倫志新

（唐山學(xué)院計算機中心，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

倫志新

（唐山學(xué)院計算機中心，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，對傳感器終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點進行了軟硬件設(shè)計；使用LabVIEW設(shè)計了上位機控制系統(tǒng)，其分為自動和手動兩種控制模式，并實現(xiàn)了遠程監(jiān)控功能。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場測試，運行穩(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)

隨著科技不斷進步，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展正在朝著農(nóng)業(yè)強國行列邁進。溫室大棚是精細農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要組成部分，其不受季節(jié)影響，是實現(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、光照強度和CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，既能夠滿足作物生長規(guī)律，又能夠提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，我國溫棚控制系統(tǒng)多使用有線式信號采集傳輸，以及使用STC單片機或PLC控制器作為信號處理器。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)展相對滯后。為此，本文設(shè)計了一套符合本地區(qū)民情、作物品種及氣候特點的低成本、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)測控為研究對象，溫室南北長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)對信號進行采集傳輸，以及采用LabVIEW軟件設(shè)計人機交互界面，通過測試說明該設(shè)備易操作、運行穩(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、協(xié)調(diào)器節(jié)點、上位機終端和遠程用戶端組成。本系統(tǒng)選取溫棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、空氣CO2濃度作為系統(tǒng)的被控制量，將環(huán)流風機、采暖、加濕、灌溉、室外遮陽降溫、補光及頂部開窗等執(zhí)行機構(gòu)作為控制手段，對棚內(nèi)環(huán)境狀態(tài)進行調(diào)控，從而使棚內(nèi)的環(huán)境達到植物生長所需條件的最佳狀態(tài)。根據(jù)溫棚面積和監(jiān)控點數(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)延時少及誤碼率低等特點。終端節(jié)點主要采集環(huán)境參數(shù)并傳輸給協(xié)調(diào)器，同時執(zhí)行器終端節(jié)點接收協(xié)調(diào)器任務(wù)；協(xié)調(diào)器具有雙向信號傳輸功能，即接收各終端節(jié)點信息通過串口傳輸給上位機，并對節(jié)點傳達上位機控制指令；上位機負責顯示、存儲節(jié)點數(shù)據(jù)，對執(zhí)行器發(fā)出控制指令，以及與遠程用戶端建立數(shù)據(jù)通信；手機用戶可以通過GSM模塊接收超限報警信息，并通過鍵盤設(shè)置執(zhí)行器動作；遠程用戶可以通過Internet訪問主機，查詢各節(jié)點歷史數(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)和上位機終端控制兩個方面介紹系統(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個終端節(jié)點和1個協(xié)調(diào)器節(jié)點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)、選擇頻道和啟動網(wǎng)絡(luò)的功能，負責接收和存儲終端節(jié)點傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)，并負責與上位機串口通信。4個終端節(jié)點負責采集傳感器數(shù)據(jù)，傳輸給協(xié)調(diào)器；1個終端節(jié)點連接風扇、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)計分為硬件組建和軟件設(shè)計。

2.1 網(wǎng)絡(luò)硬件組建

各個節(jié)點的主要作用基本相同，即對環(huán)境參數(shù)進行數(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)，具有增強型8051MCU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM等強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進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，提供了一個很好的ZigBee開發(fā)平臺。

傳感器模塊負責采集棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、空氣CO2濃度。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置要求，選用兩個DHT11溫濕度傳感器完成空氣和土壤的溫濕度監(jiān)測。硬件連線時，DHT11的電源端直接連接+5V電源，接地端直接接地，完成對DHT11的供電?？諝鉁貪穸葦?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)字信號送入終端節(jié)點。光照強度是通過光敏電阻和電位器串接，通過測量光敏電阻的電壓變化獲得光照強度變化，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)點軟件流程設(shè)計

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)組成，軟件設(shè)計分為協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計和終端軟件設(shè)計兩部分。

傳感器終端節(jié)點負責采集棚內(nèi)空氣和土壤的溫濕度、空氣CO2濃度和光照強度，以溫濕度傳感器軟件設(shè)計為例，當終端節(jié)點上電成功申請加入無線網(wǎng)絡(luò)后，尋找協(xié)調(diào)器節(jié)點并接收指令，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)器負責終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，并通過串口與上位機通信。協(xié)調(diào)器上電后建立無線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器負責終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，并通過串口與上位機通信。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)點加入。檢查串口是否有上位機指令接收，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。

3 基于LabVIEW用戶界面設(shè)計

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)計中使用G語言編程，及流程圖或框圖設(shè)計模塊連接，極大的提高了工作效率。設(shè)計的上位機系統(tǒng)主要包括登錄界面設(shè)計、人機交互界面設(shè)計和串口通信設(shè)計。完成的主要功能有：用戶名密碼登錄界面；監(jiān)測空氣和土壤的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度的顯示；歷史收集數(shù)據(jù)查看，波形顯示；對應(yīng)點的瞬時數(shù)據(jù)值和上下限值的比較報警；對執(zhí)行器的控制；通過 GSM模塊與手機用戶通信。

登錄界面實現(xiàn)的主要作用是保證用戶和測試數(shù)據(jù)的安全性。其獨立的Access數(shù)據(jù)庫存儲著用戶的信息，管理員能對其中信息進行管理，在庫用戶可以通過輸入正確的用戶登錄指令，才能進入到系統(tǒng)的內(nèi)部，對系統(tǒng)內(nèi)部進行查看和修改，否則將不能進入系統(tǒng)。主程序通過調(diào)用LabSQL即可完成對該數(shù)據(jù)庫的調(diào)用。登錄界面設(shè)計如圖2所示。

上位機系統(tǒng)有兩種運行模式，自動運行模式和遠程手動控制模式。處于自動運行模式時，根據(jù)溫室模型分析當前節(jié)點數(shù)據(jù)，通過無線傳感器節(jié)點將大棚內(nèi)外的參數(shù)進行采集并傳送到控制平臺，控制平臺得到數(shù)據(jù)后，進行閾值比較數(shù)據(jù)分析，然后提示并發(fā)出控制命令控制執(zhí)行機構(gòu)動作，自動調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，達到植物生長所需的最佳環(huán)境條件；處于遠程手動控制模式時，可根據(jù)監(jiān)控平臺顯示的溫室環(huán)境參數(shù)，定時利用GSM模塊對手機發(fā)送信息，監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的環(huán)境，用戶使用手機按鍵控制

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，達到植物生長的最佳環(huán)境條件。在上位機中用戶可根據(jù)作物生長需求設(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)定好的短信長度和內(nèi)容通過局部變量傳遞給短信長度和發(fā)送短信內(nèi)容這兩個輸入控件，并傳值給觸發(fā)指示燈，啟動發(fā)短信，短信號碼不參加整個循環(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)實現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境參數(shù)遠程控制功能，根據(jù)需求設(shè)計了自動運行和手動控制兩種監(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模塊實現(xiàn)了用戶的遠程管理功能，為本地農(nóng)業(yè)設(shè)施的綜合設(shè)計提供了參考方案。系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場測試，運行穩(wěn)定，功耗較低，擴展性較強，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，研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。