基于​LabVIEW​平台​的​寒​地​日光​温室​群​远程​监​控​系统​设计

Fulu Wang, Northeast Agriculture University

"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

挑战:

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。 ​

解决​方案:

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。 ​

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。

 

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。

 

 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。

 

 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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

 

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。

 

作者​信息:

Fulu Wang
​Northeast Agriculture University

图1 ​ ​系统​整体​方案​框​图 ​
图​2 ​ ​软件​系统​结构​图 ​
图3 ​ ​实​时​数据​显示​界面 ​
图​4 ​ ​机器​运行​状态​显示​与​控制 ​
图​5. ​ ​历史​数据​查询 ​
图​6. ​ ​数据​查询​程序​框​图 ​
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 ​
图​10 ​ ​Web 服务​器​配置​图 ​
图​11 ​ ​远程​监​控​界面 ​