基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统设计

李振　时玲　关明美　周桥　聂攀

摘 要： 综合运用传感器监测技术、ZigBee技术和LabVIEW技术，研究并设计一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统。通过ZigBee传感端节点上的传感器采集温室各环境参数，并通过ZigBee构建的无线传感器网络将数据传输到ZigBee协调器，ZigBee协调器与PC机进行串口通信，在PC端上位机软件中实时动态显示和存储温室环境参数，并对改善温室环境参数的执行设备进行智能控制。所采用的各模块和针对该系统的设计能够正常工作并达到预期目的，为及时掌握作物生长环境状况，实现信息预警和科学决策、管理提供了技术支持。实验结果表明，该系统可以有效降低构建温室智能控制系统的成本，并支持系统的可扩展性和可维护性，节能经济，同时提供了良好的用户体验界面。

关键词： 智能温室； ZigBee； LabVIEW； 无线监控； 传感器

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 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

温室监控的首要任务是采集农作物生长环境参数，目前，国内大量温室监控系统多采用有线连接的方式，由于温室环境湿度较大、温度较高且土壤和空气中含有酸性，使通信线缆极易老化，影响到温室监控系统[1]的稳定性。在实际生产中，由于要布设大量的传感端节点才能保证对整个监测范围的有效覆盖，而在土壤中布设大量电缆导致温室内线缆纵横交错，对农作物的耕种造成一定困难，增加了建设温室检测控制系统的施工难度、安装及维护成本。

采用无线传感器网络代替有线传感器网络是解决这些缺点的优良方案，运用无线传感器网络在温室设施内布设大量的无线传感端节点，以无线传输的方式构建一个运用多跳方式传输数据的自组织网络通信系统。无线传感端节点采集温室内作物生长环境信息，再通过无线传感器网络将信息传送至数据中心，以判断温室内环境参数[2]是否处于作物生长需要的最佳状态并实现相应智能调控。无线传感器网络技术是未来温室检测控制系统的发展趋势。

1 系统组成

本文设计了一个简便、直观、友好的实用型温室智能控制系统，在参考现有温室控制系统的基础上，提出了更优良的系统设计方案。

本系统在结构组成上主要分为硬件部分和软件部分。硬件部分以ZigBee为采集控制器、协调控制器和执行控制器，各类传感器为检测单元，继电器、湿帘风机、灌溉系统和补光灯等为执行单元。

软件部分是用LabVIEW编写的智能控制系统上位机，其主要功能是通过与每间温室的ZigBee协调控制器进行串口通信，以获取每间温室的环境参数（如空气温湿度、土壤温湿度、光照强度和土壤pH值等信息）。相关参数都可以在LabVIEW智能控制系统界面上进行图形化显示，同时被存储在ACCESS数据库中，以方便后期的数据处理分析和智能决策。

基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统的总体结构如图1所示。

2 ZigBee网络节点设计

ZigBee节点是本系统中的一个重点内容，它负责数据的采集与传输。低功耗设计是无线传感网络的一个设计难点，也是ZigBee节点电路设计中要考虑的一个重要环节。节点电路设计选择SoC（片上系统）解决方案。 ZigBee节点核心板实物图如图2所示。

2.1 ZigBee节点任务分配

根据整体系统的构架需求，将ZigBee节点分设为三部分：ZigBee传感终端、ZigBee协调器、ZigBee执行终端。在试验中，以一间100 m2温室为例，其节点配置个数为：ZigBee传感终端节点2个；ZigBee协调器端节点1个；ZigBee执行终端节点1个。

2.2 ZigBee传感终端

传感终端节点主要用于通过传感器获取各温室环境参数（如：空气温湿度、土壤温湿度和光照强度等）。一间温室可有多个ZigBee传感终端节点，当需要获取较多的温室参数时，可以根据需求增加相应的传感终端节点。当获取各温室环境参数后，通过无线传感器网络将其发送给协调器节点，其工作模式如图3所示。

此部分是温室环境检测中的关键部分，需要根据其性能选择合适的传感器，得到相对准确的数据是后期进行有效数据分析和处理的保障。

2.3 ZigBee协调器端

协调器节点主要完成四项任务：

（1） 通过无线通信接收由各个传感终端节点发送来的数据，对其进行分析处理并加以存储，以便于后期判断；

（2） 通过串口通信将温室各环境参数传输至PC端上位机；

（3） 通过串口通信获取PC端上位机发出的控制请求；

（4） 汇总分析数据，智能生成控制各执行单元的信息，并将其发送至ZigBee执行终端节点。

ZigBee协调器节点工作模式如图4所示。

2.4 ZigBee执行终端

执行终端节点通过无线传感器网络接收来自ZigBee协调器节点的控制信息，然后通过设置CC2530扩展引脚电位高低，对继电器的通断进行控制以达到控制各执行单元（如湿帘风机、雾化加湿系统、灌溉系统、太阳能热泵供暖系统、LED补光灯等）的工作状态。

ZigBee执行终端节点的工作模式如图5所示。

3 ZigBee程序设计

对于ZigBee的程序开发，使用IAR 8.10开发环境，用IAR开发的最大优势是可以直接使用由TI公司提供的Z?Stack协议栈来进行开发，且可以调用相应API接口函数[3]。这里选用的Z?Stack协议栈版本为ZStack?CC2530?2.5.1a（即ZigBee 2007），通用性比较高。由于IAR和Z?Stack的不同版本可能互不兼容，所以两开发工具选用的版本一定要配合友好。经测试，IAR 8.10版本和ZStack?CC2530?2.5.1a版本配合使用时从安装到开发都很友好。

3.1 ZigBee协议栈

一系列通信的标准即为协议，通信双方按照同一标准进行正常的数据接收和发射。协议的具体实现形式即协议栈，通常理解协议栈为用户和协议间的一个接口，开发人员可通过使用协议栈来使用这个协议，继而实现对无线数据的收发[3]。

在开发应用程序时，由于应用层与协议层是互相独立的，可以通过第三方进行获取，所以只需要在应用层进行相应的开发就可以了。针对CC2430开发平台推出的一款业界领先的Z?Stack协议栈软件，在其基础上用户就可以非常容易地开发出相应的应用程序[3]。

3.2 ZigBee传感终端程序设计

传感终端节点启动后首先进行硬件设备和网络初始化，寻找网络，与协调器端组网成功后，启动传感器采集各参数，然后将采集的参数数据通过ZigBee网络以10 s/次的速率发送给协调器端。传感终端节点程序流程图如图6所示。

在传感端主程序获取传感器数据后，通过ZigBee无线网络将其发送给协调器，ZigBee协调器通过无线网络对数据进行接收和处理。

3.3 ZigBee协调器端程序设计

ZigBee协调器端程序主要任务是接收传感终端节点参数、向PC端上位机发送数据、接收PC端上位机数据、向执行终端节点发送数据、LCD实时显示各温室参数值。协调器端程序流程图如图7所示。

3.4 ZigBee执行终端程序设计

ZigBee执行终端节点主要是通过无线网络接收由协调器发送过来的命令，然后将其解析后通过自身引脚电位的变化来控制继电器的开关，继而达到控制各执行单元的效果。执行终端程序流程图如图8所示。

4 LabVIEW程序设计

LabVIEW用于设计PC端上位机软件，用于获取由ZigBee协调器通过串口通信传递过来的温室参数，对其分析处理及存储，并根据用户的需求对ZigBee发送控制请求，达到对温室系统的智能控制。

4.1 LabSQL安装

LabSQL是一款免费、跨平台、支持多数据库并开放源代码的LabVIEW数据库访问工具包[4]。当前最新的LabSQL版本是Release 1.1a，LabSQL支持在Windows操作系统下所有基于OBDC的数据库，其把繁杂的底层ADO和SQL操作封装成了一系列的函数[4]。几乎可以运用LabSQL访问所有类型的数据库，执行各种查询和各种操作。

4.2 通过串口通信获取温室环境参数程序设计

在上位机端要获取串口数据，先要在程序中配置VISA，主要注意“数据传输端口”的选择和设置串口通信波特率为115 200 b/s，之后进行串口数据读取，读取程序如图9所示。

当完成串口数据读取后，还要对其进行识别和分检，运行步骤为：

（1） 判断获取的数据是否为空，为空则不处理；

（2） 判断数据的首位是否为“#”字符，若是则代表是需要的数据，反之则舍弃；

（3） 扫描字符串，从数据中获取采集节点的编号和相应节点所采集的环境参数值；

（4） 显示各采集节点的编号和相应环境参数值。

4.3 利用ACCESS数据库存储环境参数程序设计

首先要创建数据库，例：创建一个数据库名为“LZ_D2015.accdb”用来存储2015年期间每天所采集的数据，之后将获取到的参数值存储到数据库中，每天的数据存储在相应的数据表中，至此就可将温室环境参数的值存储在ACCESS数据库中了。

4.4 通过串口通信对协调器发送控制命令程序设计

通过串口通信对协调器发送控制命令分为两种情况：周期性发送、实时响应。

（1） 周期性发送。周期性发送是程序每隔10 s会向ZigBee协调器自动发送当前的控制命令。

（2） 实时响应。实时响应是当某控制条件改变时，及时向ZigBee协调器发送控制命令，主要针对各种控制参数的变化而响应的。

5 试验检测与分析

5.1 数据采集

安装上位机软件和布置好试验场地后，双击PC机桌面上的上位机软件图标，程序打开后，显示出登录界面，如图10所示，需要输入正确的“用户名”、“密码”和“校验码”方可进入。默认初始用户名为：lizhen，密码为：123456，用户名和密码亦可在ACCESS数据库中进行修改和添加。

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端上位机智能判断向ZigBee协调器发送控制命令。

配置好后点击“确定”，即完成其初始化工作并开始接收由ZigBee协调器通过串口发送过来的温室环境参数。通过上位机软件中的“温室纵览”和“采集数据”可查看数据和当前温室环境总体状态，如图12所示。

在ACCESS数据库中，每天的数据会自动存储在该天的数据表中。

5.2 数据分析

要查看存储在本机的ACCESS数据库，可通过上位机软件安装目录下的“基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制项目＼database”，打开“LZ_D2015.accdb”数据文件会看到当天的数据表“D2015_03_28”，打开该表后即可看到该天所存储的所有数据，如图14所示。

亦可将数据导出为Excel文档，以便于对其进行其他处理与分析。

5.3 主动监控

5.3.1 视频监控

在“配置”界面配置好相应的监控IP地址后，点击软件上方的“视频监控”即可弹出温室环境监控视频，如图16所示。

5.3.2 主动控制

点击软件上方的“主动控制”即可进入到主动控制界面，如图17所示。

上文提到配置界面的工作模式有两大类：工作模式、自动模式。

工作模式：选择相应的工作模式后，会从数据库中提取已存储的相应工作模式值，并将之后由用户实时设定的值存储在数据库中。

对于一种植物，在其不同生长阶段所需的环境参数是不一样的，因此智能控制每天所需设置的阈值亦不相同，也可通过自动模式来实现，将每天的参数阈值都存储在数据库中，通过调用当天的参数阈值即可达到智能控制。

自动模式：在自动模式下可预先设置一年中每天的控制参数值。

以上提到的“控制参数值”主要是指主动控制模式下的：

自动：控制环境参数的上下限值，如图18所示。

强制：强制开启或关闭，如图19所示。

通过 “主动控制”按钮对相关执行单元进行控制，进而调节各温室环境参数。

6 总 结

综合应用LabVIEW和ZigBee技术构建出性能优良的温室智能控制系统，实际试验中运行稳定、结果正确，能够完成预期目标。研究成果如下：

完成了空气温湿度传感器AM2302、土壤温湿度传感器SHT11和光照强度传感器BH1750FVI在Z?Stack协议栈下的驱动程序编写，能够得到正确的环境参数，为后续数据分析处理提供保障；实现了基于ZigBee的无线传感器网络搭建，并设计出优良的通信与控制协议，使程序可扩展；实现了LabVIEW的串口通信，并通过串口通信完成与ZigBee协调器间的数据传输，通过优良的程序设计方案避免了LabVIEW串口通信时易发生的数据丢失现象；在LabVIEW环境编程中运用LabSQL工具对ACCESS数据库进行访问，实现了数据的存储和读取；总体上构建出了性能优良、稳定、简单易用的温室智能控制系统。

注：本文通讯作者为时玲。

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