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線監(jiān)控系統(tǒng)。
The Solution:
通過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，實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的無線測量，傳送，顯示和存儲。使用DSC工具包，通過OPC server易于對溫室控制器OMRON PLC 的讀寫，實現(xiàn)對執(zhí)行機構快速準確的控制。使用WEB server實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。
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)從國外引進并自行設計了大量日光溫室。經過調研走訪，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(yōu)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(jiān)控系統(tǒng)，結合基于ZigBee技術的無線傳感器，實現(xiàn)寒地日光溫室環(huán)境信息的無線采集，顯示，存儲。通過LabVIEW DSC Module 中的OPC SEVER，易于實現(xiàn)對PLC的讀寫，從而實時對現(xiàn)場設備進行監(jiān)控，并通過WEB SEVER實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
監(jiān)控系統(tǒng)設計
系統(tǒng)整體設計方案如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡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(shù)改變的電量，以無線的方式傳送至以太網(wǎng)關接收端，再通過以太網(wǎng)接口傳至上位機。上位機運行基于LabVIEW實現(xiàn)的監(jiān)控界面，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實時顯示，數(shù)據(jù)庫存儲，打印輸出，參數(shù)設置，報警，歷史數(shù)據(jù)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(huán)境條件下，控制器可靠性高。
圖1 系統(tǒng)整體方案框圖
監(jiān)控系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
無線傳感器網(wǎng)絡選用NI WSN-3202 。NI WSN-3202測量節(jié)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(shù)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(jié)1.5V、AA堿性電池為該測量節(jié)點供電，4節(jié)電池的電量可持續(xù)工作3年。采集節(jié)點在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；WSN以太網(wǎng)關進而通過以太網(wǎng)連接至其他網(wǎng)絡設備。WSN-3202可配置為網(wǎng)狀路由器(mesh router)，以拓展網(wǎng)絡距離并且將更多節(jié)點連接至網(wǎng)關。最多8個終端節(jié)點（在星形拓撲中）或最多36個測量節(jié)點（在網(wǎng)狀拓撲中）可連接單一WSN網(wǎng)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(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(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，在計算機上使用。它可以采集模擬信號、數(shù)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(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）的有線測量以及設備狀態(tài)的監(jiān)測。與無線傳感器網(wǎng)絡共同構建完整集成的有線和無線測量。PCI-6221數(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)一共需要29路輸入，13路輸出。
監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)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(jiān)控界面采樣NI LabVIEW 軟件編程。為了便于操作人員及時掌握現(xiàn)場情況，設計了簡單、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)設置模塊、控制輸出模塊、數(shù)據(jù)處理與查詢模塊等。
圖2 軟件系統(tǒng)結構圖
數(shù)據(jù)實時顯示界面如圖3所示，可以實時顯示溫室環(huán)境各個參數(shù)的信息，并通過設定上下限，實現(xiàn)聲光報警的管理。
圖3實時數(shù)據(jù)顯示界面
機器狀態(tài)顯示與控制模塊如圖4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(xiàn)各種現(xiàn)場設備的遠程控制。
圖4 機器運行狀態(tài)顯示與控制
利用LabVIEW用戶免費開放的數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL，通過Mircosoft ADO 控件和LabSQL語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問。系統(tǒng)把監(jiān)控的實時數(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。
圖5歷史數(shù)據(jù)查詢
圖6數(shù)據(jù)查詢程序框圖
上位機軟件與PLC通信實現(xiàn)
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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(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7所示。在device區(qū)單擊鼠標右鍵創(chuàng)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(chuàng)建的通道PLC上單擊右鍵，選擇創(chuàng)建設備，輸入設備名稱CPM2AH，如圖8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9所示。至此OPC服務器的設置基本完成。
圖7 NI OPC SERVER 對話框
圖8 新建通道選擇設備驅動
圖9 添加tag 名稱及對應PLC地址
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(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。下面介紹如何在LabVIEW中利用OPC 建立與PLC的數(shù)據(jù)連接。在LabVIEW的前面板上生成需進行通信的控件，該控件的數(shù)據(jù)類型應與OPC中的數(shù)據(jù)類型一致。在該控件上單擊右鍵，彈出快捷菜單，選擇“屬性/數(shù)據(jù)綁定/數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)了。
遠程監(jiān)控實現(xiàn)
通過開啟LabVIEW的Web服務器，可以在網(wǎng)頁上發(fā)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(xiàn)生產環(huán)境的遠程控制。
使用LabVIEW的Web發(fā)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(fā)布。如圖10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(wǎng)頁的形式發(fā)布，在客戶端進行瀏覽。
根據(jù)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(wǎng)頁瀏覽器在網(wǎng)頁中操作遠程面板；在LabVIEW中監(jiān)控遠程前面板；利用LabVNC實現(xiàn)遠程面板發(fā)布。
本文選擇使用網(wǎng)頁瀏覽器在網(wǎng)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(xiàn)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11所示。當多個客戶端同時監(jiān)控服務器端時，可以多個同時監(jiān)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(tài)進行查看和控制。
圖10 Web 服務器配置圖
圖11 遠程監(jiān)控界面
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(fā)出了一套系統(tǒng)可靠，運行穩(wěn)定的寒地日光溫室控制系統(tǒng)。借助NI WSN系統(tǒng)，靈活創(chuàng)建完整集成的有線和無線測量解決方案，并通過LabVIEW開發(fā)環(huán)境訪問各類NI平臺。同時實現(xiàn)了與LabVIEW軟件開發(fā)平臺的無縫連接。選定NI公司的產品，無論是在開發(fā)的周期還是實驗的驗證都得到了很好的縮短。LabVIEW的開發(fā)便捷性在UI界面與系統(tǒng)的開發(fā)過程中得到了充分的發(fā)揮。通過LabVIEW程序訪問PLC數(shù)據(jù)，可以在解決方案中加入強大的分析和控制功能。