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，共同構建寒地日光溫室群遠程無(wú)線(xiàn)監控系統。
The Solution:
通過(guò)使用具有良好人機界面和易于編程的LabVIEW，結合基于ZigBee協(xié)議的NI-WSN，實(shí)現對溫室環(huán)境參數的無(wú)線(xiàn)測量，傳送，顯示和存儲。使用DSC工具包，通過(guò)OPC server易于對溫室控制器OMRON PLC 的讀寫(xiě)，實(shí)現對執行機構快速準確的控制。使用WEB server實(shí)現監控系統的遠程監控。
"通過(guò)使用NI產(chǎn)品，我們極大地縮短了系統開(kāi)發(fā)周期和實(shí)驗的驗證時(shí)間。"
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(yè)大省，目前隨著(zhù)日光溫室的迅速發(fā)展，該地區從國外引進(jìn)并自行設計了大量日光溫室。經(jīng)過(guò)調研走訪(fǎng)，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(shí)際運行中存在著(zhù)能耗大，自動(dòng)運行故障率高，維修成本高，使溫室控制主要靠人工經(jīng)驗手動(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軟件平臺構建上位機監控系統，結合基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器，實(shí)現寒地日光溫室環(huán)境信息的無(wú)線(xiàn)采集，顯示，存儲。通過(guò)LabVIEW DSC Module 中的OPC SEVER，易于實(shí)現對PLC的讀寫(xiě)，從而實(shí)時(shí)對現場(chǎng)設備進(jìn)行監控，并通過(guò)WEB SEVER實(shí)現遠程監控。
監控系統設計
系統整體設計方案如圖1所示。無(wú)線(xiàn)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化成隨環(huán)境參數改變的電量，以無(wú)線(xiàn)的方式傳送至以太網(wǎng)關(guān)接收端，再通過(guò)以太網(wǎng)接口傳至上位機。上位機運行基于LabVIEW實(shí)現的監控界面，實(shí)現環(huán)境參數的實(shí)時(shí)顯示，數據庫存儲，打印輸出，參數設置，報警，歷史數據查詢(xún)等功能。下位機控制器選用PLC，梯形圖編程簡(jiǎn)單，在寒地溫室復雜的環(huán)境條件下，控制器可靠性高。
監控系統硬件實(shí)現
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )選用NI WSN-3202 。NI WSN-3202測量節點(diǎn)作為一款無(wú)線(xiàn)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(diǎn)供電，4節電池的電量可持續工作3年。采集節點(diǎn)在2.4 GHz頻段上以無(wú)線(xiàn)方式將數據傳輸至WSN以太網(wǎng)關(guān)；WSN以太網(wǎng)關(guān)進(jìn)而通過(guò)以太網(wǎng)連接至其他網(wǎng)絡(luò )設備。WSN-3202可配置為網(wǎng)狀路由器(mesh router)，以拓展網(wǎng)絡(luò )距離并且將更多節點(diǎn)連接至網(wǎng)關(guān)。最多8個(gè)終端節點(diǎn)（在星形拓撲中）或最多36個(gè)測量節點(diǎn)（在網(wǎng)狀拓撲中）可連接單一WSN網(wǎng)關(guān)，支持最遠300米戶(hù)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(shí)）；響應時(shí)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(wàn)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(shí)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(shí)器的功能，同時(shí)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(xiàn)測量以及設備狀態(tài)的監測。與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )共同構建完整集成的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)測量。PCI-6221數據采集卡具有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?xún)r(jià)比高，編程簡(jiǎn)單，設計周期短。通過(guò)計算I/O，本系統一共需要29路輸入，13路輸出。
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(shí)掌握現場(chǎng)情況，設計了簡(jiǎn)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(hù)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(xún)模塊等。
數據實(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)參數的信息，并通過(guò)設定上下限，實(shí)現聲光報警的管理。
機器狀態(tài)顯示與控制模塊如圖4所示，通過(guò)選擇手動(dòng)和自動(dòng)運行，使用這種虛擬儀器的方式，實(shí)現各種現場(chǎng)設備的遠程控制。
利用LabVIEW用戶(hù)免費開(kāi)放的數據庫訪(fǎng)問(wèn)工具包LabSQL，通過(guò)Mircosoft ADO 控件和LabSQL語(yǔ)言實(shí)現數據庫的訪(fǎng)問(wèn)。系統把監控的實(shí)時(shí)數據溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度及各執行器的狀態(tài)存入Access數據庫，操作人員可在數據查詢(xún)界面通過(guò)日期查詢(xún)。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PLC OMRON CPM2AH。首先通過(guò)歐姆龍PLC編程軟件CX-Programmer，完成梯形圖程序的編寫(xiě)，通過(guò)RS232串口線(xiàn)將PLC與上位機相連，上電運行，見(jiàn)梯形圖程序寫(xiě)入PLC。接下來(lái)進(jìn)行NI OPC服務(wù)器的設置。選擇開(kāi)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區單擊鼠標右鍵創(chuàng )建channel，設備驅動(dòng)選擇omron host link，逐步選擇下一步，完成設置。在剛剛創(chuàng )建的通道PLC上單擊右鍵，選擇創(chuàng )建設備，輸入設備名稱(chēng)CPM2AH，如圖8所示。這時(shí)在右側框<
