基于LabVIEW的無線多點實時環境監控系統的設計

劉二林，柳彥虎，姜香菊

LIU Er-lin1, LIU Yan-hu1, JIANG Xiang-ju2

（1.蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070；2. 蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州 730070）

0 引言

溫室環境監控技術是現代農業技術研究的重要內容，它通過對溫室環境中的溫度、濕度、光照度等環境因子的監測和數據分析，同時結合作物生長發育的特點和規律，運用一定的工程措施來改善不適合作物生長的環境條件，創造出適合作物生長的最佳微氣候條件，從而達到增加作物產量、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。近年來，隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發展，使得溫室環境監控技術向著遠距離、無線、多點、高效、低能耗的現代化無線環境監控技術轉變[1]。

基于以上原因，文中設計一套基于LabVIEW的溫室環境監控系統，該系統以無線通信、傳感器技術為基礎，結合虛擬儀器技術建立一套完整的無線環境監控體系。系統可實現環境信息的無線實時監控，操作人員可以根據監控系統的操作提示對外部環境進行實時監視與控制，該系統融合了傳感器技術、控制技術、通訊技術、計算機技術、專家系統技術等技術于一體，有一定創新性和實用性。

1 方案設計

目前，國內外溫室監控系統的整體方案基本是一致的，都是由上位機與下位機組成，上位機與下位機通過通信來聯系。但是所用的方案不盡相同。在文獻[2]中，詳細說明了國內外溫室監控系統的架構方案，并提到上位機界面設計所采用的VB，Delphi以及MATLAB等軟件；在通訊方面，文獻[2]中主要羅列了RS485總線通訊及GPRS無線通訊。在文獻[3]中則是使用NI公司生產的PCI-6024E型數據采集卡實現對傳感器JWSL-2AT的信號采集。

在本方案設計中，為了整個系統的可行性，完整性，可擴展性，又考慮到設計的低成本及可推廣性等問題，確定系統整體設計方案如下：

1）設計基于STC90C58AD單片機的無線環境信息采集節點。無線環境信息采集節點負責多點實時環境信息數據（環境溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照強度）的采集、數據打包處理、無線數據收發及控制命令的接收與執行。

2）設計一個基于MC9S12XS128單片機的通信網關。通信網關負責多點實時環境信息數據的匯總、數據打包處理、通過RS232串口通信技術將數據發送至監控計算機以及將控制命令下發給相應信息采集節點。整個設計軟件部分要求較高，且無線通信網絡的建立比較復雜，而MC9S12XS128單片機擁有功能強大的在線仿真功能，因而選用飛思卡爾半導體公司的MC9S12XS128單片機作為系統核心控制芯片。

3）設計一款基于LabVIEW的上位機監控系統。該系統完成整個系統的實時監控，數據處理、控制命令下發及報警等功能，作為此系統最頂層的控制中樞，它具有整個系統的最高控制權限，可以通過環境設定值與反饋數據的對比對相應的執行器件進行實時控制。通過該監控系統，操作人員還可以很清晰的了解當前環境狀況以及歷史狀況，也可以根據生產生活的需要，改變監控系統的設定初值，進而控制執行器件使環境的溫度、濕度等保持在需要的水平上。

系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 無線環境信息采集節點硬件設計

2.1.1 nRF905無線通信模塊設計

nRF905是挪威Nordic公司生產的一款單片射頻發射器芯片，采用Nordic公司的ShockBurst技術，使nRF905能夠提供高速的數據傳輸，而不需要昂貴的高速MCU來進行數據處理和時鐘覆蓋。該收發器工作在433/868/915MHz的ISM頻段，由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調節器組成。模塊工作于ShockBurst模式下時可以自動產生前導碼和CRC檢驗碼，可以很容易的通過SPI接口進行編程控制，發射功率為+10dbm時發射電流為11mA，接收電流為12.5mA，進入Power down模式可以很容易實現節電。文獻[4]中，也將nRF905用于倉庫濕溫度檢測，并取得了較好的效果。不同點在于本文用的是多對1模式，該模式更便于傳感器的分布安裝。在多點無線通信設計中ZigBee無線網絡技術也經常被采用，在文獻[5]中就成功采用ZigBee無線網絡技術實現了多點數據采集。

2.1.2 數字溫濕度傳感器DHT11

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。電路如圖2所示。

圖2 DHT11溫濕度傳感器應用電路

DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，一次通訊時間4毫秒左右，芯片有專用的通信協議，可通過軟件測量高電平時間來確定某一位是1還是0，最終接收數據分小數部分和整數部分。具體格式為：一次完整的數據傳輸為40bit，高位先出；數據格式：8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗位數據。在文獻[6]中，采用了DS18B20對多點溫度環境進行檢測，并進行了多點數據的融合處理。本設計中采用的則是基于STC90C58AD單片機的無線環境信息采集節點結構，在每一個節點上，可以對溫濕度進行檢測，并可以根據上位機命令輸出控制信號，結構類型類似于DCS系統，所以也可以方便地進行多點數據采集。

2.1.3 CO2濃度測量傳感器MG811

MG811傳感器采用固體電解質電池原理，由下列固體電池構成：空氣，Au|NASICON||碳酸鹽|Au，空氣，CO2。當傳感器置于CO2氣氛中時，將發生以下電極反應，元件相當于一個電池，其兩端會輸出一個電壓信號，其值與能斯特方程符合較好。

MG811CO2濃度傳感器用于實時監測溫室大棚內的CO2濃度信息，MG811對CO2具有良好的靈敏度和選擇性，受溫度變化影響較小，在實際應用過程中，擁有良好的穩定性、再現性。本設計中使用的是由LM393和MG811組成的CO2濃度檢測模塊，用模擬量輸出（0～2V），直接通過單片機的A/D口將模擬量轉換為數字量[7]。

2.1.4 現場顯示及報警電路設計

設計中選用共陽極四連一體數碼管作為信息采集節點的顯示部件，通過數碼管可以很直觀的看到環境溫度信息，這樣可以在遠離上位機監控平臺時查看信息采集節點工作是否正常。蜂鳴器作為一個必不可少的報警器件在本系統中也有用到，負責當環境溫度、濕度等數據達到報警點時發出報警信息，來提示操作人員做相關處理。信息采集節點也可以根據實際情況進行現場控制系統參數的直接設置，設置參數也可以通過無線收發模塊傳遞給上位機。

圖3 現場顯示系統電路圖

2.2 通信網關的硬件設計

通信網關作為連接多點無線環境采集節點與上位機監控系統的一個數據中轉站，它起著至關重要的作用，因此基于MC9S12XS128單片機的通信網關的設計是本系統非常重要的一部分。當各無線環境信息采集節點完成數據采集任務后，會將所有數據通過無線通信模塊NRF905發送至通信網關，此時通信網關需從不同通信信道中接收有用數據，將各類數據分類匯總，打包處理，并需將各點數據分類上傳至監控計算機，交由監控計算機處理。另一方面，當監控計算機需要采集節點執行相應命令時，通信網關則需將監控計算機的命令進行拆分等一系列處理，并分發給各個無線環境信息采集節點，從而實現環境溫度、濕度、光照強度等參量的人為控制，保證農作物具有最適宜的生存環境。另外為了驗證整個系統運行的正確性、提高通信網絡的通信效率，給通信網關設計了與采集節點完全匹配的命令指示單元，由此可以很清晰的看出數據采集節點命令執行是否有誤。

3 系統軟件設計

3.1 無線環境信息采集節點軟件設計

無線環境信息采集節點程序流程圖如圖4所示[8，9]。

圖4 無線環境信息采集節點程序流程圖

3.2 通信網關程序流程

程序通信網關的程序流程圖如圖5所示。

圖5 通信網關程序流程圖

4 基于LabVIEW上位機監控平臺的設計

4.1 前面板設計

無線多點實時環境監控系統的上位機監控主界面主要包括串口配置、數據收發操作窗口及環境信息采集節點A、B信息顯示選項卡，環境參數設定窗口以及報警提示子窗口等構成。上位機監控系統的主界面，是操作人員接觸最多的部分。監控界面有很好的可操作性，操作人員只需對各模塊的功能加以了解，就可以輕松的操作該上位機監控系統。操作人員可以通過示波器，液位計，刻度表等虛擬儀器控件查看當前環境信息，也可以打開歷史數據存儲子VI，查看近期環境歷史數據。當需要改變設定值時，只需將所需的溫度或濕度信息鍵入相應設定窗口，系統便可通過一系列控制算法，給出相應的報警提示信息，同時輸出相應的控制量，并通過RS232串口通信信號線將控制命令下發給通信網關，控制下位機執行器件，使環境溫度等以最快的速度跟蹤到當前設定值。無線多點實時環境上位機監控主界面前面板如圖6所示。

圖6 上位機監控界面截圖

4.2 程序框圖設計

4.2.1 串口配置

串口配置部分是監控系統較為重要的一個部分，只需調用LabVIEW串口配置的相關控件，通過前面板的相應設置，即可完成RS232串口數據接收。系統串口配置部分程序框圖如圖7所示。

圖7 串口配置部分程序

4.2.2 數據提取與處理

由于本系統采用RS232串口功能實現通信網關與上位機監控系統的連接，且均采用字符格式發送數據，因此從字符信息流中提取出各節點的相關變量就成為程序編程的一大難點，設計中采用LabVIEW字符串拆分方法，將格式固定的字符信息轉換成各節點的溫度、濕度等信息，數據提取與處理部分子VI如圖8所示。

圖8 數據提取與處理程序

5 結論

本設計是以無線傳感器技術、單片機技術位基礎，結合虛擬儀器技術建立了一套完整的無線環境監控系統，可實現環境信息的無線實時監控。經過長時間的聯合調試，結果表明系統響應快，穩定性好，可以完成環境的多點監控功能。希望文中介紹的內容能為研究無線多點檢測系統的設計者們提供一些借鑒。

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