基于LabVIEW的溫室大棚監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計

谷宇希，孟先新，楊道華，王麗君

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

近年來，為改善我國農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施比較落后、抵御自然災(zāi)害能力較弱的現(xiàn)狀，國家加大了對農(nóng)業(yè)發(fā)展的扶持力度［1］.目前現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正朝著機(jī)械化、集約化、智能化、自動化的方向發(fā)展.將虛擬儀器技術(shù)與溫室大棚結(jié)合起來，通過對溫室大棚的智能監(jiān)控，調(diào)節(jié)溫室的環(huán)境，使其滿足農(nóng)作物的生長條件，從而可以提高作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的最大化收益.

筆者基于LabVIEW的溫室監(jiān)測系統(tǒng)，利用虛擬儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對溫室大棚的環(huán)境因子(溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度)進(jìn)行了采集、保存、簡單的數(shù)據(jù)處理以及歷史數(shù)據(jù)查詢，方便直觀地對溫室環(huán)境進(jìn)行全自動綜合測控.結(jié)果表明，該溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)功能強(qiáng)大，操作簡單易懂，可視化效果良好，能夠精確監(jiān)控溫室大棚環(huán)境，可為農(nóng)作物提供適宜的生長環(huán)境.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

溫室大棚的控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)2部分組成.通過上位機(jī)顯示溫室大棚內(nèi)的參數(shù)信息，向MCU發(fā)送指令代碼，MCU進(jìn)一步控制繼電器等開關(guān)量驅(qū)動電路，合理地控制執(zhí)行部件，完成整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行，文中著重介紹了溫室大棚內(nèi)軟件與硬件電路的設(shè)計思路與原理，對于改變環(huán)境參數(shù)的具體機(jī)械部件不加以討論.

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目的為:①對大棚內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集，對均勻分布在溫室大棚內(nèi)的各個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后MCU對各個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，通過LabVIEW顯示出來;②將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過 LabVIEW數(shù)據(jù)控制，進(jìn)一步控制MCU，通過驅(qū)動繼電器，控制執(zhí)行部件(加熱器、遮陽板、濕簾、CO2發(fā)生器、滴灌與施肥裝置、天窗、側(cè)窗、自然通風(fēng)裝置等)開關(guān)，最終達(dá)到調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)環(huán)境的目的;③各個傳感器與MCU間的通信要具有可靠性、實(shí)時性和較強(qiáng)的抗干擾能力，應(yīng)選取適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)默F(xiàn)場總線，采用RS－485通訊方式;④系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下:測量溫度為0～50℃;測量溫度精度±1℃;測量濕度范圍20% ～90%;測量濕度精度±1%.

硬件采用模塊化設(shè)計，每個模塊只實(shí)現(xiàn)一個特定功能.系統(tǒng)硬件電路包括MCU最小系統(tǒng)設(shè)計、供電系統(tǒng)設(shè)計、LCD顯示設(shè)備、溫濕度測量電路設(shè)計、CO2濃度測量電路設(shè)計、繼電器驅(qū)動電路設(shè)計等，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

上位機(jī)是總的監(jiān)測和顯示系統(tǒng)，由一臺通用計算機(jī)作為操作平臺，利用LabVIEW 2010開發(fā)出虛擬溫室監(jiān)測系統(tǒng)，通過可擴(kuò)展的總線和RS－485與不同位置的下位機(jī)進(jìn)行連接［2］.

2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 溫室大棚控制器MCU最小系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用的AT89S54單片機(jī)，具有上電自復(fù)位功能;采用12 MHz外部石英晶體振蕩器為單片機(jī)提供時鐘;外部復(fù)位電路提供上電自復(fù)位以及手動復(fù)位功能，使單片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)試方便.

2.2 供電系統(tǒng)設(shè)計

繼電器模塊采用單獨(dú)的供電電路，供電電壓12.0 V，實(shí)測電壓 11.6 V，能夠符合繼電器吸合電壓 DC9.6 ～12.0 V，釋放電壓小于 DC 1.2 V.由于繼電器吸合過程中會產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁輻射，所以繼電器供電和其他元件供電需要設(shè)計電氣隔離，該供電模塊可輸出功率完全滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求.

2.3 溫濕度測量電路設(shè)計

采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器檢測溫室大棚內(nèi)溫濕度信息.該產(chǎn)品具有較快的響應(yīng)時間、外圍電路簡單、較強(qiáng)的抗干擾能力等，及較高的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，適用于溫室大棚內(nèi)的測量環(huán)境.

2.4 CO2濃度測量電路設(shè)計

MG811 CO2濃度傳感器用于實(shí)時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)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(shí)際應(yīng)用過程中，擁有良好的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性.采用MG811作為CO2濃度監(jiān)測傳感器.

2.5 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計

溫室大棚控制系統(tǒng)需要對水泵、遮陽板、加熱器、CO2發(fā)生器以及電磁閥等設(shè)備進(jìn)行控制，采用機(jī)械式繼電器進(jìn)行控制.機(jī)械式繼電器的缺點(diǎn)是由于觸點(diǎn)動作是機(jī)械部件，其閉合、斷開時，有拉電弧現(xiàn)象，可在動、靜觸點(diǎn)間并聯(lián)一個耐壓極限高、電容量相對較大的極性電容.當(dāng)控制交流電時，多采用滅弧裝置來延長繼電器的使用壽命.在系統(tǒng)研發(fā)過程中，為減少研發(fā)經(jīng)費(fèi)，采用機(jī)械觸點(diǎn)式繼電器作為驅(qū)動外圍構(gòu)件的元件;但在設(shè)備量產(chǎn)過程中，應(yīng)采用電子式繼電器，能夠有效提高設(shè)備的使用壽命.

3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

目前主流的上位機(jī)的開發(fā)環(huán)境有2種:一種是圖形化編程，其代表是 NI的 LabVIEW和HP的VEE(Visual Engineering Environment);另一種是傳統(tǒng)語言編程的開發(fā)環(huán)境，主要有VB，C++，LabWindow等.目前LabVIEW成為最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快和功能最強(qiáng)的圖形化軟件［3］.

溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)面板是一個人機(jī)交互的圖形化界面，是監(jiān)測的上位機(jī).通過前面板上的各種控件操作，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的操作或控制，實(shí)時顯示對系統(tǒng)的監(jiān)視.并且在使用的過程中可以直接通過鍵盤和鼠標(biāo)對溫室系統(tǒng)參數(shù)(溫度、濕度、二氧化碳濃度)的上下限進(jìn)行設(shè)定.溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的前面板由系統(tǒng)登陸、通道配置、實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)控、報警記錄和系統(tǒng)說明7個頁面組成.

3.1 系統(tǒng)登錄和通道設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化思想，每個模塊的功能由一個子VI完成，通過調(diào)用子VI構(gòu)成整個系統(tǒng).登錄系統(tǒng)的功能有增加用戶、刪除用戶、修改密碼;權(quán)限分為管理員權(quán)限和普通用戶權(quán)限.通道設(shè)置主要是完成對數(shù)據(jù)采集和對各個初始參數(shù)的設(shè)置.通過按鈕調(diào)節(jié)采樣率(默認(rèn)1 000)和采樣最大值與最小值，選擇輸入接線端配置以及采樣模式(默認(rèn)連續(xù)采樣)，設(shè)置數(shù)據(jù)保存時間間隔，設(shè)定每個通道的報警界限.圖2為數(shù)據(jù)采集程序的部分截圖.

圖2 數(shù)據(jù)采集程序框圖

3.2 實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報警記錄模塊設(shè)計

實(shí)時顯示溫室各個被測參數(shù)隨時間變化的數(shù)據(jù)值.對采集數(shù)據(jù)的保存是本設(shè)計的一個突出特點(diǎn)，便于以后訪問歷史數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問，通過LabSQL來訪問數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息.LabSQL利用SQL語言，將相對復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQLVIs.通過該方法編程，避免了對數(shù)據(jù)庫底層的深入了解，支持Windows平臺下的任何基于開放式數(shù)據(jù)庫連接的數(shù)據(jù)庫［4］.當(dāng)溫室某一被測參數(shù)的數(shù)據(jù)值超過設(shè)定的上、下界限以后，系統(tǒng)會自動報警，并且記錄越限數(shù)據(jù)值.

3.3 狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)說明模塊

當(dāng)溫室的監(jiān)測參數(shù)超過某一范圍時會報警，系統(tǒng)會根據(jù)報警信息模擬溫室各執(zhí)行機(jī)構(gòu)(加熱器、遮陽板、濕簾等)的運(yùn)動狀態(tài)以及開關(guān)狀態(tài)，很直觀.系統(tǒng)說明模塊顯示該系統(tǒng)采用的技術(shù)和登錄系統(tǒng)的默認(rèn)用戶和密碼以及數(shù)據(jù)庫存儲的位置.

4 結(jié)語

通過計算機(jī)內(nèi)安裝的LabVIEW軟件控制單片機(jī)，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，處理傳感器測得的數(shù)據(jù)，并顯示在計算機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)測和控制，有利于減少人工檢測的不準(zhǔn)確性和延時問題，大大節(jié)約了人力和物力，且提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量.當(dāng)該系統(tǒng)付諸實(shí)際應(yīng)用時，可針對不同的監(jiān)控量，進(jìn)行適當(dāng)修改，以便用于較多場合的溫度和濕度監(jiān)控.

［1］徐希春，初江，高曉惠.設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展分析［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2004(8):237－240.

［2］杜尚豐，李迎霞，馬承偉，等.中國溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20(1):7 －12.

［3］楊樂平，李海濤，肖相生，等.LabVIEW 程序設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［4］萬文略，崔冰波.LabVIEW在測控系統(tǒng)登錄與管理中的應(yīng)用［J］.自動化儀表，2012，33(4):30 －34.