基于LabVIEW和ZigBee的溫室大棚環境監控系統的設計

倫志新

（唐山學院計算機中心，河北唐山,063009）

基于LabVIEW和ZigBee的溫室大棚環境監控系統的設計

倫志新

（唐山學院計算機中心，河北唐山,063009）

本系統應用LabVIEW軟件和ZigBee技術設計了溫室大棚環境參數監控系統。系統以CC2530為控制核心，對傳感器終端節點和協調器節點進行了軟硬件設計；使用LabVIEW設計了上位機控制系統，其分為自動和手動兩種控制模式，并實現了遠程監控功能。該系統通過現場測試，運行穩定，提高了環境參數控制精度，具有一定的推廣性。

LabVIEW;ZigBee;無線傳感器網絡;監控系統

隨著科技不斷進步，我國農業發展正在朝著農業強國行列邁進。溫室大棚是精細農業發展的一個重要組成部分，其不受季節影響，是實現農作物優質高產的重要手段。溫室大棚是一種根據作物生長因子需求，不斷調節環境參數的溫室設施。調節棚內適宜的溫濕度、光照強度和CO2濃度等環境參數，既能夠滿足作物生長規律，又能夠提高作物的產量和品質。目前，我國溫棚控制系統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技術的不斷發展，該技術逐漸應用在農業設施建設中。

伴隨唐山經濟的高速發展，溫棚建設面積不斷增加，但其監控系統設施發展相對滯后。為此，本文設計了一套符合本地區民情、作物品種及氣候特點的低成本、低功耗的監控系統。現選定某村單棟大棚環境參數測控為研究對象，溫室南北長50m，東西跨度6m，矢高3.5m，在室北側設置2m走廊。本系統采用無線傳感器網絡對信號進行采集傳輸，以及采用LabVIEW軟件設計人機交互界面，通過測試說明該設備易操作、運行穩定、功耗較低。

1 系統體系結構原理

溫棚環境監控系統結構示意圖如圖1所示。由監控傳感器終端節點、協調器節點、上位機終端和遠程用戶端組成。本系統選取溫棚內的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、空氣CO2濃度作為系統的被控制量，將環流風機、采暖、加濕、灌溉、室外遮陽降溫、補光及頂部開窗等執行機構作為控制手段，對棚內環境狀態進行調控，從而使棚內的環境達到植物生長所需條件的最佳狀態。根據溫棚面積和監控點數量確定采用星型傳感器網絡，該網絡具有易建網、易控制、網絡延時少及誤碼率低等特點。終端節點主要采集環境參數并傳輸給協調器，同時執行器終端節點接收協調器任務；協調器具有雙向信號傳輸功能，即接收各終端節點信息通過串口傳輸給上位機，并對節點傳達上位機控制指令；上位機負責顯示、存儲節點數據，對執行器發出控制指令，以及與遠程用戶端建立數據通信；手機用戶可以通過GSM模塊接收超限報警信息，并通過鍵盤設置執行器動作；遠程用戶可以通過Internet訪問主機，查詢各節點歷史數據。

圖1 系統體系結構示意圖

本文從ZigBee無線網絡和上位機終端控制兩個方面介紹系統的組成。用戶通過該系統較便捷地監控溫室環境參數狀態。

2 ZigBee星型無線網絡構成

本系統由5個終端節點和1個協調器節點組成星型無線傳感器網絡。協調器是無線網絡的中心，具有初始化網絡、選擇頻道和啟動網絡的功能，負責接收和存儲終端節點傳輸的環境參數，并負責與上位機串口通信。4個終端節點負責采集傳感器數據，傳輸給協調器；1個終端節點連接風扇、天窗和遮光等執行器，接收協調器傳輸的控制指令，進行環境控制響應。監控系統無線網絡的設計分為硬件組建和軟件設計。

2.1 網絡硬件組建

各個節點的主要作用基本相同，即對環境參數進行數據的采集和傳輸。ZigBee無線模塊主要由控制器模塊、射頻模塊、電源模塊組成，在傳感器終端節點加入了傳感器模塊。控制器CC2530是TI公司生產的第二代嵌入式 ZigBee 技術的片上系統，具有增強型8051MCU，系統內可編程閃存，8KB RAM等強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。本系統采用的CC2530是CC2530F256，具有256KB的閃存。CC2530F256結合了ZigBee協議棧，提供了一個很好的ZigBee開發平臺。

傳感器模塊負責采集棚內空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、空氣CO2濃度。根據系統設置要求，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。空氣溫濕度數據通過DHT11的數據口與CC2530的P1.0口相連，土壤溫濕度數據通過DHT11的數據口與第二塊CC2530的P1.1口相連接，將數字信號送入終端節點。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模數轉換芯片的CH0通道輸出數字量，通過DO輸到第三塊CC2530的P1.4口。

2.2 節點軟件流程設計

根據無線網絡組成，軟件設計分為協調器軟件設計和終端軟件設計兩部分。

傳感器終端節點負責采集棚內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計為例，當終端節點上電成功申請加入無線網絡后，尋找協調器節點并接收指令，開啟溫濕度數據采集，采集封裝數據傳輸至協調器。

協調器負責終端節點的數據傳輸，并通過串口與上位機通信。協調器上電后建立無線網絡，協調器負責終端節點的數據傳輸，并通過串口與上位機通信。協調器上電初始化后建立無線網絡，接收終端子節點加入。檢查串口是否有上位機指令接收，如果存在則執行接收指令，否則繼續檢查終端節點加入網絡。協調器按中串口指令接收傳感器數據采集數據，數據通過串口傳輸至上位機。

3 基于LabVIEW用戶界面設計

基于LabVIEW軟件本身具有功能較完整的軟件開發環境，本系統采用LabVIEW2013作為開發工具。設計中使用G語言編程，及流程圖或框圖設計模塊連接，極大的提高了工作效率。設計的上位機系統主要包括登錄界面設計、人機交互界面設計和串口通信設計。完成的主要功能有：用戶名密碼登錄界面；監測空氣和土壤的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度的顯示；歷史收集數據查看，波形顯示；對應點的瞬時數據值和上下限值的比較報警；對執行器的控制；通過 GSM模塊與手機用戶通信。

登錄界面實現的主要作用是保證用戶和測試數據的安全性。其獨立的Access數據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，才能進入到系統的內部，對系統內部進行查看和修改，否則將不能進入系統。主程序通過調用LabSQL即可完成對該數據庫的調用。登錄界面設計如圖2所示。

上位機系統有兩種運行模式，自動運行模式和遠程手動控制模式。處于自動運行模式時，根據溫室模型分析當前節點數據，通過無線傳感器節點將大棚內外的參數進行采集并傳送到控制平臺，控制平臺得到數據后，進行閾值比較數據分析，然后提示并發出控制命令控制執行機構動作，自動調節溫室大棚內的環境參數，達到植物生長所需的最佳環境條件；處于遠程手動控制模式時，可根據監控平臺顯示的溫室環境參數，定時利用GSM模塊對手機發送信息，監測溫室大棚內的環境，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

棚內主要執行器，達到植物生長的最佳環境條件。在上位機中用戶可根據作物生長需求設定參數上下限閾值。LabVIEW主界面前面板如圖3所示。

GSM通信包含兩大功能，發送短信功能和接收短信功能。本系統實現了中文短信發送和英文短信接收功能，較便捷的控制下位機的執行器。短信接收內容要求必須與設定指令相同，才可以執行執行器，否則，將無法進行調節。短信內容將作為指令直接寫入串口發送到下位機完成指令調節任務。短信接收過程一直在循環，等待短信到來，GSM模塊通知“+CMTI: ”SM”,”再進行一系列的操作，發送過程則是需要觸發的，將設定好的短信長度和內容通過局部變量傳遞給短信長度和發送短信內容這兩個輸入控件，并傳值給觸發指示燈，啟動發短信，短信號碼不參加整個循環和短信事件觸發過程。

4 結束語

本系統應用了LabVIEW軟件和ZigBee無線組網技術實現了溫室大棚環境參數遠程控制功能，根據需求設計了自動運行和手動控制兩種監控模式，為農業生產提供了便利支持。該系統利用GSM模塊實現了用戶的遠程管理功能，為本地農業設施的綜合設計提供了參考方案。系統經過現場測試，運行穩定，功耗較低，擴展性較強，用戶使用便捷，適用性較廣。由于溫棚環境參數與外界環境變化有密切聯系，本系統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，碩士學位，研究方向為計算機應用技術。