"通過使用NI產(chǎn)品，我們極大地縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證時(shí)間。"
– Fulu Wang, Northeast Agriculture University
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)。
解決方案:
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(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的無線測(cè)量，傳送，顯示和存儲(chǔ)。使用DSC工具包，通過OPC server易于對(duì)溫室控制器OMRON PLC 的讀寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速準(zhǔn)確的控制。使用WEB server實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)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(guó)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(guó)外引進(jìn)并自行設(shè)計(jì)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(shí)際運(yùn)行中存在著能耗大，自動(dòng)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(yàn)手動(dòng)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(tái)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(shí)現(xiàn)寒地日光溫室環(huán)境信息的無線采集，顯示，存儲(chǔ)。通過LabVIEW DSC Module 中的OPC SEVER，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的讀寫，從而實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并通過WEB SEVER實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，打印輸出，參數(shù)設(shè)置，報(bào)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(jiǎn)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
監(jiān)控系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選用NI WSN-3202 。NI WSN-3202測(cè)量節(jié)點(diǎn)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(cè)量節(jié)點(diǎn)供電，4節(jié)電池的電量可持續(xù)工作3年。采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)連接至網(wǎng)關(guān)。最多8個(gè)終端節(jié)點(diǎn)（在星形拓?fù)渲校┗蜃疃?6個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)（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(cè)量范圍-40℃~+123.8℃；精度±0.3℃（在25℃時(shí)）；響應(yīng)時(shí)間<8s；功耗20Μw（平均值）；濕度測(cè)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(cè)量范圍0-20萬Lux；光譜范圍400-700nm；測(cè)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(cè)量范圍0-2000ppm；測(cè)量精度±30ppm±5%（0-50℃）；響應(yīng)時(shí)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(jì)算機(jī)上使用。它可以采集模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)，擁有定時(shí)器的功能，同時(shí)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(cè)）的有線測(cè)量以及設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。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(cè)量。PCI-6221
數(shù)據(jù)采集卡具有16個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道以及24個(gè)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(jià)比高，編程簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)周期短。通過計(jì)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(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，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(jì)。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(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)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
數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面如圖3所示，可以實(shí)時(shí)顯示溫室環(huán)境各個(gè)參數(shù)的信息，并通過設(shè)定上下限，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的管理。
圖3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面
機(jī)器狀態(tài)顯示與控制模塊如圖4所示，通過選擇手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行，使用這種虛擬儀器的方式，實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。
圖4 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(kù)訪問工具包LabSQL，通過Mircosoft ADO 控件和LabSQL語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。系統(tǒng)把監(jiān)控的實(shí)時(shí)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(kù)，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(jī)軟件與PLC通信實(shí)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(shí)時(shí)對(duì)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(dòng)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)懭隤LC。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(dòng)NI OPC服務(wù)器。如圖7所示。在device區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵創(chuàng)建channel，設(shè)備驅(qū)動(dòng)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8所示。這時(shí)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9所示。至此OPC服務(wù)器的設(shè)置基本完成。
圖7 NI OPC SERVER 對(duì)話框
圖8 新建通道選擇設(shè)備驅(qū)動(dòng)
圖9 添加tag 名稱及對(duì)應(yīng)PLC地址
LabVIEW的DataSocket中隱含一個(gè)NI 的OPC Client，可通過OPC Client與OMRON的OPC Sever 進(jìn)行通信，實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)應(yīng)地址上數(shù)據(jù)的變化；同樣該地址對(duì)應(yīng)的LabVIEW中的變量的值也會(huì)改變。至此，基于OPC的PC與PLC實(shí)時(shí)通信就實(shí)現(xiàn)了。
遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)
通過開啟LabVIEW的Web服務(wù)器，可以在網(wǎng)頁(yè)上發(fā)布LabVIEW程序，使本地或遠(yuǎn)程的客戶端計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)瀏覽或控制Web服務(wù)器中的遠(yuǎn)程面板，實(shí)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(duì)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10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(duì)話框，可以將Web內(nèi)存中的程序，以網(wǎng)頁(yè)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(duì)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(yè)瀏覽器在網(wǎng)頁(yè)中操作遠(yuǎn)程面板；在LabVIEW中監(jiān)控遠(yuǎn)程前面板；利用LabVNC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程面板發(fā)布。
本文選擇使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器在網(wǎng)頁(yè)中操作遠(yuǎn)程面板。需要注意的是客戶端計(jì)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(shí)，可右鍵單擊鼠標(biāo)，在彈出的菜單中，可以請(qǐng)求vi控制權(quán)，如圖11所示。當(dāng)多個(gè)客戶端同時(shí)監(jiān)控服務(wù)器端時(shí)，可以多個(gè)同時(shí)監(jiān)視，但只能有一個(gè)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(duì)所鏈接的客戶端計(jì)算機(jī)的連接信息與狀態(tài)進(jìn)行查看和控制。
圖10 Web 服務(wù)器配置圖
圖11 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面
結(jié)論
利用NI公司先進(jìn)的軟硬件技術(shù)平臺(tái)，在極短的時(shí)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(cè)量解決方案，并通過LabVIEW開發(fā)環(huán)境訪問各類NI平臺(tái)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)的驗(yàn)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。
