倫志新

（唐山學(xué)院計(jì)算機(jī)中心，河北唐山,063009）

基于LabVIEW和ZigBee的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

倫志新

（唐山學(xué)院計(jì)算機(jī)中心，河北唐山,063009）

本系統(tǒng)應(yīng)用LabVIEW軟件和ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以CC2530為控制核心，對(duì)傳感器終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)；使用LabVIEW設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制系統(tǒng)，其分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定，提高了環(huán)境參數(shù)控制精度，具有一定的推廣性。

LabVIEW;ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);監(jiān)控系統(tǒng)

隨著科技不斷進(jìn)步，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展正在朝著農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)行列邁進(jìn)。溫室大棚是精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，其不受季節(jié)影響，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要手段。溫室大棚是一種根據(jù)作物生長(zhǎng)因子需求，不斷調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的溫室設(shè)施。調(diào)節(jié)棚內(nèi)適宜的溫濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，既能夠滿足作物生長(zhǎng)規(guī)律，又能夠提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，我國(guó)溫棚控制系統(tǒng)多使用有線式信號(hào)采集傳輸，以及使用STC單片機(jī)或PLC控制器作為信號(hào)處理器。隨著無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)逐漸應(yīng)用在農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)中。

伴隨唐山經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，溫棚建設(shè)面積不斷增加，但其監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)施發(fā)展相對(duì)滯后。為此，本文設(shè)計(jì)了一套符合本地區(qū)民情、作物品種及氣候特點(diǎn)的低成本、低功耗的監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)選定某村單棟大棚環(huán)境參數(shù)測(cè)控為研究對(duì)象，溫室南北長(zhǎng)50m，東西跨度6m，矢高3.5m，在室北側(cè)設(shè)置2m走廊。本系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集傳輸，以及采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，通過測(cè)試說明該設(shè)備易操作、運(yùn)行穩(wěn)定、功耗較低。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)原理

溫棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由監(jiān)控傳感器終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)終端和遠(yuǎn)程用戶端組成。本系統(tǒng)選取溫棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、空氣CO2濃度作為系統(tǒng)的被控制量，將環(huán)流風(fēng)機(jī)、采暖、加濕、灌溉、室外遮陽降溫、補(bǔ)光及頂部開窗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為控制手段，對(duì)棚內(nèi)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，從而使棚內(nèi)的環(huán)境達(dá)到植物生長(zhǎng)所需條件的最佳狀態(tài)。根據(jù)溫棚面積和監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量確定采用星型傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有易建網(wǎng)、易控制、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)少及誤碼率低等特點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)主要采集環(huán)境參數(shù)并傳輸給協(xié)調(diào)器，同時(shí)執(zhí)行器終端節(jié)點(diǎn)接收協(xié)調(diào)器任務(wù)；協(xié)調(diào)器具有雙向信號(hào)傳輸功能，即接收各終端節(jié)點(diǎn)信息通過串口傳輸給上位機(jī)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)傳達(dá)上位機(jī)控制指令；上位機(jī)負(fù)責(zé)顯示、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)執(zhí)行器發(fā)出控制指令，以及與遠(yuǎn)程用戶端建立數(shù)據(jù)通信；手機(jī)用戶可以通過GSM模塊接收超限報(bào)警信息，并通過鍵盤設(shè)置執(zhí)行器動(dòng)作；遠(yuǎn)程用戶可以通過Internet訪問主機(jī)，查詢各節(jié)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖

本文從ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)終端控制兩個(gè)方面介紹系統(tǒng)的組成。用戶通過該系統(tǒng)較便捷地監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)狀態(tài)。

2 ZigBee星型無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

本系統(tǒng)由5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器是無線網(wǎng)絡(luò)的中心，具有初始化網(wǎng)絡(luò)、選擇頻道和啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的功能，負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)，并負(fù)責(zé)與上位機(jī)串口通信。4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)，傳輸給協(xié)調(diào)器；1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)連接風(fēng)扇、天窗和遮光等執(zhí)行器，接收協(xié)調(diào)器傳輸?shù)目刂浦噶?，進(jìn)行環(huán)境控制響應(yīng)。監(jiān)控系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)分為硬件組建和軟件設(shè)計(jì)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)硬件組建

各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要作用基本相同，即對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。ZigBee無線模塊主要由控制器模塊、射頻模塊、電源模塊組成，在傳感器終端節(jié)點(diǎn)加入了傳感器模塊?？刂破鰿C2530是TI公司生產(chǎn)的第二代嵌入式 ZigBee 技術(shù)的片上系統(tǒng)，具有增強(qiáng)型8051MCU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM等強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。本系統(tǒng)采用的CC2530是CC2530F256，具有256KB的閃存。CC2530F256結(jié)合了ZigBee協(xié)議棧，提供了一個(gè)很好的ZigBee開發(fā)平臺(tái)。

傳感器模塊負(fù)責(zé)采集棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、空氣CO2濃度。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置要求，選用兩個(gè)DHT11溫濕度傳感器完成空氣和土壤的溫濕度監(jiān)測(cè)。硬件連線時(shí)，DHT11的電源端直接連接+5V電源，接地端直接接地，完成對(duì)DHT11的供電。空氣溫濕度數(shù)據(jù)通過DHT11的數(shù)據(jù)口與CC2530的P1.0口相連，土壤溫濕度數(shù)據(jù)通過DHT11的數(shù)據(jù)口與第二塊CC2530的P1.1口相連接，將數(shù)字信號(hào)送入終端節(jié)點(diǎn)。光照強(qiáng)度是通過光敏電阻和電位器串接，通過測(cè)量光敏電阻的電壓變化獲得光照強(qiáng)度變化，電壓通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的CH0通道輸出數(shù)字量，通過DO輸?shù)降谌龎KCC2530的P1.4口。

2.2 節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)組成，軟件設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)和終端軟件設(shè)計(jì)兩部分。

傳感器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集棚內(nèi)空氣和土壤的溫濕度、空氣CO2濃度和光照強(qiáng)度，以溫濕度傳感器軟件設(shè)計(jì)為例，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)上電成功申請(qǐng)加入無線網(wǎng)絡(luò)后，尋找協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并接收指令，開啟溫濕度數(shù)據(jù)采集，采集封裝數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，并通過串口與上位機(jī)通信。協(xié)調(diào)器上電后建立無線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，并通過串口與上位機(jī)通信。協(xié)調(diào)器上電初始化后建立無線網(wǎng)絡(luò)，接收終端子節(jié)點(diǎn)加入。檢查串口是否有上位機(jī)指令接收，如果存在則執(zhí)行接收指令，否則繼續(xù)檢查終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器按中串口指令接收傳感器數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過串口傳輸至上位機(jī)。

3 基于LabVIEW用戶界面設(shè)計(jì)

基于LabVIEW軟件本身具有功能較完整的軟件開發(fā)環(huán)境，本系統(tǒng)采用LabVIEW2013作為開發(fā)工具。設(shè)計(jì)中使用G語言編程，及流程圖或框圖設(shè)計(jì)模塊連接，極大的提高了工作效率。設(shè)計(jì)的上位機(jī)系統(tǒng)主要包括登錄界面設(shè)計(jì)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和串口通信設(shè)計(jì)。完成的主要功能有：用戶名密碼登錄界面；監(jiān)測(cè)空氣和土壤的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度的顯示；歷史收集數(shù)據(jù)查看，波形顯示；對(duì)應(yīng)點(diǎn)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)值和上下限值的比較報(bào)警；對(duì)執(zhí)行器的控制；通過 GSM模塊與手機(jī)用戶通信。

登錄界面實(shí)現(xiàn)的主要作用是保證用戶和測(cè)試數(shù)據(jù)的安全性。其獨(dú)立的Access數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)著用戶的信息，管理員能對(duì)其中信息進(jìn)行管理，在庫(kù)用戶可以通過輸入正確的用戶登錄指令，才能進(jìn)入到系統(tǒng)的內(nèi)部，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行查看和修改，否則將不能進(jìn)入系統(tǒng)。主程序通過調(diào)用LabSQL即可完成對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用。登錄界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

上位機(jī)系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式，自動(dòng)運(yùn)行模式和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式。處于自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，根據(jù)溫室模型分析當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過無線傳感器節(jié)點(diǎn)將大棚內(nèi)外的參數(shù)進(jìn)行采集并傳送到控制平臺(tái)，控制平臺(tái)得到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行閾值比較數(shù)據(jù)分析，然后提示并發(fā)出控制命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，達(dá)到植物生長(zhǎng)所需的最佳環(huán)境條件；處于遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式時(shí)，可根據(jù)監(jiān)控平臺(tái)顯示的溫室環(huán)境參數(shù)，定時(shí)利用GSM模塊對(duì)手機(jī)發(fā)送信息，監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境，用戶使用手機(jī)按鍵控制

圖3 LabVIEW主界面前面板

圖2 登錄界面VI前界面

棚內(nèi)主要執(zhí)行器，達(dá)到植物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境條件。在上位機(jī)中用戶可根據(jù)作物生長(zhǎng)需求設(shè)定參數(shù)上下限閾值。LabVIEW主界面前面板如圖3所示。

GSM通信包含兩大功能，發(fā)送短信功能和接收短信功能。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了中文短信發(fā)送和英文短信接收功能，較便捷的控制下位機(jī)的執(zhí)行器。短信接收內(nèi)容要求必須與設(shè)定指令相同，才可以執(zhí)行執(zhí)行器，否則，將無法進(jìn)行調(diào)節(jié)。短信內(nèi)容將作為指令直接寫入串口發(fā)送到下位機(jī)完成指令調(diào)節(jié)任務(wù)。短信接收過程一直在循環(huán)，等待短信到來，GSM模塊通知“+CMTI: ”SM”,”再進(jìn)行一系列的操作，發(fā)送過程則是需要觸發(fā)的，將設(shè)定好的短信長(zhǎng)度和內(nèi)容通過局部變量傳遞給短信長(zhǎng)度和發(fā)送短信內(nèi)容這兩個(gè)輸入控件，并傳值給觸發(fā)指示燈，啟動(dòng)發(fā)短信，短信號(hào)碼不參加整個(gè)循環(huán)和短信事件觸發(fā)過程。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)應(yīng)用了LabVIEW軟件和ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程控制功能，根據(jù)需求設(shè)計(jì)了自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)控制兩種監(jiān)控模式，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了便利支持。該系統(tǒng)利用GSM模塊實(shí)現(xiàn)了用戶的遠(yuǎn)程管理功能，為本地農(nóng)業(yè)設(shè)施的綜合設(shè)計(jì)提供了參考方案。系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定，功耗較低，擴(kuò)展性較強(qiáng)，用戶使用便捷，適用性較廣。由于溫棚環(huán)境參數(shù)與外界環(huán)境變化有密切聯(lián)系，本系統(tǒng)可在人工智能管理方向做進(jìn)一步拓展研究。

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Design of Intelligent System of Greenhouse Based on LabVIEW and ZigBee

Lun Zhixin
(Computer center of Tangshan College,TangShan,063009)

The system using LabVIEW software and ZigBee technology to design the environment parameters in greenhouse monitoring system.The system uses CC2530 as the control core,the sensor terminal nodes and coordinator node for the design of the hardware and software;uses LabVIEW to design the computer control system,which is divided into two types of automatic and manual control mode,and realizes the function of remote monitoring.This system through the field test,stable operation,improve the environment parameter control precision,has certain promotion.

LabVIEW;ZigBee;wireless sensor network;monitoring system

倫志新(1979-)，男，講師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。