基于LabVIEW和ZigBee的溫室智能控制系統設計

李振　時玲　關明美　周橋　聶攀

摘 要： 綜合運用傳感器監測技術、ZigBee技術和LabVIEW技術，研究并設計一種基于LabVIEW和ZigBee的溫室智能控制系統。通過ZigBee傳感端節點上的傳感器采集溫室各環境參數，并通過ZigBee構建的無線傳感器網絡將數據傳輸到ZigBee協調器，ZigBee協調器與PC機進行串口通信，在PC端上位機軟件中實時動態顯示和存儲溫室環境參數，并對改善溫室環境參數的執行設備進行智能控制。所采用的各模塊和針對該系統的設計能夠正常工作并達到預期目的，為及時掌握作物生長環境狀況，實現信息預警和科學決策、管理提供了技術支持。實驗結果表明，該系統可以有效降低構建溫室智能控制系統的成本，并支持系統的可擴展性和可維護性，節能經濟，同時提供了良好的用戶體驗界面。

關鍵詞： 智能溫室； ZigBee； LabVIEW； 無線監控； 傳感器

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： 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

溫室監控的首要任務是采集農作物生長環境參數，目前，國內大量溫室監控系統多采用有線連接的方式，由于溫室環境濕度較大、溫度較高且土壤和空氣中含有酸性，使通信線纜極易老化，影響到溫室監控系統[1]的穩定性。在實際生產中，由于要布設大量的傳感端節點才能保證對整個監測范圍的有效覆蓋，而在土壤中布設大量電纜導致溫室內線纜縱橫交錯，對農作物的耕種造成一定困難，增加了建設溫室檢測控制系統的施工難度、安裝及維護成本。

采用無線傳感器網絡代替有線傳感器網絡是解決這些缺點的優良方案，運用無線傳感器網絡在溫室設施內布設大量的無線傳感端節點，以無線傳輸的方式構建一個運用多跳方式傳輸數據的自組織網絡通信系統。無線傳感端節點采集溫室內作物生長環境信息，再通過無線傳感器網絡將信息傳送至數據中心，以判斷溫室內環境參數[2]是否處于作物生長需要的最佳狀態并實現相應智能調控。無線傳感器網絡技術是未來溫室檢測控制系統的發展趨勢。

1 系統組成

本文設計了一個簡便、直觀、友好的實用型溫室智能控制系統，在參考現有溫室控制系統的基礎上，提出了更優良的系統設計方案。

本系統在結構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、協調控制器和執行控制器，各類傳感器為檢測單元，繼電器、濕簾風機、灌溉系統和補光燈等為執行單元。

軟件部分是用LabVIEW編寫的智能控制系統上位機，其主要功能是通過與每間溫室的ZigBee協調控制器進行串口通信，以獲取每間溫室的環境參數（如空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度和土壤pH值等信息）。相關參數都可以在LabVIEW智能控制系統界面上進行圖形化顯示，同時被存儲在ACCESS數據庫中，以方便后期的數據處理分析和智能決策。

基于LabVIEW和ZigBee的溫室智能控制系統的總體結構如圖1所示。

2 ZigBee網絡節點設計

ZigBee節點是本系統中的一個重點內容，它負責數據的采集與傳輸。低功耗設計是無線傳感網絡的一個設計難點，也是ZigBee節點電路設計中要考慮的一個重要環節。節點電路設計選擇SoC（片上系統）解決方案。 ZigBee節點核心板實物圖如圖2所示。

2.1 ZigBee節點任務分配

根據整體系統的構架需求，將ZigBee節點分設為三部分：ZigBee傳感終端、ZigBee協調器、ZigBee執行終端。在試驗中，以一間100 m2溫室為例，其節點配置個數為：ZigBee傳感終端節點2個；ZigBee協調器端節點1個；ZigBee執行終端節點1個。

2.2 ZigBee傳感終端

傳感終端節點主要用于通過傳感器獲取各溫室環境參數（如：空氣溫濕度、土壤溫濕度和光照強度等）。一間溫室可有多個ZigBee傳感終端節點，當需要獲取較多的溫室參數時，可以根據需求增加相應的傳感終端節點。當獲取各溫室環境參數后，通過無線傳感器網絡將其發送給協調器節點，其工作模式如圖3所示。

此部分是溫室環境檢測中的關鍵部分，需要根據其性能選擇合適的傳感器，得到相對準確的數據是后期進行有效數據分析和處理的保障。

2.3 ZigBee協調器端

協調器節點主要完成四項任務：

（1） 通過無線通信接收由各個傳感終端節點發送來的數據，對其進行分析處理并加以存儲，以便于后期判斷；

（2） 通過串口通信將溫室各環境參數傳輸至PC端上位機；

（3） 通過串口通信獲取PC端上位機發出的控制請求；

（4） 匯總分析數據，智能生成控制各執行單元的信息，并將其發送至ZigBee執行終端節點。

ZigBee協調器節點工作模式如圖4所示。

2.4 ZigBee執行終端

執行終端節點通過無線傳感器網絡接收來自ZigBee協調器節點的控制信息，然后通過設置CC2530擴展引腳電位高低，對繼電器的通斷進行控制以達到控制各執行單元（如濕簾風機、霧化加濕系統、灌溉系統、太陽能熱泵供暖系統、LED補光燈等）的工作狀態。

ZigBee執行終端節點的工作模式如圖5所示。

3 ZigBee程序設計

對于ZigBee的程序開發，使用IAR 8.10開發環境，用IAR開發的最大優勢是可以直接使用由TI公司提供的Z?Stack協議棧來進行開發，且可以調用相應API接口函數[3]。這里選用的Z?Stack協議棧版本為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，所以兩開發工具選用的版本一定要配合友好。經測試，IAR 8.10版本和ZStack?CC2530?2.5.1a版本配合使用時從安裝到開發都很友好。

3.1 ZigBee協議棧

一系列通信的標準即為協議，通信雙方按照同一標準進行正常的數據接收和發射。協議的具體實現形式即協議棧，通常理解協議棧為用戶和協議間的一個接口，開發人員可通過使用協議棧來使用這個協議，繼而實現對無線數據的收發[3]。

在開發應用程序時，由于應用層與協議層是互相獨立的，可以通過第三方進行獲取，所以只需要在應用層進行相應的開發就可以了。針對CC2430開發平臺推出的一款業界領先的Z?Stack協議棧軟件，在其基礎上用戶就可以非常容易地開發出相應的應用程序[3]。

3.2 ZigBee傳感終端程序設計

傳感終端節點啟動后首先進行硬件設備和網絡初始化，尋找網絡，與協調器端組網成功后，啟動傳感器采集各參數，然后將采集的參數數據通過ZigBee網絡以10 s/次的速率發送給協調器端。傳感終端節點程序流程圖如圖6所示。

在傳感端主程序獲取傳感器數據后，通過ZigBee無線網絡將其發送給協調器，ZigBee協調器通過無線網絡對數據進行接收和處理。

3.3 ZigBee協調器端程序設計

ZigBee協調器端程序主要任務是接收傳感終端節點參數、向PC端上位機發送數據、接收PC端上位機數據、向執行終端節點發送數據、LCD實時顯示各溫室參數值。協調器端程序流程圖如圖7所示。

3.4 ZigBee執行終端程序設計

ZigBee執行終端節點主要是通過無線網絡接收由協調器發送過來的命令，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，繼而達到控制各執行單元的效果。執行終端程序流程圖如圖8所示。

4 LabVIEW程序設計

LabVIEW用于設計PC端上位機軟件，用于獲取由ZigBee協調器通過串口通信傳遞過來的溫室參數，對其分析處理及存儲，并根據用戶的需求對ZigBee發送控制請求，達到對溫室系統的智能控制。

4.1 LabSQL安裝

LabSQL是一款免費、跨平臺、支持多數據庫并開放源代碼的LabVIEW數據庫訪問工具包[4]。當前最新的LabSQL版本是Release 1.1a，LabSQL支持在Windows操作系統下所有基于OBDC的數據庫，其把繁雜的底層ADO和SQL操作封裝成了一系列的函數[4]。幾乎可以運用LabSQL訪問所有類型的數據庫，執行各種查詢和各種操作。

4.2 通過串口通信獲取溫室環境參數程序設計

在上位機端要獲取串口數據，先要在程序中配置VISA，主要注意“數據傳輸端口”的選擇和設置串口通信波特率為115 200 b/s，之后進行串口數據讀取，讀取程序如圖9所示。

當完成串口數據讀取后，還要對其進行識別和分檢，運行步驟為：

（1） 判斷獲取的數據是否為空，為空則不處理；

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

（3） 掃描字符串，從數據中獲取采集節點的編號和相應節點所采集的環境參數值；

（4） 顯示各采集節點的編號和相應環境參數值。

4.3 利用ACCESS數據庫存儲環境參數程序設計

首先要創建數據庫，例：創建一個數據庫名為“LZ_D2015.accdb”用來存儲2015年期間每天所采集的數據，之后將獲取到的參數值存儲到數據庫中，每天的數據存儲在相應的數據表中，至此就可將溫室環境參數的值存儲在ACCESS數據庫中了。

4.4 通過串口通信對協調器發送控制命令程序設計

通過串口通信對協調器發送控制命令分為兩種情況：周期性發送、實時響應。

（1） 周期性發送。周期性發送是程序每隔10 s會向ZigBee協調器自動發送當前的控制命令。

（2） 實時響應。實時響應是當某控制條件改變時，及時向ZigBee協調器發送控制命令，主要針對各種控制參數的變化而響應的。

5 試驗檢測與分析

5.1 數據采集

安裝上位機軟件和布置好試驗場地后，雙擊PC機桌面上的上位機軟件圖標，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“校驗碼”方可進入。默認初始用戶名為：lizhen，密碼為：123456，用戶名和密碼亦可在ACCESS數據庫中進行修改和添加。

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端上位機智能判斷向ZigBee協調器發送控制命令。

配置好后點擊“確定”，即完成其初始化工作并開始接收由ZigBee協調器通過串口發送過來的溫室環境參數。通過上位機軟件中的“溫室縱覽”和“采集數據”可查看數據和當前溫室環境總體狀態，如圖12所示。

在ACCESS數據庫中，每天的數據會自動存儲在該天的數據表中。

5.2 數據分析

要查看存儲在本機的ACCESS數據庫，可通過上位機軟件安裝目錄下的“基于LabVIEW和ZigBee的溫室智能控制項目＼database”，打開“LZ_D2015.accdb”數據文件會看到當天的數據表“D2015_03_28”，打開該表后即可看到該天所存儲的所有數據，如圖14所示。

亦可將數據導出為Excel文檔，以便于對其進行其他處理與分析。

5.3 主動監控

5.3.1 視頻監控

在“配置”界面配置好相應的監控IP地址后，點擊軟件上方的“視頻監控”即可彈出溫室環境監控視頻，如圖16所示。

5.3.2 主動控制

點擊軟件上方的“主動控制”即可進入到主動控制界面，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、自動模式。

工作模式：選擇相應的工作模式后，會從數據庫中提取已存儲的相應工作模式值，并將之后由用戶實時設定的值存儲在數據庫中。

對于一種植物，在其不同生長階段所需的環境參數是不一樣的，因此智能控制每天所需設置的閾值亦不相同，也可通過自動模式來實現，將每天的參數閾值都存儲在數據庫中，通過調用當天的參數閾值即可達到智能控制。

自動模式：在自動模式下可預先設置一年中每天的控制參數值。

以上提到的“控制參數值”主要是指主動控制模式下的：

自動：控制環境參數的上下限值，如圖18所示。

強制：強制開啟或關閉，如圖19所示。

通過 “主動控制”按鈕對相關執行單元進行控制，進而調節各溫室環境參數。

6 總 結

綜合應用LabVIEW和ZigBee技術構建出性能優良的溫室智能控制系統，實際試驗中運行穩定、結果正確，能夠完成預期目標。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和光照強度傳感器BH1750FVI在Z?Stack協議棧下的驅動程序編寫，能夠得到正確的環境參數，為后續數據分析處理提供保障；實現了基于ZigBee的無線傳感器網絡搭建，并設計出優良的通信與控制協議，使程序可擴展；實現了LabVIEW的串口通信，并通過串口通信完成與ZigBee協調器間的數據傳輸，通過優良的程序設計方案避免了LabVIEW串口通信時易發生的數據丟失現象；在LabVIEW環境編程中運用LabSQL工具對ACCESS數據庫進行訪問，實現了數據的存儲和讀??；總體上構建出了性能優良、穩定、簡單易用的溫室智能控制系統。

注：本文通訊作者為時玲。

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