基于LabVIEW平台的寒地日光温室群远程监控系统设计

"通过使用NI产品，我们极大地缩短了系统开发周期和实验的验证时间。"– Fulu Wang, Northeast Agriculture University

　　The Challenge:

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。

　　The Solution:

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。

Author(s):Fulu Wang - Northeast Agriculture University

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LabVIEW DSC Module 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。

　　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。

　　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。

　　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