李振　時(shí)玲　關(guān)明美　周橋　聶攀

摘 要： 綜合運(yùn)用傳感器監(jiān)測技術(shù)、ZigBee技術(shù)和LabVIEW技術(shù)，研究并設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW和ZigBee的溫室智能控制系統(tǒng)。通過ZigBee傳感端節(jié)點(diǎn)上的傳感器采集溫室各環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器與PC機(jī)進(jìn)行串口通信，在PC端上位機(jī)軟件中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和存儲(chǔ)溫室環(huán)境參數(shù)，并對改善溫室環(huán)境參數(shù)的執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行智能控制。所采用的各模塊和針對該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠正常工作并達(dá)到預(yù)期目的，為及時(shí)掌握作物生長環(huán)境狀況，實(shí)現(xiàn)信息預(yù)警和科學(xué)決策、管理提供了技術(shù)支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效降低構(gòu)建溫室智能控制系統(tǒng)的成本，并支持系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，節(jié)能經(jīng)濟(jì)，同時(shí)提供了良好的用戶體驗(yàn)界面。

關(guān)鍵詞： 智能溫室； ZigBee； LabVIEW； 無線監(jiān)控； 傳感器

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0048?06

Design of greenhouse intelligent control system based on LabVIEW and ZigBee

LI Zhen， SHI Ling， GUAN Mingmei， ZHOU Qiao， NIE Pan

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China）

Abstract： A kind of greenhouse intelligent control system based on LabVIEW and ZigBee is researched and designed by means of sensors monitoring， ZigBee and LabVIEW technologies. The sensors of ZigBee sensor node are adopted to acquire the environment parameters of a green house. The wireless sensor network based on ZigBee is established to transmit the data to ZigBee coordinator which executes the serial communication with PC， on which the greenhouse environment parameters are displayed and stored in real?time dynamically. The executing device to improve the greenhouse environment parameters is monitored intelligently. The various modules adopted and design of this system can work normally and achieve the expected objectives. It provides the technical support for timely grasping the state of crop growth environment， realizing information early warning， scientific decision?making and management. This design can effectively reduce the construction cost of the greenhouse intelligent control system， support expandability and maintainability of the system， and provide a good experiencing interface for users meanwhile.

Keywords： intelligent greenhouse； ZigBee； LabVIEW； wireless monitoring； sensor

0 引 言

溫室監(jiān)控的首要任務(wù)是采集農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)，目前，國內(nèi)大量溫室監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線連接的方式，由于溫室環(huán)境濕度較大、溫度較高且土壤和空氣中含有酸性，使通信線纜極易老化，影響到溫室監(jiān)控系統(tǒng)[1]的穩(wěn)定性。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于要布設(shè)大量的傳感端節(jié)點(diǎn)才能保證對整個(gè)監(jiān)測范圍的有效覆蓋，而在土壤中布設(shè)大量電纜導(dǎo)致溫室內(nèi)線纜縱橫交錯(cuò)，對農(nóng)作物的耕種造成一定困難，增加了建設(shè)溫室檢測控制系統(tǒng)的施工難度、安裝及維護(hù)成本。

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)代替有線傳感器網(wǎng)絡(luò)是解決這些缺點(diǎn)的優(yōu)良方案，運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室設(shè)施內(nèi)布設(shè)大量的無線傳感端節(jié)點(diǎn)，以無線傳輸?shù)姆绞綐?gòu)建一個(gè)運(yùn)用多跳方式傳輸數(shù)據(jù)的自組織網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。無線傳感端節(jié)點(diǎn)采集溫室內(nèi)作物生長環(huán)境信息，再通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至數(shù)據(jù)中心，以判斷溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)[2]是否處于作物生長需要的最佳狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)智能調(diào)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是未來溫室檢測控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡便、直觀、友好的實(shí)用型溫室智能控制系統(tǒng)，在參考現(xiàn)有溫室控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了更優(yōu)良的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

本系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)組成上主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分以ZigBee為采集控制器、協(xié)調(diào)控制器和執(zhí)行控制器，各類傳感器為檢測單元，繼電器、濕簾風(fēng)機(jī)、灌溉系統(tǒng)和補(bǔ)光燈等為執(zhí)行單元。

軟件部分是用LabVIEW編寫的智能控制系統(tǒng)上位機(jī)，其主要功能是通過與每間溫室的ZigBee協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行串口通信，以獲取每間溫室的環(huán)境參數(shù)（如空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度和土壤pH值等信息）。相關(guān)參數(shù)都可以在LabVIEW智能控制系統(tǒng)界面上進(jìn)行圖形化顯示，同時(shí)被存儲(chǔ)在ACCESS數(shù)據(jù)庫中，以方便后期的數(shù)據(jù)處理分析和智能決策。

基于LabVIEW和ZigBee的溫室智能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。低功耗設(shè)計(jì)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，也是ZigBee節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)中要考慮的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)選擇SoC（片上系統(tǒng)）解決方案。 ZigBee節(jié)點(diǎn)核心板實(shí)物圖如圖2所示。

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)任務(wù)分配

根據(jù)整體系統(tǒng)的構(gòu)架需求，將ZigBee節(jié)點(diǎn)分設(shè)為三部分：ZigBee傳感終端、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee執(zhí)行終端。在試驗(yàn)中，以一間100 m2溫室為例，其節(jié)點(diǎn)配置個(gè)數(shù)為：ZigBee傳感終端節(jié)點(diǎn)2個(gè)；ZigBee協(xié)調(diào)器端節(jié)點(diǎn)1個(gè)；ZigBee執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)1個(gè)。

2.2 ZigBee傳感終端

傳感終端節(jié)點(diǎn)主要用于通過傳感器獲取各溫室環(huán)境參數(shù)（如：空氣溫濕度、土壤溫濕度和光照強(qiáng)度等）。一間溫室可有多個(gè)ZigBee傳感終端節(jié)點(diǎn)，當(dāng)需要獲取較多的溫室參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)需求增加相應(yīng)的傳感終端節(jié)點(diǎn)。當(dāng)獲取各溫室環(huán)境參數(shù)后，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其工作模式如圖3所示。

此部分是溫室環(huán)境檢測中的關(guān)鍵部分，需要根據(jù)其性能選擇合適的傳感器，得到相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是后期進(jìn)行有效數(shù)據(jù)分析和處理的保障。

2.3 ZigBee協(xié)調(diào)器端

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要完成四項(xiàng)任務(wù)：

（1） 通過無線通信接收由各個(gè)傳感終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析處理并加以存儲(chǔ)，以便于后期判斷；

（2） 通過串口通信將溫室各環(huán)境參數(shù)傳輸至PC端上位機(jī)；

（3） 通過串口通信獲取PC端上位機(jī)發(fā)出的控制請求；

（4） 匯總分析數(shù)據(jù)，智能生成控制各執(zhí)行單元的信息，并將其發(fā)送至ZigBee執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)。

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作模式如圖4所示。

2.4 ZigBee執(zhí)行終端

執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的控制信息，然后通過設(shè)置CC2530擴(kuò)展引腳電位高低，對繼電器的通斷進(jìn)行控制以達(dá)到控制各執(zhí)行單元（如濕簾風(fēng)機(jī)、霧化加濕系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、太陽能熱泵供暖系統(tǒng)、LED補(bǔ)光燈等）的工作狀態(tài)。

ZigBee執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)的工作模式如圖5所示。

3 ZigBee程序設(shè)計(jì)

對于ZigBee的程序開發(fā)，使用IAR 8.10開發(fā)環(huán)境，用IAR開發(fā)的最大優(yōu)勢是可以直接使用由TI公司提供的Z?Stack協(xié)議棧來進(jìn)行開發(fā)，且可以調(diào)用相應(yīng)API接口函數(shù)[3]。這里選用的Z?Stack協(xié)議棧版本為ZStack?CC2530?2.5.1a（即ZigBee 2007），通用性比較高。由于IAR和Z?Stack的不同版本可能互不兼容，所以兩開發(fā)工具選用的版本一定要配合友好。經(jīng)測試，IAR 8.10版本和ZStack?CC2530?2.5.1a版本配合使用時(shí)從安裝到開發(fā)都很友好。

3.1 ZigBee協(xié)議棧

一系列通信的標(biāo)準(zhǔn)即為協(xié)議，通信雙方按照同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)接收和發(fā)射。協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式即協(xié)議棧，通常理解協(xié)議棧為用戶和協(xié)議間的一個(gè)接口，開發(fā)人員可通過使用協(xié)議棧來使用這個(gè)協(xié)議，繼而實(shí)現(xiàn)對無線數(shù)據(jù)的收發(fā)[3]。

在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，由于應(yīng)用層與協(xié)議層是互相獨(dú)立的，可以通過第三方進(jìn)行獲取，所以只需要在應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)就可以了。針對CC2430開發(fā)平臺(tái)推出的一款業(yè)界領(lǐng)先的Z?Stack協(xié)議棧軟件，在其基礎(chǔ)上用戶就可以非常容易地開發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用程序[3]。

3.2 ZigBee傳感終端程序設(shè)計(jì)

傳感終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后首先進(jìn)行硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)初始化，尋找網(wǎng)絡(luò)，與協(xié)調(diào)器端組網(wǎng)成功后，啟動(dòng)傳感器采集各參數(shù)，然后將采集的參數(shù)數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)以10 s/次的速率發(fā)送給協(xié)調(diào)器端。傳感終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示。

在傳感端主程序獲取傳感器數(shù)據(jù)后，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器通過無線網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理。

3.3 ZigBee協(xié)調(diào)器端程序設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器端程序主要任務(wù)是接收傳感終端節(jié)點(diǎn)參數(shù)、向PC端上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收PC端上位機(jī)數(shù)據(jù)、向執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)、LCD實(shí)時(shí)顯示各溫室參數(shù)值。協(xié)調(diào)器端程序流程圖如圖7所示。

3.4 ZigBee執(zhí)行終端程序設(shè)計(jì)

ZigBee執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)主要是通過無線網(wǎng)絡(luò)接收由協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的命令，然后將其解析后通過自身引腳電位的變化來控制繼電器的開關(guān)，繼而達(dá)到控制各執(zhí)行單元的效果。執(zhí)行終端程序流程圖如圖8所示。

4 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

LabVIEW用于設(shè)計(jì)PC端上位機(jī)軟件，用于獲取由ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口通信傳遞過來的溫室參數(shù)，對其分析處理及存儲(chǔ)，并根據(jù)用戶的需求對ZigBee發(fā)送控制請求，達(dá)到對溫室系統(tǒng)的智能控制。

4.1 LabSQL安裝

LabSQL是一款免費(fèi)、跨平臺(tái)、支持多數(shù)據(jù)庫并開放源代碼的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包[4]。當(dāng)前最新的LabSQL版本是Release 1.1a，LabSQL支持在Windows操作系統(tǒng)下所有基于OBDC的數(shù)據(jù)庫，其把繁雜的底層ADO和SQL操作封裝成了一系列的函數(shù)[4]。幾乎可以運(yùn)用LabSQL訪問所有類型的數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行各種查詢和各種操作。

4.2 通過串口通信獲取溫室環(huán)境參數(shù)程序設(shè)計(jì)

在上位機(jī)端要獲取串口數(shù)據(jù)，先要在程序中配置VISA，主要注意“數(shù)據(jù)傳輸端口”的選擇和設(shè)置串口通信波特率為115 200 b/s，之后進(jìn)行串口數(shù)據(jù)讀取，讀取程序如圖9所示。

當(dāng)完成串口數(shù)據(jù)讀取后，還要對其進(jìn)行識(shí)別和分檢，運(yùn)行步驟為：

（1） 判斷獲取的數(shù)據(jù)是否為空，為空則不處理；

（2） 判斷數(shù)據(jù)的首位是否為“#”字符，若是則代表是需要的數(shù)據(jù)，反之則舍棄；

（3） 掃描字符串，從數(shù)據(jù)中獲取采集節(jié)點(diǎn)的編號和相應(yīng)節(jié)點(diǎn)所采集的環(huán)境參數(shù)值；

（4） 顯示各采集節(jié)點(diǎn)的編號和相應(yīng)環(huán)境參數(shù)值。

4.3 利用ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)程序設(shè)計(jì)

首先要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)庫，例：創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫名為“LZ_D2015.accdb”用來存儲(chǔ)2015年期間每天所采集的數(shù)據(jù)，之后將獲取到的參數(shù)值存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，每天的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，至此就可將溫室環(huán)境參數(shù)的值存儲(chǔ)在ACCESS數(shù)據(jù)庫中了。

4.4 通過串口通信對協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令程序設(shè)計(jì)

通過串口通信對協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令分為兩種情況：周期性發(fā)送、實(shí)時(shí)響應(yīng)。

（1） 周期性發(fā)送。周期性發(fā)送是程序每隔10 s會(huì)向ZigBee協(xié)調(diào)器自動(dòng)發(fā)送當(dāng)前的控制命令。

（2） 實(shí)時(shí)響應(yīng)。實(shí)時(shí)響應(yīng)是當(dāng)某控制條件改變時(shí)，及時(shí)向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令，主要針對各種控制參數(shù)的變化而響應(yīng)的。

5 試驗(yàn)檢測與分析

5.1 數(shù)據(jù)采集

安裝上位機(jī)軟件和布置好試驗(yàn)場地后，雙擊PC機(jī)桌面上的上位機(jī)軟件圖標(biāo)，程序打開后，顯示出登錄界面，如圖10所示，需要輸入正確的“用戶名”、“密碼”和“校驗(yàn)碼”方可進(jìn)入。默認(rèn)初始用戶名為：lizhen，密碼為：123456，用戶名和密碼亦可在ACCESS數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行修改和添加。

主要配置串口端口和工作模式，配置串口端口用于串口通信，配置工作模式用于PC端上位機(jī)智能判斷向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令。

配置好后點(diǎn)擊“確定”，即完成其初始化工作并開始接收由ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送過來的溫室環(huán)境參數(shù)。通過上位機(jī)軟件中的“溫室縱覽”和“采集數(shù)據(jù)”可查看數(shù)據(jù)和當(dāng)前溫室環(huán)境總體狀態(tài)，如圖12所示。

在ACCESS數(shù)據(jù)庫中，每天的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在該天的數(shù)據(jù)表中。

5.2 數(shù)據(jù)分析

要查看存儲(chǔ)在本機(jī)的ACCESS數(shù)據(jù)庫，可通過上位機(jī)軟件安裝目錄下的“基于LabVIEW和ZigBee的溫室智能控制項(xiàng)目＼database”，打開“LZ_D2015.accdb”數(shù)據(jù)文件會(huì)看到當(dāng)天的數(shù)據(jù)表“D2015_03_28”，打開該表后即可看到該天所存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)，如圖14所示。

亦可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel文檔，以便于對其進(jìn)行其他處理與分析。

5.3 主動(dòng)監(jiān)控

5.3.1 視頻監(jiān)控

在“配置”界面配置好相應(yīng)的監(jiān)控IP地址后，點(diǎn)擊軟件上方的“視頻監(jiān)控”即可彈出溫室環(huán)境監(jiān)控視頻，如圖16所示。

5.3.2 主動(dòng)控制

點(diǎn)擊軟件上方的“主動(dòng)控制”即可進(jìn)入到主動(dòng)控制界面，如圖17所示。

上文提到配置界面的工作模式有兩大類：工作模式、自動(dòng)模式。

工作模式：選擇相應(yīng)的工作模式后，會(huì)從數(shù)據(jù)庫中提取已存儲(chǔ)的相應(yīng)工作模式值，并將之后由用戶實(shí)時(shí)設(shè)定的值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。

對于一種植物，在其不同生長階段所需的環(huán)境參數(shù)是不一樣的，因此智能控制每天所需設(shè)置的閾值亦不相同，也可通過自動(dòng)模式來實(shí)現(xiàn)，將每天的參數(shù)閾值都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，通過調(diào)用當(dāng)天的參數(shù)閾值即可達(dá)到智能控制。

自動(dòng)模式：在自動(dòng)模式下可預(yù)先設(shè)置一年中每天的控制參數(shù)值。

以上提到的“控制參數(shù)值”主要是指主動(dòng)控制模式下的：

自動(dòng)：控制環(huán)境參數(shù)的上下限值，如圖18所示。

強(qiáng)制：強(qiáng)制開啟或關(guān)閉，如圖19所示。

通過 “主動(dòng)控制”按鈕對相關(guān)執(zhí)行單元進(jìn)行控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)各溫室環(huán)境參數(shù)。

6 總 結(jié)

綜合應(yīng)用LabVIEW和ZigBee技術(shù)構(gòu)建出性能優(yōu)良的溫室智能控制系統(tǒng)，實(shí)際試驗(yàn)中運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)果正確，能夠完成預(yù)期目標(biāo)。研究成果如下：

完成了空氣溫濕度傳感器AM2302、土壤溫濕度傳感器SHT11和光照強(qiáng)度傳感器BH1750FVI在Z?Stack協(xié)議棧下的驅(qū)動(dòng)程序編寫，能夠得到正確的環(huán)境參數(shù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理提供保障；實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建，并設(shè)計(jì)出優(yōu)良的通信與控制協(xié)議，使程序可擴(kuò)展；實(shí)現(xiàn)了LabVIEW的串口通信，并通過串口通信完成與ZigBee協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)傳輸，通過優(yōu)良的程序設(shè)計(jì)方案避免了LabVIEW串口通信時(shí)易發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；在LabVIEW環(huán)境編程中運(yùn)用LabSQL工具對ACCESS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀??；總體上構(gòu)建出了性能優(yōu)良、穩(wěn)定、簡單易用的溫室智能控制系統(tǒng)。

注：本文通訊作者為時(shí)玲。

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