基于LabVIEW和ZigBee的温室大棚环境监控系统的设计

伦志新

（唐山学院计算机中心，河北唐山,063009）

基于LabVIEW和ZigBee的温室大棚环境监控系统的设计

伦志新

（唐山学院计算机中心，河北唐山,063009）

本系统应用LabVIEW软件和ZigBee技术设计了温室大棚环境参数监控系统。系统以CC2530为控制核心，对传感器终端节点和协调器节点进行了软硬件设计；使用LabVIEW设计了上位机控制系统，其分为自动和手动两种控制模式，并实现了远程监控功能。该系统通过现场测试，运行稳定，提高了环境参数控制精度，具有一定的推广性。

LabVIEW;ZigBee;无线传感器网络;监控系统

随着科技不断进步，我国农业发展正在朝着农业强国行列迈进。温室大棚是精细农业发展的一个重要组成部分，其不受季节影响，是实现农作物优质高产的重要手段。温室大棚是一种根据作物生长因子需求，不断调节环境参数的温室设施。调节棚内适宜的温湿度、光照强度和CO2浓度等环境参数，既能够满足作物生长规律，又能够提高作物的产量和品质。目前，我国温棚控制系统多使用有线式信号采集传输，以及使用STC单片机或PLC控制器作为信号处理器。随着无线传感器组网技术的不断发展，该技术逐渐应用在农业设施建设中。

伴随唐山经济的高速发展，温棚建设面积不断增加，但其监控系统设施发展相对滞后。为此，本文设计了一套符合本地区民情、作物品种及气候特点的低成本、低功耗的监控系统。现选定某村单栋大棚环境参数测控为研究对象，温室南北长50m，东西跨度6m，矢高3.5m，在室北侧设置2m走廊。本系统采用无线传感器网络对信号进行采集传输，以及采用LabVIEW软件设计人机交互界面，通过测试说明该设备易操作、运行稳定、功耗较低。

1 系统体系结构原理

温棚环境监控系统结构示意图如图1所示。由监控传感器终端节点、协调器节点、上位机终端和远程用户端组成。本系统选取温棚内的空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、空气CO2浓度作为系统的被控制量，将环流风机、采暖、加湿、灌溉、室外遮阳降温、补光及顶部开窗等执行机构作为控制手段，对棚内环境状态进行调控，从而使棚内的环境达到植物生长所需条件的最佳状态。根据温棚面积和监控点数量确定采用星型传感器网络，该网络具有易建网、易控制、网络延时少及误码率低等特点。终端节点主要采集环境参数并传输给协调器，同时执行器终端节点接收协调器任务；协调器具有双向信号传输功能，即接收各终端节点信息通过串口传输给上位机，并对节点传达上位机控制指令；上位机负责显示、存储节点数据，对执行器发出控制指令，以及与远程用户端建立数据通信；手机用户可以通过GSM模块接收超限报警信息，并通过键盘设置执行器动作；远程用户可以通过Internet访问主机，查询各节点历史数据。

图1 系统体系结构示意图

本文从ZigBee无线网络和上位机终端控制两个方面介绍系统的组成。用户通过该系统较便捷地监控温室环境参数状态。

2 ZigBee星型无线网络构成

本系统由5个终端节点和1个协调器节点组成星型无线传感器网络。协调器是无线网络的中心，具有初始化网络、选择频道和启动网络的功能，负责接收和存储终端节点传输的环境参数，并负责与上位机串口通信。4个终端节点负责采集传感器数据，传输给协调器；1个终端节点连接风扇、天窗和遮光等执行器，接收协调器传输的控制指令，进行环境控制响应。监控系统无线网络的设计分为硬件组建和软件设计。

2.1 网络硬件组建

各个节点的主要作用基本相同，即对环境参数进行数据的采集和传输。ZigBee无线模块主要由控制器模块、射频模块、电源模块组成，在传感器终端节点加入了传感器模块。控制器CC2530是TI公司生产的第二代嵌入式 ZigBee 技术的片上系统，具有增强型8051MCU，系统内可编程闪存，8KB RAM等强大的功能。CC2530具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。本系统采用的CC2530是CC2530F256，具有256KB的闪存。CC2530F256结合了ZigBee协议栈，提供了一个很好的ZigBee开发平台。

传感器模块负责采集棚内空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、空气CO2浓度。根据系统设置要求，选用两个DHT11温湿度传感器完成空气和土壤的温湿度监测。硬件连线时，DHT11的电源端直接连接+5V电源，接地端直接接地，完成对DHT11的供电。空气温湿度数据通过DHT11的数据口与CC2530的P1.0口相连，土壤温湿度数据通过DHT11的数据口与第二块CC2530的P1.1口相连接，将数字信号送入终端节点。光照强度是通过光敏电阻和电位器串接，通过测量光敏电阻的电压变化获得光照强度变化，电压通过ADC0832模数转换芯片的CH0通道输出数字量，通过DO输到第三块CC2530的P1.4口。

2.2 节点软件流程设计

根据无线网络组成，软件设计分为协调器软件设计和终端软件设计两部分。

传感器终端节点负责采集棚内空气和土壤的温湿度、空气CO2浓度和光照强度，以温湿度传感器软件设计为例，当终端节点上电成功申请加入无线网络后，寻找协调器节点并接收指令，开启温湿度数据采集，采集封装数据传输至协调器。

协调器负责终端节点的数据传输，并通过串口与上位机通信。协调器上电后建立无线网络，协调器负责终端节点的数据传输，并通过串口与上位机通信。协调器上电初始化后建立无线网络，接收终端子节点加入。检查串口是否有上位机指令接收，如果存在则执行接收指令，否则继续检查终端节点加入网络。协调器按中串口指令接收传感器数据采集数据，数据通过串口传输至上位机。

3 基于LabVIEW用户界面设计

基于LabVIEW软件本身具有功能较完整的软件开发环境，本系统采用LabVIEW2013作为开发工具。设计中使用G语言编程，及流程图或框图设计模块连接，极大的提高了工作效率。设计的上位机系统主要包括登录界面设计、人机交互界面设计和串口通信设计。完成的主要功能有：用户名密码登录界面；监测空气和土壤的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度的显示；历史收集数据查看，波形显示；对应点的瞬时数据值和上下限值的比较报警；对执行器的控制；通过 GSM模块与手机用户通信。

登录界面实现的主要作用是保证用户和测试数据的安全性。其独立的Access数据库存储着用户的信息，管理员能对其中信息进行管理，在库用户可以通过输入正确的用户登录指令，才能进入到系统的内部，对系统内部进行查看和修改，否则将不能进入系统。主程序通过调用LabSQL即可完成对该数据库的调用。登录界面设计如图2所示。

上位机系统有两种运行模式，自动运行模式和远程手动控制模式。处于自动运行模式时，根据温室模型分析当前节点数据，通过无线传感器节点将大棚内外的参数进行采集并传送到控制平台，控制平台得到数据后，进行阈值比较数据分析，然后提示并发出控制命令控制执行机构动作，自动调节温室大棚内的环境参数，达到植物生长所需的最佳环境条件；处于远程手动控制模式时，可根据监控平台显示的温室环境参数，定时利用GSM模块对手机发送信息，监测温室大棚内的环境，用户使用手机按键控制

图3 LabVIEW主界面前面板

图2 登录界面VI前界面

棚内主要执行器，达到植物生长的最佳环境条件。在上位机中用户可根据作物生长需求设定参数上下限阈值。LabVIEW主界面前面板如图3所示。

GSM通信包含两大功能，发送短信功能和接收短信功能。本系统实现了中文短信发送和英文短信接收功能，较便捷的控制下位机的执行器。短信接收内容要求必须与设定指令相同，才可以执行执行器，否则，将无法进行调节。短信内容将作为指令直接写入串口发送到下位机完成指令调节任务。短信接收过程一直在循环，等待短信到来，GSM模块通知“+CMTI: ”SM”,”再进行一系列的操作，发送过程则是需要触发的，将设定好的短信长度和内容通过局部变量传递给短信长度和发送短信内容这两个输入控件，并传值给触发指示灯，启动发短信，短信号码不参加整个循环和短信事件触发过程。

4 结束语

本系统应用了LabVIEW软件和ZigBee无线组网技术实现了温室大棚环境参数远程控制功能，根据需求设计了自动运行和手动控制两种监控模式，为农业生产提供了便利支持。该系统利用GSM模块实现了用户的远程管理功能，为本地农业设施的综合设计提供了参考方案。系统经过现场测试，运行稳定，功耗较低，扩展性较强，用户使用便捷，适用性较广。由于温棚环境参数与外界环境变化有密切联系，本系统可在人工智能管理方向做进一步拓展研究。

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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

伦志新(1979-)，男，讲师，硕士学位，研究方向为计算机应用技术。