡，在計(jì)算機(jī)上使用。它可以采集模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)，擁有定時(shí)器的功能，同時(shí)還具有模擬輸出的功能，該數(shù)據(jù)該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)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(shù)字量輸入的功能。用于位置固定的傳感器（如室外氣象站監(jiān)測(cè)）的有線測(cè)量以及設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)建完整集成的有線和無線測(cè)量。PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡具有16個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道以及24個(gè)數(shù)字I/O。
下位機(jī)控制器選用OMRON PLC CPM2AH 60CDR A，該控制器可靠性高，性價(jià)比高，編程簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)周期短。通過計(jì)算I/O，本系統(tǒng)一共需要29路輸入，13路輸出。
監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，和下位機(jī)梯形圖編程，本文主要介紹上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)控界面采樣NI LabVIEW 軟件編程。為了便于操作人員及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單、自然友好的監(jiān)視控制界面。軟件系統(tǒng)如圖2所示，其中包括用戶管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、控制輸出模塊、數(shù)據(jù)處理與查詢模塊等。
數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面如圖3所示，可以實(shí)時(shí)顯示溫室環(huán)境各個(gè)參數(shù)的信息，并通過設(shè)定上下限，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的管理。
機(jī)器狀態(tài)顯示與控制模塊如圖4所示，通過選擇手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行，使用這種虛擬儀器的方式，實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。
利用LabVIEW用戶免費(fèi)開放的數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL，通過Mircosoft ADO 控件和LabSQL語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問。系統(tǒng)把監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度及各執(zhí)行器的狀態(tài)存入Access數(shù)據(jù)庫，操作人員可在數(shù)據(jù)查詢界面通過日期查詢。前面板及程序圖如圖5、圖6所示。
本方案采用基于串口的傳統(tǒng)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(jī)相連，上電運(yùn)行，見梯形圖程序?qū)懭隤LC。接下來進(jìn)行NI OPC服務(wù)器的設(shè)置。選擇開始》程序》National Instruments》NI OPCServers》NI OPCServers，啟動(dòng)NI OPC服務(wù)器。如圖7所示。在device區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵創(chuàng)建channel，設(shè)備驅(qū)動(dòng)選擇omron host link，逐步選擇下一步，完成設(shè)置。在剛剛創(chuàng)建的通道PLC上單擊右鍵，選擇創(chuàng)建設(shè)備，輸入設(shè)備名稱CPM2AH，如圖8所示。這時(shí)在右側(cè)框<
