基于LabVIEW的无线多点实时环境监控系统的设计

刘二林，柳彦虎，姜香菊

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

（1.兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070；2. 兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 730070）

0 引言

温室环境监控技术是现代农业技术研究的重要内容，它通过对温室环境中的温度、湿度、光照度等环境因子的监测和数据分析，同时结合作物生长发育的特点和规律，运用一定的工程措施来改善不适合作物生长的环境条件，创造出适合作物生长的最佳微气候条件，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。近年来，随着无线传感器网络技术的迅猛发展，使得温室环境监控技术向着远距离、无线、多点、高效、低能耗的现代化无线环境监控技术转变[1]。

基于以上原因，文中设计一套基于LabVIEW的温室环境监控系统，该系统以无线通信、传感器技术为基础，结合虚拟仪器技术建立一套完整的无线环境监控体系。系统可实现环境信息的无线实时监控，操作人员可以根据监控系统的操作提示对外部环境进行实时监视与控制，该系统融合了传感器技术、控制技术、通讯技术、计算机技术、专家系统技术等技术于一体，有一定创新性和实用性。

1 方案设计

目前，国内外温室监控系统的整体方案基本是一致的，都是由上位机与下位机组成，上位机与下位机通过通信来联系。但是所用的方案不尽相同。在文献[2]中，详细说明了国内外温室监控系统的架构方案，并提到上位机界面设计所采用的VB，Delphi以及MATLAB等软件；在通讯方面，文献[2]中主要罗列了RS485总线通讯及GPRS无线通讯。在文献[3]中则是使用NI公司生产的PCI-6024E型数据采集卡实现对传感器JWSL-2AT的信号采集。

在本方案设计中，为了整个系统的可行性，完整性，可扩展性，又考虑到设计的低成本及可推广性等问题，确定系统整体设计方案如下：

1）设计基于STC90C58AD单片机的无线环境信息采集节点。无线环境信息采集节点负责多点实时环境信息数据（环境温度、湿度、二氧化碳浓度及光照强度）的采集、数据打包处理、无线数据收发及控制命令的接收与执行。

2）设计一个基于MC9S12XS128单片机的通信网关。通信网关负责多点实时环境信息数据的汇总、数据打包处理、通过RS232串口通信技术将数据发送至监控计算机以及将控制命令下发给相应信息采集节点。整个设计软件部分要求较高，且无线通信网络的建立比较复杂，而MC9S12XS128单片机拥有功能强大的在线仿真功能，因而选用飞思卡尔半导体公司的MC9S12XS128单片机作为系统核心控制芯片。

3）设计一款基于LabVIEW的上位机监控系统。该系统完成整个系统的实时监控，数据处理、控制命令下发及报警等功能，作为此系统最顶层的控制中枢，它具有整个系统的最高控制权限，可以通过环境设定值与反馈数据的对比对相应的执行器件进行实时控制。通过该监控系统，操作人员还可以很清晰的了解当前环境状况以及历史状况，也可以根据生产生活的需要，改变监控系统的设定初值，进而控制执行器件使环境的温度、湿度等保持在需要的水平上。

系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 无线环境信息采集节点硬件设计

2.1.1 nRF905无线通信模块设计

nRF905是挪威Nordic公司生产的一款单片射频发射器芯片，采用Nordic公司的ShockBurst技术，使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理和时钟覆盖。该收发器工作在433/868/915MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。模块工作于ShockBurst模式下时可以自动产生前导码和CRC检验码，可以很容易的通过SPI接口进行编程控制，发射功率为+10dbm时发射电流为11mA，接收电流为12.5mA，进入Power down模式可以很容易实现节电。文献[4]中，也将nRF905用于仓库湿温度检测，并取得了较好的效果。不同点在于本文用的是多对1模式，该模式更便于传感器的分布安装。在多点无线通信设计中ZigBee无线网络技术也经常被采用，在文献[5]中就成功采用ZigBee无线网络技术实现了多点数据采集。

2.1.2 数字温湿度传感器DHT11

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。电路如图2所示。

图2 DHT11温湿度传感器应用电路

DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4毫秒左右，芯片有专用的通信协议，可通过软件测量高电平时间来确定某一位是1还是0，最终接收数据分小数部分和整数部分。具体格式为：一次完整的数据传输为40bit，高位先出；数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验位数据。在文献[6]中，采用了DS18B20对多点温度环境进行检测，并进行了多点数据的融合处理。本设计中采用的则是基于STC90C58AD单片机的无线环境信息采集节点结构，在每一个节点上，可以对温湿度进行检测，并可以根据上位机命令输出控制信号，结构类型类似于DCS系统，所以也可以方便地进行多点数据采集。

2.1.3 CO2浓度测量传感器MG811

MG811传感器采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成：空气，Au|NASICON||碳酸盐|Au，空气，CO2。当传感器置于CO2气氛中时，将发生以下电极反应，元件相当于一个电池，其两端会输出一个电压信号，其值与能斯特方程符合较好。

MG811CO2浓度传感器用于实时监测温室大棚内的CO2浓度信息，MG811对CO2具有良好的灵敏度和选择性，受温度变化影响较小，在实际应用过程中，拥有良好的稳定性、再现性。本设计中使用的是由LM393和MG811组成的CO2浓度检测模块，用模拟量输出（0～2V），直接通过单片机的A/D口将模拟量转换为数字量[7]。

2.1.4 现场显示及报警电路设计

设计中选用共阳极四连一体数码管作为信息采集节点的显示部件，通过数码管可以很直观的看到环境温度信息，这样可以在远离上位机监控平台时查看信息采集节点工作是否正常。蜂鸣器作为一个必不可少的报警器件在本系统中也有用到，负责当环境温度、湿度等数据达到报警点时发出报警信息，来提示操作人员做相关处理。信息采集节点也可以根据实际情况进行现场控制系统参数的直接设置，设置参数也可以通过无线收发模块传递给上位机。

图3 现场显示系统电路图

2.2 通信网关的硬件设计

通信网关作为连接多点无线环境采集节点与上位机监控系统的一个数据中转站，它起着至关重要的作用，因此基于MC9S12XS128单片机的通信网关的设计是本系统非常重要的一部分。当各无线环境信息采集节点完成数据采集任务后，会将所有数据通过无线通信模块NRF905发送至通信网关，此时通信网关需从不同通信信道中接收有用数据，将各类数据分类汇总，打包处理，并需将各点数据分类上传至监控计算机，交由监控计算机处理。另一方面，当监控计算机需要采集节点执行相应命令时，通信网关则需将监控计算机的命令进行拆分等一系列处理，并分发给各个无线环境信息采集节点，从而实现环境温度、湿度、光照强度等参量的人为控制，保证农作物具有最适宜的生存环境。另外为了验证整个系统运行的正确性、提高通信网络的通信效率，给通信网关设计了与采集节点完全匹配的命令指示单元，由此可以很清晰的看出数据采集节点命令执行是否有误。

3 系统软件设计

3.1 无线环境信息采集节点软件设计

无线环境信息采集节点程序流程图如图4所示[8，9]。

图4 无线环境信息采集节点程序流程图

3.2 通信网关程序流程

程序通信网关的程序流程图如图5所示。

图5 通信网关程序流程图

4 基于LabVIEW上位机监控平台的设计

4.1 前面板设计

无线多点实时环境监控系统的上位机监控主界面主要包括串口配置、数据收发操作窗口及环境信息采集节点A、B信息显示选项卡，环境参数设定窗口以及报警提示子窗口等构成。上位机监控系统的主界面，是操作人员接触最多的部分。监控界面有很好的可操作性，操作人员只需对各模块的功能加以了解，就可以轻松的操作该上位机监控系统。操作人员可以通过示波器，液位计，刻度表等虚拟仪器控件查看当前环境信息，也可以打开历史数据存储子VI，查看近期环境历史数据。当需要改变设定值时，只需将所需的温度或湿度信息键入相应设定窗口，系统便可通过一系列控制算法，给出相应的报警提示信息，同时输出相应的控制量，并通过RS232串口通信信号线将控制命令下发给通信网关，控制下位机执行器件，使环境温度等以最快的速度跟踪到当前设定值。无线多点实时环境上位机监控主界面前面板如图6所示。

图6 上位机监控界面截图

4.2 程序框图设计

4.2.1 串口配置

串口配置部分是监控系统较为重要的一个部分，只需调用LabVIEW串口配置的相关控件，通过前面板的相应设置，即可完成RS232串口数据接收。系统串口配置部分程序框图如图7所示。

图7 串口配置部分程序

4.2.2 数据提取与处理

由于本系统采用RS232串口功能实现通信网关与上位机监控系统的连接，且均采用字符格式发送数据，因此从字符信息流中提取出各节点的相关变量就成为程序编程的一大难点，设计中采用LabVIEW字符串拆分方法，将格式固定的字符信息转换成各节点的温度、湿度等信息，数据提取与处理部分子VI如图8所示。

图8 数据提取与处理程序

5 结论

本设计是以无线传感器技术、单片机技术位基础，结合虚拟仪器技术建立了一套完整的无线环境监控系统，可实现环境信息的无线实时监控。经过长时间的联合调试，结果表明系统响应快，稳定性好，可以完成环境的多点监控功能。希望文中介绍的内容能为研究无线多点检测系统的设计者们提供一些借鉴。

[1] 李伟,段翠芳,滑伟娟.温室监控系统在国内外的发展现状与趋势[J].中国果菜,2010,2(8)：7-9.

[2] 周建民,徐冬冬,周其显,等.现代温室监控系统的主要架构方案及发展[J].安徽农业科学,2010,38(3)：1440-1441,1459.

[3] 卢佩,刘效勇.基于LabVIEW的温室大棚温、湿度解耦模糊控制监测系统设计与实现[J].山东农业大学学报（自然科学版）,2012,43(1)：124-128.

[4] 刘庆赟,焦斌亮,刘永富.仓库温湿度监测与nRF905无线传输系统的设计[J].传感器与微系统,2011,30(5)：101-103.

[5] 侯思磊,龚向东.基于ZigBee的温室监控系统网关设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2011,11(5)：74-76.

[6] 姜新华,张丽娜.基于LabVIEW的日光温室多点温度监测系统设计[J].内蒙古大学学报（自然科学版）,2012,43(1)：81-84.

[7] 谷宇希,孟先新,杨道华等.基于LabVIEW的温室大棚检测与控制系统设计[J].华北水利水电学院学报,2013.6,34(3)：110-112.

[8] 魏伟,胡玮,王永清.51单片机C语言开发与应用技术[M].北京：化学工业出版社,2010：131-135.

[9] 文光俊,谢甫珍,李建.无线通信：射频电路技术与设计[M].北京：电子工业出版社,2010：59-70.