應用領域：遠程監測/控製
 
挑戰：以 NI LabVIEW 為軟件核心，集成 PCI6221
，NI WSN
，第三方 OMRON PLC 控製器等硬件，共同構建寒地日光溫室群遠程無線監控係統。
 
應用方案：通過使用具有良好人機界麵和易於編程的 LabVIEW，結合基於 ZigBee 協議的 NI-WSN，實現對溫室環境參數的無線測量，傳送，顯示和存儲。使用 DSC 工具包
，通過 OPC server 易於對溫室控製器 OMRON PLC 的讀寫，實現對執行機構快速準確的控製。使用 WEB server 實現監控係統的遠程監控。
 
使用產品： 
LabVIEW 8.6/ RT/ DSC/ DAQmx
PCI 6221
NI WSN-3202
 
介紹：目前我國溫室麵積不斷增大
，溫室內傳感器的種類和數量不斷增多，而由於溫室控製係統多采用有線布網、人(ren)工(gong)測(ce)量(liang)，作(zuo)物(wu)更(geng)改(gai)時(shi)監(jian)控(kong)設(she)備(bei)要(yao)隨(sui)之(zhi)改(gai)動(dong)，增(zeng)加(jia)了(le)布(bu)線(xian)的(de)難(nan)度(du)

，工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)低(di)，故(gu)障(zhang)率(lv)高(gao)。針(zhen)對(dui)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)
，本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)了(le)利(li)用(yong)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)軟(ruan)件(jian)開(kai)發(fa)平(ping)台(tai) labVIEW,結合基於ZigBee 協議的無線傳感器網絡（WSN）技術，通過 OPC SEVER控製下位機控製器 PLC，設計出寒地日光溫室群遠程監控係統。

正文
1.  概述
    地處寒地地區（高於北緯 43°的地區）的de吉ji林lin省sheng和he黑hei龍long江jiang省sheng是shi我wo國guo的de農nong業ye大da省sheng
，目mu前qian隨sui著zhe日ri光guang溫wen室shi的de迅xun速su發fa展zhan，該gai地di區qu從cong國guo外wai引yin進jin並bing自zi行xing設she計ji了le大da量liang日ri光guang溫wen室shi。經jing過guo調tiao研yan走zou訪fang，由you於yu高gao寒han地di區qu冬dong季ji惡e劣lie的de氣qi候hou條tiao件jian
，且qie溫wen室shi均jun以yi加jia溫wen溫wen室shi為wei主zhu，在zai實shi際ji運yun行xing中zhong存cun在zai著zhe能neng耗hao大da，自zi動dong運yun行xing故gu障zhang率lv高gao，維wei修xiu成cheng本ben高gao，使shi溫wen室shi控kong製zhi主zhu要yao靠kao人ren工gong經jing驗yan手shou動dong管guan理li，這zhe是shi限xian製zhi溫wen室shi作zuo物wu高gao產chan、優質、高效生產的主要障礙。本文基於LabVIEW 軟件平台構建上位機監控係統
，結合基於 ZigBee 技術的無線傳感器

，實現寒地日光溫室環境信息的無線采集，顯示
，存儲。通過 NI DSC 模塊中的 OPC SEVER，易於實現對 PLC 的讀寫

，從而實時對現場設備進行監控
，並通過 WEB SEVER實現遠程監控。
2.  監控係統設計
    係統整體設計方案如圖 1 所示。無線傳感器網絡由布置在溫室中的環境溫
、shiduchuanganqi，turangshiduchuanganqijieryanghuatanheguangzhaochuanganqizucheng
，gechuanganqijiangfeidianliangzhuanhuachengsuihuanjingcanshugaibiandedianliang

，yiwuxiandefangshichuansongzhiyitaiwangguanjieshouduan，zaitongguoyitaiwangjiekouchuanzhishangweiji。shangweijiyunxingjiyu LabVIEW 實現的監控界麵，實現環境參數的實時顯示，數據庫存儲，打印輸出

，參數設置，報警，曆史數據查詢等功能。下位機控製器選用 PLC，梯形圖編程簡單，在寒地溫室複雜的環境條件下，控製器可靠性高。

圖1 係統整體方案框圖

2.1  監控係統硬件實現
    無線傳感器網絡選用 NI WSN-3202。NI WSN-3202 測量節點作為一款無線設備
，提供 4 路±10 V 模擬輸入通道和 4 路雙向數字通道。18 針螺栓端子連接器可直接與傳感器連接；設備提供的 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 1.5V
、AA 堿性電池為該測量節點供電
，4節電池的電量可持續工作 3 年。采集節點在 2.4 GHz 頻段上以無線方式將數據傳輸至 WSN 以太網關；WSN以太網關進而通過以太網連接至其他網絡設備。WSN-3202 可配置為網狀路由器(mesh router)
，以拓展網絡距離並且將更多節點連接至網關。最多 8 個終端節點（在星形拓撲中）或最多 36 個測量節點（在網狀拓撲中）可連接單一 WSN 網關，支持最遠 300 米戶外視距。
    溫度傳感器選用 SHT75，濕度傳感器選用 SHT75。主要性能指標是：溫度測量範圍-40℃~+123.8℃；精度±0.3℃（在 25℃時）；響應時間<8s；功耗 20Μw（平均值）；濕度測量範圍：0-100%RH
；精度±1.8RH;重複性精度：±0.1%RH；數字量輸出。土壤濕度傳感器選用 5TE。光照度傳感器選用 TBQ-6。主要性能指標是：測量範圍 0-20 萬 Lux；光譜範圍 400-700nm；測量誤差<2%；電源電壓 12/24VDC;輸出可選4-20 mA  、0-20mV。CO2 傳感器選用 CGS-3100。主要性能指標是：測量範圍 0-2000ppm
；測量精度±30ppm±5%（0-50℃）
；響應時間<30s；電源 9-18VDC;消耗電流平均 50 mA
；數字量輸出。
    數據采集卡使用NI公司M係列數據采集（DAQ）PCI-6221卡。PCI-6221是一款低廉的M係列數據采集卡，在計算機上使用。它可以采集模擬信號、shuzixinhao，yongyoudingshiqidegongneng，tongshihaijuyoumonishuchudegongneng，gaishujugaishujucaijikajuyougaoxingnengdeshujucaijiyukongzhigongneng。womenzhuyaoshiyongdeshigaicaijikademonishuru、數字量輸入的功能。用於位置固定的傳感器（如室外氣象站監測）的有線測量以及設備狀態的監測。與無線傳感器網絡共同構建完整集成的有線和無線測量。PCI-6221數據采集卡具有16個模擬輸入通道
，2個模擬輸出通道以及24個數字I/O。
    下位機控製器選用OMRON PLC CPM2AH 60CDR A，該控製器可靠性高
，性價比高
，編程簡單，設計周期短。通過計算I/O
，本係統一共需要29路輸入
，13路輸出。

2.2  監控係統軟件設計
    係統的軟件設計主要包括上位機軟件設計

，和下位機梯形圖編程，本文主要介紹上位機軟件設計。上位機監控界麵采樣 NI LabVIEW 軟件編程。為了便於操作人員及時掌握現場情況，設計了簡單
、自然友好的監視控製界麵。軟件係統如圖 2 所示，其中包括用戶管理模塊、數據采集模塊
、參數設置模塊、控製輸出模塊、數據處理與查詢模塊等。  

圖2 軟件係統結構圖 

    監控係統登陸界麵如圖3所示
，通過與 ACCESS數據庫相連，可進行新增用戶、登陸權限等管理。

圖3 軟件登陸界麵 

    數據實時顯示界麵如圖 4 所示，可以實時顯示溫室環境各個參數的信息，並通過設定上下限
，實現聲光報警的管理。

圖4 實時數據顯示界麵 

    機器狀態顯示與控製模塊如圖 5 所示，通過選擇手動和自動運行，使用這種虛擬儀器的方式
，實現各種現場設備的遠程控製。

圖5 機器運行狀態顯示與控製 

    利用 LabVIEW 用戶免費開放的數據庫訪問工具包 LabSQL，通過 Mircosoft ADO 控件和 LabSQL語言實現數據庫的訪問。係統把監控的實時數據溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度及各執行器的狀態存入Access數據庫
，操作人員可在數據查詢界麵通過日期查詢。前麵板及程序圖如圖 6、圖 7所示。

圖6 曆史數據查詢 
 

圖7 數據查詢程序框圖

2.3  上位機軟件與PLC通信實現
    NI LabVIEW 軟件可以通過多種方式與任何可編程邏輯控製器（PLC）進行通信。用於過程控製的OLE（OPC）定義了在控製設備和人機界麵（HMI）之間進行實時對象數據通信的標準。OPC 服務器適用於幾乎所有 PLC和可編程自動化控製器（PAC）。通過 LabVIEW 程序訪問 PLC數據，可以在解決方案中加入強大的分析和控製功能。
    本方案采用基於串口的傳統 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 與上位機相連，上電運行
，見梯形圖程序寫入 PLC。接下來進行 NI OPC 服務器的設置。選擇開始》程序》National Instruments》NI OPCServers》NI OPCServers，啟動 NI OPC 服務器。如圖 8 所示。在 device 區單擊鼠標右鍵創建 channel，設備驅動選擇 omron host link
，逐步選擇下一步
，完成設置。在剛剛創建的通道 PLC 上單擊右鍵
，選擇創建設備，輸入設備名稱 CPM2AH，如圖 9 所示。這時在右側框

，如圖左鍵單擊

，添加 tag
，輸入 tag 名和地址，配置 PLC 地址。如圖 10所示。至此 OPC 服務器的設置基本完成。

    LabVIEW的 DataSocket 中隱含一個 NI 的 OPC Client，可通過 OPC Client 與 OMRON的 OPC Sever 進行通信
，實現數據的交互。下麵介紹如何在 LabVIEW 中利用 OPC  建立與 PLC 的數據連接。在 LabVIEW 的前麵板上生成需進行通信的控件，該控件的數據類型應與 OPC 中的數據類型一致。在該控件上單擊右鍵，彈出快捷菜單，選擇“屬性/數據綁定/數據綁定選擇/datasocket”設置相應的訪問類型和路徑，這樣將程序中的前麵板控件連接到 PLC 相應的地址
，實現對下位機的讀寫。運行 LabVIEW 程序，改變前麵板控件的值，在 OPC Scout 中可觀察到 PLC 對應地址上數據的變化

；同樣該地址對應的 LabVIEW 中的變量的值也會改變。至此，基於 OPC 的 PC與 PLC 實時通信就實現了。

2.4 遠程監控實現
    通過開啟 LabVIEW 的 Web 服務器
，可以在網頁上發布 LabVIEW 程序，使本地或遠程的客戶端計算機可以實時瀏覽或控製 Web 服務器中的遠程麵板，實現生產環境的遠程控製。
    使用 LabVIEW 的 Web 發布工具：Tools/Options，在彈出的對話框中完成與 Web 服務器有關的設置和LabVIEW 程序的發布。如圖 11 所示
，分別設置 Web服務器：配置；Web服務器：可見 VI；Web服務器：瀏覽器訪問。通過 Tools/Web Publishing Tools 對話框，可以將 Web內存中的程序，以網頁的形式發布，在客戶端進行瀏覽。
    根據客戶端安裝軟件的不同，客戶端對遠程麵板有不同的訪問方式。如在 Web 上瀏覽程序前麵板；在 Web 上瀏覽 HTML 文件；通過網頁瀏覽器在網頁中操作遠程麵板；在 LabVIEW 中監控遠程前麵板；利用 LabVNC 實現遠程麵板發布。
    本文選擇使用網頁瀏覽器在網頁中操作遠程麵板。需要注意的是客戶端計算機需要安裝免費的LabVIEW Run-Time Engine，安裝占空間約 90M 大小。 在 LAN內，遠程麵板的地址格式是：http:// pcname: port / viname.htm；在 Internet 上，遠程麵板地址格式為 http://ipaddress:port/viname.htm。
    當遠程麵板出現在瀏覽器上時，可右鍵單擊鼠標
，在彈出的菜單中，可以請求 vi 控製權
，如圖 12 所示。當多個客戶端同時監控服務器端時

，可以多個同時監視
，但隻能有一個客戶端有控製權，其他的需等待釋放後獲得控製權。
    在 Web服務器上
，通過 Tools / Remote Panel Connection Manager，可以對所鏈接的客戶端計算機的連接信息與狀態進行查看和控製。

結論
    利用 NI 公司先進的軟硬件技術平台
，在極短的時間內開發出了一套係統可靠
，運行穩定的寒地日光溫室控製係統。借助 NI WSN 係統，靈活創建完整集成的有線和無線測量解決方案
，並通過 LabVIEW 開發環境訪問各類 NI 平台。同時實現了與 LabVIEW 軟件開發平台的無縫連接。選定 NI 公司的產品
，無論是在開發的周期還是實驗的驗證都得到了很好的縮短。LabVIEW 的開發便捷性在 UI 界麵與係統的開發過程中得到了充分的發揮。通過 LabVIEW 程序訪問 PLC 數據
，可以在解決方案中加入強大的分析和控製功能。