寒地日光温室群远程监控系统设计方案

"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。
 

图1：系统整体方案框图

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、自然友好的监视控制界面。软件系统如图2所示，其中包括用户管理模块、数据采集模块、参数设置模块、控制输出模块、数据处理与查询模块等。
 

图2：软件系统结构图

数据实时显示界面如图3所示，可以实时显示温室环境各个参数的信息，并通过设定上下限，实现声光报警的管理。
 

图3：实时数据显示界面

机器状态显示与控制模块如图4所示，通过选择手动和自动运行，使用这种虚拟仪器的方式，实现各种现场设备的远程控制。

图4：机器运行状态显示与控制

利用LabVIEW用户免费开放的数据库访问工具包LabSQL，通过Mircosoft ADO 控件和LabSQL语言实现数据库的访问。系统把监控的实时数据温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度及各执行器的状态存入Access数据库，操作人员可在数据查询界面通过日期查询。前面板及程序图如图5、图6所示。
 

图5：历史数据查询

图6：数据查询程序框图

上位机软件与PLC通信实现

NI LabVIEW软件可以通过多种方式与任何可编程逻辑控制器(PLC)进行通信。用于过程控制的OLE(OPC)定义了在控制设备和人机界面(HMI)之间进行实时对象数据通信的标准。OPC服务器适用于几乎所有PLC和可编程自动化控制器(PAC)。通过LabVIEW程序访问PLC数据，可以在解决方案中加入强大的分析和控制功能。

本方案采用基于串口的传统PLC OMRON CPM2AH。首先通过欧姆龙PLC编程软件CX-Programmer，完成梯形图程序的编写，通过RS232串口线将PLC与上位机相连，上电运行，见梯形图程序写入PLC。接下来进行NI OPC服务器的设置。选择开始》程序》National Instruments》NI OPCServers》NI OPCServers，启动NI OPC服务器。如图7所示。在device区单击鼠标右键创建channel，设备驱动选择omron host link，逐步选择下一步，完成设置。在刚刚创建的通道PLC上单击右键，选择创建设备，输入设备名称CPM2AH，如图8所示。这时在右侧框，如图左键单击，添加tag，输入tag名和地址，配置PLC地址。如图9所示。至此OPC服务器的设置基本完成。
 

图7：NI OPC SERVER 对话框

图8：新建通道选择设备驱动

图9：添加tag 名称及对应PLC地址

LabVIEW的DataSocket中隐含一个NI 的OPC Client，可通过OPC Client与OMRON的OPC Sever 进行通信，实现数据的交互。下面介绍如何在LabVIEW中利用OPC 建立与PLC的数据连接。在LabVIEW的前面板上生成需进行通信的控件，该控件的数据类型应与OPC中的数据类型一致。在该控件上单击右键，弹出快捷菜单，选择“属性/数据绑定/数据绑定选择/datasocket”设置相应的访问类型和路径，这样将程序中的前面板控件连接到PLC相应的地址，实现对下位机的读写。运行LabVIEW程序，改变前面板控件的值，在OPC Scout中可观察到PLC对应地址上数据的变化;同样该地址对应的LabVIEW中的变量的值也会改变。至此，基于OPC的PC与PLC实时通信就实现了。

远程监控实现

通过开启LabVIEW的Web服务器，可以在网页上发布LabVIEW程序，使本地或远程的客户端计算机可以实时浏览或控制Web服务器中的远程面板，实现生产环境的远程控制。

使用LabVIEW的Web发布工具：Tools/Options，在弹出的对话框中完成与Web服务器有关的设置和LabVIEW程序的发布。如图10 所示，分别设置Web服务器：配置;Web服务器：可见VI;Web服务器：浏览器访问。通过Tools/Web Publishing Tools对话框，可以将Web内存中的程序，以网页的形式发布，在客户端进行浏览。

根据客户端安装软件的不同，客户端对远程面板有不同的访问方式。如在Web上浏览程序前面板;在Web上浏览HTML文件;通过网页浏览器在网页中操作远程面板;在LabVIEW中监控远程前面板;利用LabVNC实现远程面板发布。

本文选择使用网页浏览器在网页中操作远程面板。需要注意的是客户端计算机需要安装免费的LabVIEW Run-Time Engine，安装占空间约90M大小。 在LAN内，远程面板的地址格式是：http:// pcname: port / viname.htm;在Internet上，远程面板地址格式为http://ipaddress:port/viname.htm。
当远程面板出现在浏览器上时，可右键单击鼠标，在弹出的菜单中，可以请求vi控制权，如图11所示。当多个客户端同时监控服务器端时，可以多个同时监视，但只能有一个客户端有控制权，其他的需等待释放后获得控制权。

在Web服务器上，通过Tools / Remote Panel Connection Manager，可以对所链接的客户端计算机的连接信息与状态进行查看和控制。
 

图10：Web 服务器配置图

图11：远程监控界面

结论

利用NI公司先进的软硬件技术平台，在极短的时间内开发出了一套系统可靠，运行稳定的寒地日光温室控制系统。借助NI WSN系统，灵活创建完整集成的有线和无线测量解决方案，并通过LabVIEW开发环境访问各类NI平台。同时实现了与LabVIEW软件开发平台的无缝连接。选定NI公司的产品，无论是在开发的周期还是实验的验证都得到了很好的缩短。LabVIEW的开发便捷性在UI界面与系统的开发过程中得到了充分的发挥。通过LabVIEW程序访问PLC数据，可以在解决方案中加入强大的分析和控制功能。

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