基于LabVIEW的大棚溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

尚 海，郭海燕，夏桂萍，吳璟玥，夏 志

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031）

基于LabVIEW的大棚溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

尚 海，郭海燕*，夏桂萍，吳璟玥，夏 志

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚溫度環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并降低成本，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由STM 32控制溫度采集與傳輸，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)信號(hào)的同步處理與分析，并實(shí)時(shí)顯示各大棚近段時(shí)間的環(huán)境狀況，利用事件結(jié)構(gòu)編程，顯示并保存報(bào)警數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)大棚溫度，并提供可靠的人機(jī)交互。

溫度；LabVIEW；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；報(bào)警

在環(huán)境較惡劣地區(qū)以及反季節(jié)作物生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)大棚發(fā)揮著重要作用。大棚內(nèi)的溫度變化對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量都有重要影響，因此對(duì)大棚內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得非常重要。雖然目前對(duì)大棚溫度的監(jiān)測(cè)日益智能化，但是所應(yīng)用的大部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力較弱，易出錯(cuò)；而且人工方式仍是主流，對(duì)人力財(cái)力的要求較高，而且時(shí)效性差，當(dāng)大棚數(shù)量較多時(shí)，成本更高。隨著智能系統(tǒng)的飛速發(fā)展，大棚溫度多點(diǎn)自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)逐漸成為新的研究熱點(diǎn)［1-3］。本研究設(shè)計(jì)了一套農(nóng)業(yè)大棚溫度檢測(cè)系統(tǒng)［4-5］，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，造價(jià)低，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)采集處理，并能及時(shí)顯示與保存采集信息，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以便捷、準(zhǔn)確地了解各大棚溫度狀況。現(xiàn)將該系統(tǒng)的主要情況介紹如下。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

系統(tǒng)總體由以STM32微處理器為控制中心的溫度采集模塊和以LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件組成（圖1）。下位機(jī)由1個(gè)STM32微處理器控制4個(gè)傳感器協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器

DS18B20是一種內(nèi)部只有一條總線的數(shù)字傳感器［6］，體積小，易于安裝；多個(gè)DS18B20能夠在一根總線下實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的采集與傳輸，比較適合在大棚里多點(diǎn)放置。傳感器的功耗較低，所需供電電壓僅為3.3～5 V，易于實(shí)現(xiàn)；且抗干擾能力較強(qiáng)，適合在環(huán)境復(fù)雜的大棚中應(yīng)用。DS18B20具有9～12位A/D，能夠精確采集的溫度范圍為55～125℃，溫度采取數(shù)字量輸出，測(cè)量的最小分辨率可達(dá)0.062 5℃，因此適用于對(duì)精確度要求較高的測(cè)溫系統(tǒng)。

2.2 STM32單片機(jī)

單片機(jī)是協(xié)調(diào)各硬件模塊工作的控制中心，在本裝置中選用STM32F103。STM32F103是STM32增強(qiáng)型單片機(jī)，以哈佛結(jié)構(gòu)的32位Cortex-M3精簡(jiǎn)指令集為內(nèi)核，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，芯片內(nèi)部集成度高［7］。STM32F103適宜的工作范圍為-40～105℃，在大棚這種較復(fù)雜的環(huán)境中也可以正常工作。單片機(jī)與上位機(jī)采用RS232協(xié)議串口通信。STM32與MAX232采集電路原理圖如圖3所示。

圖3 采集電路的原理

3 上位機(jī)LabVIEW模塊化設(shè)計(jì)

3.1 串口通信模塊

在LabVIEW儀器I/O串口目錄下，提供了所有串行所需要的函數(shù)。利用這些函數(shù)可以非常方便地完成串口數(shù)據(jù)傳遞。串口通信中，需要調(diào)用的函數(shù)有VISA串口配置、VISA寫入、VISA讀取、VISA資源名［8］。

為了避免讀數(shù)據(jù)時(shí)，緩沖區(qū)內(nèi)字節(jié)數(shù)不足，系統(tǒng)超時(shí)現(xiàn)象，使用“Bytes at Port”串口屬性節(jié)點(diǎn)。LabVIEW讀取數(shù)據(jù)時(shí)將會(huì)把緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)讀出。串口通信模塊程序如圖4所示。

3.2 信號(hào)預(yù)處理模塊

為提高精度，DS18B20采用12位的A/D轉(zhuǎn)換。然而單片機(jī)在發(fā)送時(shí)，每次只能傳輸8位，即一個(gè)字節(jié)，且為字符串形式。因此，上位機(jī)就必須先對(duì)下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)流進(jìn)行轉(zhuǎn)換與整數(shù)拼接，以恢復(fù)原來(lái)數(shù)據(jù)。信號(hào)預(yù)處理模塊LabVIEW程序如圖5所示。

圖4 串口的通信模塊

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與拼接模塊

3.3 報(bào)警與存儲(chǔ)回放模塊

作為上位機(jī)的核心模塊，需將下位機(jī)傳輸?shù)牟煌Y(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分離，分別保存；實(shí)時(shí)更新各結(jié)點(diǎn)溫度，并判斷結(jié)點(diǎn)當(dāng)前溫度狀況，觸發(fā)溫度超出設(shè)定范圍結(jié)點(diǎn)的報(bào)警裝置，并保存報(bào)警記錄，以備后用。

考慮到需要處理多路相同性質(zhì)的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)并調(diào)用子vi的方式處理實(shí)現(xiàn)多路處理，并且方便日后的拓展。報(bào)警子vi如圖6所示。

溫度報(bào)警與存儲(chǔ)回放之間通過(guò)事件結(jié)構(gòu)連接兩者為多對(duì)一的關(guān)系。報(bào)警的存儲(chǔ)回放模塊LabVIEW程序如圖7所示。

圖6 報(bào)警判斷顯示子vi

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)所設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的溫度監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)展模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。若在一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境下，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，則可將該系統(tǒng)移植于溫室大棚中，用于監(jiān)控溫室大棚中溫度的變化。試驗(yàn)采用500 mm×400 mm×300 mm的長(zhǎng)方體塑料箱進(jìn)行模擬，箱內(nèi)不均勻地放置5個(gè)白熾燈泡。將3路傳感器放到箱內(nèi)，1路傳感器置于箱外，接通白熾燈，開(kāi)啟監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)箱體溫度變化過(guò)程。試驗(yàn)的前面板界面如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖8-9所示。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠正確采集到實(shí)驗(yàn)箱的溫度數(shù)據(jù)，并將其正確存儲(chǔ)，且系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

圖7 報(bào)警存儲(chǔ)回放

圖8 系統(tǒng)的前面板界面

5 小結(jié)

基于LabVIEW的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠很好地監(jiān)測(cè)大棚溫度變化，并能同時(shí)處理顯示多路信息，完成報(bào)警存儲(chǔ)工作，且人機(jī)交互界面友好。同時(shí)，LabVIEW的模塊化編程，有利于傳感器結(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。

圖9 文檔存儲(chǔ)

［1］ 袁芳，江偉，馮卡力，等.農(nóng)業(yè)大棚溫度測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（12）：408-410.

［2］ 郭陽(yáng)雪，孔祥洪，宋連偉，等.農(nóng)業(yè)大棚溫度遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（3）：1308-1010，1323.

［3］ 李偉，段翠芳，滑偉娟.溫室監(jiān)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.黃河蔬菜，2010（8）：7-9.

［4］ 劉海洋，王慧，陳智，等.溫室環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2014（4）：65-69.

［5］ 秦永平，孫慶，李哲.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集報(bào)警子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2009，5（27）：7674-7675.

［6］ 湯鍇杰，栗燦，王迪，等.基于DSB18B20的數(shù)字式溫度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（3）：99-102.

［7］ 宗振海，王雅萍，陳智慧.基于STM32的仔豬智能恒溫保育箱的設(shè)計(jì)［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（1）：128-130.

［8］ 李菲，江世明.基于LabVIEW的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子科學(xué)，2014，37（6）：114-116，121.

（責(zé)任編輯：高 峻）

S 126

A

0528-9017（2014）11-1777-03

文獻(xiàn)著錄格式：尚海，郭海燕，夏桂萍，等.基于LabVIEW的大棚溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（11）：1777-1779.