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線監控系統。

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協議的NI-WSN，實現對溫室環境參數的無線測量，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，實現對執行機構快速準確的控制。使用WEB server實現監控系統的遠程監控。

       "通過使用NI產品，我們極大地縮短了系統開發周期和實驗的驗證時間。"

        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大省，目前隨著日光溫室的迅速發展，該地區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控系統，結合基于ZigBee技術的無線傳感器，實現寒地日光溫室環境信息的無線采集，顯示，存儲。通過LabVIEW DSC Module 中的OPC SEVER，易于實現對PLC的讀寫，從而實時對現場設備進行監控，并通過WEB SEVER實現遠程監控。

監控系統設計
         系統整體設計方案如圖1所示。無線傳感器網絡由布置在溫室中的環境溫、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境參數改變的電量，以無線的方式傳送至以太網關接收端，再通過以太網接口傳至上位機。上位機運行基于LabVIEW實現的監控界面，實現環境參數的實時顯示，數據庫存儲，打印輸出，參數設置，報警，歷史數據查詢等功能。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境條件下，控制器可靠性高。

監控系統硬件實現
        無線傳感器網絡選用NI WSN-3202 。NI WSN-3202測量節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供電，4節電池的電量可持續工作3年。采集節點在2.4 GHz頻段上以無線方式將數據傳輸至WSN以太網關；WSN以太網關進而通過以太網連接至其他網絡設備。WSN-3202可配置為網狀路由器(mesh router)，以拓展網絡距離并且將更多節點連接至網關。最多8個終端節點（在星形拓撲中）或最多36個測量節點（在網狀拓撲中）可連接單一WSN網關，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，擁有定時器的功能，同時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）的有線測量以及設備狀態的監測。與無線傳感器網絡共同構建完整集成的有線和無線測量。PCI-6221數據采集卡具有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掌握現場情況，設計了簡單、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、數據處理與查詢模塊等。

        數據實時顯示界面如圖3所示，可以實時顯示溫室環境各個參數的信息，并通過設定上下限，實現聲光報警的管理。

        機器狀態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，實現各種現場設備的遠程控制。

        利用LabVIEW用戶免費開放的數據庫訪問工具包LabSQL，通過Mircosoft ADO 控件和LabSQL語言實現數據庫的訪問。系統把監控的實時數據溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度及各執行器的狀態存入Access數據庫，操作人員可在數據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區單擊鼠標右鍵創建channel，設備驅動選擇omron host link，逐步選擇下一步，完成設置。在剛剛創建的通道PLC上單擊右鍵，選擇創建設備，輸入設備名稱CPM2AH，如圖8所示。這時在右側框<