應(yīng)用領(lǐng)域：遠(yuǎn)程監(jiān)測/控制
 
挑戰(zhàn)：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)。
 
應(yīng)用方案：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(jī)構(gòu)快速準(zhǔn)確的控制。使用 WEB server 實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
 
使用產(chǎn)品： 
LabVIEW 8.6/ RT/ DSC/ DAQmx
PCI 6221
NI WSN-3202
 
介紹：目前我國溫室面積不斷增大，溫室內(nèi)傳感器的種類和數(shù)量不斷增多，而由于溫室控制系統(tǒng)多采用有線布網(wǎng)、人工測量，作物更改時監(jiān)控設(shè)備要隨之改動，增加了布線的難度，工作效率低，故障率高。針對這種情況，本文提出了利用虛擬儀器技術(shù)的軟件開發(fā)平臺 labVIEW,結(jié)合基于ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)，通過 OPC SEVER控制下位機(jī)控制器 PLC，設(shè)計出寒地日光溫室群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

正文
1.  概述
    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，在實際運(yùn)行中存在著能耗大，自動運(yùn)行故障率高，維修成本高，使溫室控制主要靠人工經(jīng)驗手動管理，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(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，實現(xiàn)寒地日光溫室環(huán)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(xiàn)對 PLC 的讀寫，從而實時對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并通過 WEB SEVER實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2.  監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
    系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖 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(shè)置，報警，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。下位機(jī)控制器選用 PLC，梯形圖編程簡單，在寒地溫室復(fù)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

2.1  監(jiān)控系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選用 NI WSN-3202。NI WSN-3202 測量節(jié)點作為一款無線設(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(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)點連接至網(wǎng)關(guān)。最多 8 個終端節(jié)點（在星形拓?fù)渲校┗蜃疃?36 個測量節(jié)點（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：溫度測量范圍-40℃~+123.8℃；精度±0.3℃（在 25℃時）；響應(yīng)時間<8s；功耗 20Μw（平均值）；濕度測量范圍：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(biāo)是：測量范圍 0-2000ppm；測量精度±30ppm±5%（0-50℃）；響應(yīng)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(jī)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(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測。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(jī)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(shè)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。

2.2  監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括上位機(jī)軟件設(shè)計，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。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掌握現(xiàn)場情況，設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)圖 

    監(jiān)控系統(tǒng)登陸界面如圖3所示，通過與 ACCESS數(shù)據(jù)庫相連，可進(jìn)行新增用戶、登陸權(quán)限等管理。

圖3 軟件登陸界面 

    數(shù)據(jù)實時顯示界面如圖 4 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(shè)定上下限，實現(xiàn)聲光報警的管理。

圖4 實時數(shù)據(jù)顯示界面 

    機(jī)器狀態(tài)顯示與控制模塊如圖 5 所示，通過選擇手動和自動運(yùn)行，使用這種虛擬儀器的方式，實現(xiàn)各種現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖5 機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)顯示與控制 

    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 6、圖 7所示。

圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢 
 

圖7 數(shù)據(jù)查詢程序框圖

2.3  上位機(jī)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(jìn)行通信。用于過程控制的OLE（OPC）定義了在控制設(shè)備和人機(jī)界面（HMI）之間進(jìn)行實時對象數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)。OPC 服務(wù)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(qiáng)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(jī)相連，上電運(yùn)行，見梯形圖程序?qū)懭?PLC。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 NI OPC 服務(wù)器。如圖 8 所示。在 device 區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵創(chuàng)建 channel，設(shè)備驅(qū)動選擇 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 9 所示。這時在右側(cè)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(wù)器的設(shè)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(jìn)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(jìn)行通信的控件，該控件的數(shù)據(jù)類型應(yīng)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(shè)置相應(yīng)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(yīng)的地址，實現(xiàn)對下位機(jī)的讀寫。運(yùn)行 LabVIEW 程序，改變前面板控件的值，在 OPC Scout 中可觀察到 PLC 對應(yīng)地址上數(shù)據(jù)的變化；同樣該地址對應(yīng)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。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控實現(xiàn)
    通過開啟 LabVIEW 的 Web 服務(wù)器，可以在網(wǎng)頁上發(fā)布 LabVIEW 程序，使本地或遠(yuǎn)程的客戶端計算機(jī)可以實時瀏覽或控制 Web 服務(wù)器中的遠(yuǎn)程面板，實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境的遠(yuǎn)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(wù)器有關(guān)的設(shè)置和LabVIEW 程序的發(fā)布。如圖 11 所示，分別設(shè)置 Web服務(wù)器：配置；Web服務(wù)器：可見 VI；Web服務(wù)器：瀏覽器訪問。通過 Tools/Web Publishing Tools 對話框，可以將 Web內(nèi)存中的程序，以網(wǎng)頁的形式發(fā)布，在客戶端進(jìn)行瀏覽。
    根據(jù)客戶端安裝軟件的不同，客戶端對遠(yuǎn)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(yuǎn)程面板；在 LabVIEW 中監(jiān)控遠(yuǎn)程前面板；利用 LabVNC 實現(xiàn)遠(yuǎn)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(yuǎn)程面板。需要注意的是客戶端計算機(jī)需要安裝免費(fèi)的LabVIEW Run-Time Engine，安裝占空間約 90M 大小。 在 LAN內(nèi)，遠(yuǎn)程面板的地址格式是：http:// pcname: port / viname.htm；在 Internet 上，遠(yuǎn)程面板地址格式為 http://ipaddress:port/viname.htm。
    當(dāng)遠(yuǎn)程面板出現(xiàn)在瀏覽器上時，可右鍵單擊鼠標(biāo)，在彈出的菜單中，可以請求 vi 控制權(quán)，如圖 12 所示。當(dāng)多個客戶端同時監(jiān)控服務(wù)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(quán)，其他的需等待釋放后獲得控制權(quán)。
    在 Web服務(wù)器上，通過 Tools / Remote Panel Connection Manager，可以對所鏈接的客戶端計算機(jī)的連接信息與狀態(tài)進(jìn)行查看和控制。

結(jié)論
    利用 NI 公司先進(jìn)的軟硬件技術(shù)平臺，在極短的時間內(nèi)開發(fā)出了一套系統(tǒng)可靠，運(yùn)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(chǎn)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(qiáng)大的分析和控制功能。