CN204965231U - 一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，属于农业温室控制技术领域。本实用新型利用ZigBee技术建立了空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器、湿帘风机、灌溉控制器、补光灯、PC上位机之间的数据传输无线网络，并用LabVIEW编程控制硬件之间的数据传输与数据处理；利用PC上位机呈现、处理和存储数据，并根据控制要求发出控制指令。本实用新型有如下益处：在实施本实用新型时无需大量的布线，降低了建造温室的成本与施工难度，增强了稳定性和出现问题易查性；整个系统形成一个闭环控制系统，能更加全面的检测并管理温室中的各项数据。

Description

一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统

技术领域

本实用新型涉及农业温室控制技术领域，具体的说是涉及一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统。

背景技术

温室是设施农业领域的核心设施，大量的用户还采用简单型温室控制系统，甚至完全依靠人工控制温室，现有大量温室监控系统多采用设施通过有线连接的方式，由于温室内环境长期处于温湿度较大、温度较高以及土壤和空气中含有酸性，促使通信线缆极易老化，影响到温室监控系统的稳定稳定性；另外，在实际生产中，由于需要布设大量的传感端节点，才能够保证对整个监测范围更为有效的覆盖，在土壤中布设大量的电缆导致温室内线缆纵横交错，使得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和安装及维护成本。

本实用新型利用ZigBee技术建立了空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器、湿帘风机、灌溉控制器、补光灯、PC上位机之间的数据连接，并利用LabVIEW编程实现控制系统各硬件设备之间的通信与控制，解决了传统温室控制系统稳定性差、接线复杂、施工难度大、成本高的问题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是针对现有温室控制系统稳定性差、接线复杂、施工难度大、成本高的问题，提供一种稳定、施工简便、成本低的基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统。

本实用新型基于ZigBee的温室控制系统通过如下技术方法解决：所述的所述的基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统由PC上位机、ZigBee协调器、ZigBee检测终端、ZigBee执行终端组成；其中，每个温室中配有一个ZigBee协调器，每个ZigBee协调器能配有多个ZigBee检测终端和ZigBee执行终端，ZigBee协调器与ZigBee检测终端、ZigBee执行终端通过IEEE802.15.4网络协议建立无线数据传输网络，ZigBee协调器通过串口通信与PC上位机进行通信。

所述的每个ZigBee协调器由一块核心板和一块协调器扩展功能板组成，每个ZigBee检测终端由一块核心板和一块检测扩展功能板组成，每个ZigBee执行终端由一块核心板和一块执行扩展功能板组成，核心板采用CC2530F256芯片。

所述的ZigBee协调器扩展功能板由LCD显示屏、调试接口、调节按键、USB转串口模块组成，ZigBee检测扩展功能板由空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器组成，ZigBee执行扩展功能板由湿帘风机、灌溉控制器、补光灯组成。

所述的ZigBee检测终端能将空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器检测到的数据通过IEEE802.15.4网络协议传送给ZigBee协调器。

所述的ZigBee协调器端能通过无线通信接收各个传感终端节点发送过来的数据，分析得到各个温室参数值，存储在内存中，以便于后期的判断；能通过串口通信将温室各个参数发送给PC上位机；能通过串口通信获取PC上位机发送过来的控制请求；能汇总分析数据，智能生成控制执行单元信息，并通过无线通信发送给ZigBee执行终端节点。

所述的ZigBee执行终端能接收ZigBee协调器发送的控制信息，并调整自身扩展板引脚电压高低，对湿帘风机、灌溉控制器、补光灯进行控制。

所述的PC上位机能接收、处理、保存ZigBee协调器传送的数据，并能向ZigBee协调器发送控制指令。

所述的PC端上位机能够存储用户预先设定好的温室智能控制参数，控制参数能根据作物需求制定，根据这些控制参数与检测得到的温室实际各类环境参数相判断，生成控制指令，并通过串口向ZigBee协调器发送控制指令。

所述的ZigBee协调器和PC上位机的控制指令是由一套控制通信协议组成的，不同的检测终端和执行终端有不同的地址编号，不同的传感器和执行单元也有不同的参数编号，以确定环境参数的检测来源和具体的控制对象，使本系统具备功能扩展的性能。

所述的PC上位机接收数据协议格式为：开始(’#’)+地址(16进制，0x01(1号终端)、0x02(2号终端)、……)+数据(‘$’隔开，空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器)+结尾(’！’)+最后(‘\n’)。

所述的PC上位机控制数据格式为：开始(’#’)+功能码(‘1’：空气温度；‘2’：空气湿度；‘3’：土壤温度；‘4’：土壤湿度；‘5’：光照强度)+功能模式(‘0’：自动模式(通过阈值控制)；‘1’：强制模式(‘0’：关闭‘1’：开启))+数据(DA)+结尾(’！’)+最后(‘\n’)。

所述的基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统的工作流程如下：

——接通控制系统电路，ZigBee协调器、ZigBee检测终端、ZigBee执行终端初始化硬件和网络，ZigBee协调器建立网络，并扫描是否有终端节点申请加入网络。

——ZigBee检测终端、ZigBee执行终端发现ZigBee协调器建立网络，并申请加入该网络，若申请加入不成功，则ZigBee检测终端、ZigBee执行终端反复申请加入ZigBee协调器建立网络。

——ZigBee协调器扫描到ZigBee检测终端、ZigBee执行终端的网络加入申请，同意加入申请，如同意申请不成功则重复进行同意加入申请。

——当ZigBee检测终端成功加入ZigBee协调器建立网络的网络后，则将空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器采集的数据以10s每次的速率发送给ZigBee协调器。

——当ZigBee执行终端成功加入ZigBee协调器建立网络的网络后，则接收ZigBee协调器发送的指令，并根据指令对湿帘风机、灌溉控制器、补光灯进行操作。

——当ZigBee检测终端、ZigBee执行终端成功加入ZigBee协调器建立网络后，ZigBee协调器为加入的ZigBee检测终端、ZigBee执行终端分配IP地址，并将ZigBee检测终端发送来的数据转发给PC上位机，并将PC上位机发送的指令传送给ZigBee执行终端。

——PC上位机接收ZigBee协调器传送过来的数据，并将数据根据要求处理、呈现和存储，并根据控制要求向ZigBee协调器发送控制指令。

本实用新型一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统与现有技术相比有如下有益效果：

1、实现了基于ZigBee的无线传感器网络搭建和ZigBee与PC机的串口通信，在实施本实用新型时无需大量的布线，降低了成本与施工难度，增强了稳定性。

2、整个系统形成一个闭环控制系统，能更加全面的检测并管理温室中的各项数据。

附图说明

图1是本实用新型控制系统的总体结构示意图。

图2是本实用新型控制系统的ZigBee协调器、ZigBee检测终端、ZigBee执行终端核心板原理图。

图3是本实用新型控制系统的ZigBee协调器、ZigBee检测终端、ZigBee执行终端核心板扩展引脚原理图。

图4是本实用新型控制系统的ZigBee协调器扩展功能板、ZigBee检测终端扩展功能板、ZigBee执行终端扩展功能板与核心板扩展引脚连接原理图。

图5是本实用新型控制系统的ZigBee协调器扩展功能板USB转串口(PL2303)原理图。

图6是本实用新型控制系统的ZigBee协调器扩展功能板LCD显示屏原理图。

图7是本实用新型控制系统的ZigBee协调器扩展功能板调试接口原理图。

图8是本实用新型控制系统的ZigBee协调器扩展功能板LED灯和调节按键原理图。

图9是本实用新型控制系统的ZigBee检测终端工作模式示意图。

图10是本实用新型控制系统的ZigBee协调器工作模式示意图。

图11是本实用新型控制系统的ZigBee执行终端工作模式示意图。

图12是本实用新型控制系统的ZigBee协调器工作流程示意图。

图13是本实用新型控制系统的ZigBee检测终端工作流程示意图。

图14是本实用新型控制系统的ZigBee执行终端工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和工作过程对本实用新型一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统技术方案做进一步的描述。

实施例：如图1到图11所示，所述的所述的基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统由PC上位机、ZigBee协调器、ZigBee检测终端、ZigBee执行终端组成；其中，每个温室中配有一个ZigBee协调器，每个ZigBee协调器能配有多个ZigBee检测终端和ZigBee执行终端，ZigBee协调器与ZigBee检测终端、ZigBee执行终端通过IEEE802.15.4网络协议建立无线数据传输网络，ZigBee协调器通过串口通信与PC上位机进行通信。

所述的每个ZigBee协调器由一块核心板和一块协调器扩展功能板组成，每个ZigBee检测终端由一块核心板和一块检测扩展功能板组成，每个ZigBee执行终端由一块核心板和一块执行扩展功能板组成，核心板采用CC2530F256芯片。

所述的ZigBee协调器扩展功能板由LCD显示屏、调试接口、调节按键、USB转串口模块组成，ZigBee检测扩展功能板由空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器组成，ZigBee执行扩展功能板由湿帘风机、灌溉控制器、补光灯组成。

所述的ZigBee检测终端能将空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器检测到的数据通过IEEE802.15.4网络协议传送给ZigBee协调器。

所述的ZigBee协调器端能通过无线通信接收各个传感终端节点发送过来的数据，分析得到各个温室参数值，存储在内存中，以便于后期的判断；能通过串口通信将温室各个参数发送给PC上位机；能通过串口通信获取PC上位机发送过来的控制请求；能汇总分析数据，智能生成控制执行单元信息，并通过无线通信发送给ZigBee执行终端节点。

所述的ZigBee执行终端能接收ZigBee协调器发送的控制信息，并调整自身扩展板引脚电压高低，对湿帘风机、灌溉控制器、补光灯进行控制。

所述的PC上位机能接收、处理、保存ZigBee协调器传送的数据，并能向ZigBee协调器发送控制指令。

所述的PC端上位机能够存储用户预先设定好的温室智能控制参数，控制参数能根据作物需求制定，根据这些控制参数与检测得到的温室实际各类环境参数相判断，生成控制指令，并通过串口向ZigBee协调器发送控制指令。

所述的ZigBee协调器和PC上位机的控制指令是由一套控制通信协议组成的，不同的检测终端和执行终端有不同的地址编号，不同的传感器和执行单元也有不同的参数编号，以确定环境参数的检测来源和具体的控制对象，使本系统具备功能扩展的性能。

所述的PC上位机接收数据协议格式为：开始(’#’)+地址(16进制，0x01(1号终端)、0x02(2号终端)、……)+数据(‘$’隔开，空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器)+结尾(’！’)+最后(‘\n’)。

所述的PC上位机控制数据格式为：开始(’#’)+功能码(‘1’：空气温度；‘2’：空气湿度；‘3’：土壤温度；‘4’：土壤湿度；‘5’：光照强度)+功能模式(‘0’：自动模式(通过阈值控制)；‘1’：强制模式(‘0’：关闭‘1’：开启))+数据(DA)+结尾(’！’)+最后(‘\n’)。

如图12到图14所示，所述的基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统的工作流程如下：

——接通控制系统电路，ZigBee协调器、ZigBee检测终端、ZigBee执行终端初始化硬件和网络，ZigBee协调器建立网络，并扫描是否有终端节点申请加入网络。

——ZigBee检测终端、ZigBee执行终端发现ZigBee协调器建立网络，并申请加入该网络，若申请加入不成功，则ZigBee检测终端、ZigBee执行终端反复申请加入ZigBee协调器建立网络。

——ZigBee协调器扫描到ZigBee检测终端、ZigBee执行终端的网络加入申请，同意加入申请，如同意申请不成功则重复进行同意加入申请。

——当ZigBee检测终端成功加入ZigBee协调器建立网络的网络后，则将空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器采集的数据以10s每次的速率发送给ZigBee协调器。

——当ZigBee执行终端成功加入ZigBee协调器建立网络的网络后，则接收ZigBee协调器发送的指令，并根据指令对湿帘风机、灌溉控制器、补光灯进行操作。

——当ZigBee检测终端、ZigBee执行终端成功加入ZigBee协调器建立网络后，ZigBee协调器为加入的ZigBee检测终端、ZigBee执行终端分配IP地址，并将ZigBee检测终端发送来的数据转发给PC上位机，并将PC上位机发送的指令传送给ZigBee执行终端。

——PC上位机接收ZigBee协调器传送过来的数据，并将数据根据要求处理、呈现和存储，并根据控制要求向ZigBee协调器发送控制指令。

本实用新型的工作过程如下：开启控制系统，并对控制精度进行校准；空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器以10s每次的速率向ZigBee检测终端传送数据，ZigBee检测终端通过无线网络向ZigBee协调器发送数据，ZigBee协调器通过串口通信向PC上位机传送数据，PC上位机对数据进行处理、保存，并根据控制要求向ZigBee执行终端发送指令，ZigBee执行终端再对湿帘风机、灌溉控制器、补光灯进行控制。

Claims (10)

1.一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于该控制系统由PC上位机、ZigBee协调器、ZigBee检测终端、ZigBee执行终端组成；其中，每个温室中配有一个ZigBee协调器，每个ZigBee协调器能配有多个ZigBee检测终端和ZigBee执行终端，ZigBee协调器与ZigBee检测终端、ZigBee执行终端通过IEEE802.15.4网络协议建立无线数据传输网络，ZigBee协调器通过串口通信与PC上位机进行通信。

2.根据权利要求书1所述的一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于每个ZigBee协调器由一块核心板和一块协调器扩展功能板组成，每个ZigBee检测终端由一块核心板和一块检测扩展功能板组成，每个ZigBee执行终端由一块核心板和一块执行扩展功能板组成，核心板采用CC2530F256芯片。

3.根据权利要求书1所述的一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于ZigBee协调器扩展功能板由LCD显示屏、调试接口、调节按键、USB转串口模块组成，ZigBee检测扩展功能板由空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器组成，ZigBee执行扩展功能板由湿帘风机、灌溉控制器、补光灯组成。

4.根据权利要求书1所述的一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于ZigBee检测终端能将空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光强度传感器检测到的数据通过IEEE802.15.4网络协议传送给ZigBee协调器。

5.根据权利要求书1所述的一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于ZigBee协调器端能通过无线通信接收各个传感终端节点发送过来的数据，分析得到各个温室参数值，存储在内存中，以便于后期的判断；能通过串口通信将温室各个参数发送给PC上位机；能通过串口通信获取PC上位机发送过来的控制请求；能汇总分析数据，智能生成控制执行单元信息，并通过无线通信发送给ZigBee执行终端节点。

6.根据权利要求书1所述的一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于ZigBee执行终端能接收ZigBee协调器发送的控制信息，并调整自身扩展功能板引脚电压高低，对湿帘风机、灌溉控制器、补光灯进行控制。

7.根据权利要求书1所述的一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于PC上位机能接收、处理、保存ZigBee协调器传送的数据，并能向ZigBee协调器发送控制指令。

8.根据权利要求书1所述的一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于PC端上位机能够存储用户预先设定好的温室智能控制参数，控制参数能根据作物需求制定，根据这些控制参数与检测得到的温室实际各类环境参数相判断，生成控制指令，并通过串口向ZigBee协调器发送控制指令。

9.根据权利要求书1所述的一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于ZigBee协调器和PC上位机的控制指令是由一套控制通信协议组成的，不同的检测终端和执行终端有不同的地址编号，不同的传感器和执行单元也有不同的参数编号，以确定环境参数的检测来源和具体的控制对象，使本系统具备功能扩展的性能。

10.根据权利要求书1所述的一种基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制系统，其特征在于PC上位机接收数据协议格式为：开始(’#’)+地址(16进制，0x01(1号终端)、0x02(2号终端)、……)+数据(‘$’隔开，空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器)+结尾(’！’)+最后(‘\n’)；

PC上位机控制数据格式为：开始(’#’)+功能码(‘1’：空气温度；‘2’：空气湿度；‘3’：土壤温度；‘4’：土壤湿度；‘5’：光照强度)+功能模式(‘0’：自动模式(通过阈值控制)；‘1’：强制模式(‘0’：关闭‘1’：开启))+数据(DA)+结尾(’！’)+最后(‘\n’)；

通过LabVIEW编程实现控制系统各硬件设备之间的通信与控制。