虛擬儀器大棚溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐小華等

摘要：CO2濃度、溫度、濕度等因素制約著農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量。采用虛擬儀器和Actives技術(shù)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能較好監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；溫室；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；傳感器；CO2濃度；溫度；濕度

中圖分類號(hào)： TP277.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）10-0389-03

收稿日期：2014-03-31

基金項(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金 （編號(hào)：2011C042）。

作者簡(jiǎn)介：徐小華（1980—），男，四川南充人，碩士，講師，主要從事模式識(shí)別和計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)研究。 E-mail：969287340@qq.com。農(nóng)作物生長(zhǎng)在很大程度上受遺傳性、地域性、季節(jié)性等多種因素影響。大部分時(shí)間的自然環(huán)境都不能滿足農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，往往影響農(nóng)作物產(chǎn)量增加，勢(shì)必會(huì)造成一定的物力、人力、財(cái)力浪費(fèi)。使用科學(xué)的大棚栽培技術(shù)來(lái)達(dá)到對(duì)作物生長(zhǎng)有利的環(huán)境因素，有利于提高作物產(chǎn)量和緩解農(nóng)作物季節(jié)矛盾。本研究將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種技術(shù)融為一體，研制開(kāi)發(fā)成本低廉、操作簡(jiǎn)單的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在為推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)智能化進(jìn)程提供借鑒。

1虛擬儀器技術(shù)

在測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)國(guó)家儀器公司首先提出“軟件即儀器”的口號(hào)，即虛擬儀器，推出了LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench），其直觀的流程圖編程風(fēng)格和運(yùn)行程序平臺(tái)，開(kāi)啟了虛擬儀器的先河[1]。虛擬儀器代表了當(dāng)時(shí)儀器發(fā)展的新方向，是儀器領(lǐng)域的一個(gè)突破，如今虛擬儀器技術(shù)發(fā)展到遠(yuǎn)程虛擬儀器階段。將虛擬儀器應(yīng)用范圍拓展到整個(gè)Internet/Intranet網(wǎng)上，使信號(hào)采集、傳輸、處理一體化，而且不受地域、環(huán)境限制[2-4]。本研究采用LabVIEW、Access、LabSQL軟件和數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)、傳感器等硬件相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

2大棚溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

大棚溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

2.1傳感器選擇

根據(jù)溫室環(huán)境，須使用3種類型的傳感器。

一般來(lái)說(shuō)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需溫度為16～28 ℃，故選用三線制Pt100熱電阻作為溫度傳感器，經(jīng)過(guò)溫度變送器處理后，轉(zhuǎn)換成4～20 mA直流電流輸出。圖2是溫度傳感器和變送器接線方式。

溫室相對(duì)濕度要求因季節(jié)、農(nóng)作物種類不同有所不同，一般為50%～85%，故選用JYTM-02型濕度傳感器作為系統(tǒng)的濕度傳感器，測(cè)定結(jié)果是相對(duì)濕度。其主要電氣特性電器參數(shù)如下：5 V DC 5%的供電電壓，10%～95% RH 濕度范圍，2 mA工作電流。

植物生長(zhǎng)要進(jìn)行光合作用，溫室里必須有合適的CO2濃度。本系統(tǒng)選用美國(guó)FIGARO公司生產(chǎn)TGS4160型CO2傳感器來(lái)測(cè)量CO2濃度，系統(tǒng)采用控制鋼瓶裝的液態(tài)CO2氣源，用繼電器的啟閉和控制開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)CO2的釋放。

2.2系統(tǒng)主要模塊

根據(jù)系統(tǒng)需求，共設(shè)計(jì)了5個(gè)主要模塊，各模塊實(shí)現(xiàn)方法如下。

2.2.1數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)合待測(cè)參數(shù)特征，以及數(shù)據(jù)采集板的可靠性、精度、性價(jià)比等因素，選擇美國(guó)NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡USB-6008。它是一種小型、輕便的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其采集單端輸入方式、2.5 kHz的采樣頻率。

2.2.2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊測(cè)試數(shù)據(jù)和時(shí)間有重要關(guān)系。圖3是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊。其實(shí)現(xiàn)步驟是：設(shè)置曲線開(kāi)始時(shí)間；設(shè)置x軸的最小值為0，最大值為10，即顯示10 s內(nèi)的數(shù)據(jù)；輸入空數(shù)組到趨勢(shì)圖的History屬性將趨勢(shì)圖清空，并通過(guò)XScale.Format[5]屬性設(shè)置x軸顯示格式為相對(duì)時(shí)間，并分別輸入到相應(yīng)的實(shí)時(shí)曲線屬性中。在While循環(huán)中通過(guò) XScale.Multiplier 屬性設(shè)置x軸間隔時(shí)間。

2.2.3報(bào)警模塊報(bào)警模塊用來(lái)顯示溫度、濕度、CO2濃度是否超過(guò)設(shè)定報(bào)警值的上限或下限。當(dāng)超限時(shí)，前面板相應(yīng)的燈亮且相應(yīng)控件閃爍，并通過(guò)聲音傳輸給用戶。圖4是報(bào)警模塊。

2.2.4數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊根據(jù)LabSQL和Access數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)速度，本研究選取免費(fèi)的LabSQL軟件和Access軟件的無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊的程序設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊主要是完成對(duì)各測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)儲(chǔ)存。圖5是程序存儲(chǔ)模塊。

系統(tǒng)采用LabSQL軟件與Access軟件結(jié)合的方式完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊的設(shè)計(jì)，其實(shí)現(xiàn)步驟為：首先使用“ADO Connection Create. vi”創(chuàng)建1個(gè)連接數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象，然后使用“ADO Connection Open.vi”打開(kāi)數(shù)據(jù)源，與數(shù)據(jù)庫(kù)文件建立連接；使用“ADO SQL Execute.vi”執(zhí)行“Insert into測(cè)試（時(shí)間，濕度，溫度，CO2）values” 語(yǔ)句，寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中；最后用“ADO Connection Close.vi”把LabVIEW和ODBC數(shù)據(jù)源斷開(kāi)。其數(shù)據(jù)查詢和刪除的實(shí)現(xiàn)方式同添加模塊的方式相同。

2.2.5遠(yuǎn)程傳輸模塊網(wǎng)絡(luò)模式有C/S模型、B/S模型2種。本研究根據(jù)系統(tǒng)需求在B/S網(wǎng)絡(luò)模型下采用DataSocket Actives技術(shù)[6-8]，結(jié)合開(kāi)發(fā)ActiveX軟件和IIS 5.0服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。通信過(guò)程見(jiàn)圖6。

服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)主要步驟如下。

（1）新建工程。選擇VB編程軟件菜單“Project/Components”，在“Components”對(duì)話框中選擇“National Instruments CW DS 4.0”和“National Instruments CW UI 6.0”，點(diǎn)擊“OK”，這些控件就出現(xiàn)在工具箱上。

（2）設(shè)計(jì)用戶界面。

（3）編寫(xiě)代碼。以下是控件的部分源代碼。

Private Sub Command1_Click（）

CWDS1.ConnectTo “dstp：//xxh/ceshi”，cwdsReadAutoUpdate

End Sub

Private Sub CWDS1_OnDataUpdated（ByVal Data As CWDSLib.CWData）

‘Dim a（0 To 4）

CWSlide1.Value = Data.Value（0）-106

Text1.Text = Format（Data.Value（0））-106

CWSlide2.Value = Data.Value（1）-106

Text2.Text = Format（Data.Value（1））-106

CWSlide3.Value = Data.Value（2）-106

Text3.Text = Format（Data.Value（2））-106

CWSlide4.Value = Data.Value（3）-106

Private Sub CWDS1_OnStatusUpdated（ByVal status As Long，ByVal Error As Long，ByVal Message As String）

Label6.Caption = Message

End Sub

Private Sub disconnectclick（）

CWDSl.Disconnect

CWButtonl.Value = False

End Sub

Private Sub UserControl_Initialize（）

End Sub

End Sub

（4）編譯成ActiveX控件。保存程序，編譯ActiveX控件并命名。

（5）利用VBA建立網(wǎng)頁(yè)。

制作好網(wǎng)頁(yè)后，在服務(wù)器端配置好IIS，在運(yùn)行客戶端時(shí)輸入服務(wù)器端地址，自動(dòng)下載ActiveX控件。其客戶端運(yùn)行效果見(jiàn)圖7。

3結(jié)語(yǔ)

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試后進(jìn)行大棚溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都能滿足要求，表明該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，能帶來(lái)一定效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]殷章桃，坎雜，江英蘭，等. 基于虛擬儀器的加工番茄自動(dòng)分選試驗(yàn)臺(tái)輸送系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（3）：374-377.

[2]易馳，文小玲，李鳳旭. 基于LabVIEW的溫度壓力采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（17）：5-8.

[3]顧亞雄，朱翠英，許方華. 基于LabVIEW的單片機(jī)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28（10）：46-48，60.

[4]徐子荔，陳明，鐘周威. 基于DataSocket技術(shù)的大氣數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)測(cè)技術(shù)，2006，26（1）：65-67.

[5]張新榮，張宇林，周紅標(biāo)，等. 基于電子鼻和LabVIEW的魚(yú)類新鮮度檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（2）：315-318.

[6]莫慧芳，饒明輝. 基于DataSocket技術(shù)的電機(jī)聲頻遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2013（3）：175-176.

[7]Ren W，Ma Q，Lv J. Design on monitored control system of vessel dynamic cyclone oily water separator[J]. Advanced Materials Research，2013，614：608-612.

[8]張晟，董榮勝，冷文浩，等. 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信模型優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2013，39（4）：276-279.

（2）設(shè)計(jì)用戶界面。

（3）編寫(xiě)代碼。以下是控件的部分源代碼。

Private Sub Command1_Click（）

CWDS1.ConnectTo “dstp：//xxh/ceshi”，cwdsReadAutoUpdate

End Sub

Private Sub CWDS1_OnDataUpdated（ByVal Data As CWDSLib.CWData）

‘Dim a（0 To 4）

CWSlide1.Value = Data.Value（0）-106

Text1.Text = Format（Data.Value（0））-106

CWSlide2.Value = Data.Value（1）-106

Text2.Text = Format（Data.Value（1））-106

CWSlide3.Value = Data.Value（2）-106

Text3.Text = Format（Data.Value（2））-106

CWSlide4.Value = Data.Value（3）-106

Private Sub CWDS1_OnStatusUpdated（ByVal status As Long，ByVal Error As Long，ByVal Message As String）

Label6.Caption = Message

End Sub

Private Sub disconnectclick（）

CWDSl.Disconnect

CWButtonl.Value = False

End Sub

Private Sub UserControl_Initialize（）

End Sub

End Sub

（4）編譯成ActiveX控件。保存程序，編譯ActiveX控件并命名。

（5）利用VBA建立網(wǎng)頁(yè)。

制作好網(wǎng)頁(yè)后，在服務(wù)器端配置好IIS，在運(yùn)行客戶端時(shí)輸入服務(wù)器端地址，自動(dòng)下載ActiveX控件。其客戶端運(yùn)行效果見(jiàn)圖7。

3結(jié)語(yǔ)

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試后進(jìn)行大棚溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都能滿足要求，表明該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，能帶來(lái)一定效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]殷章桃，坎雜，江英蘭，等. 基于虛擬儀器的加工番茄自動(dòng)分選試驗(yàn)臺(tái)輸送系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（3）：374-377.

[2]易馳，文小玲，李鳳旭. 基于LabVIEW的溫度壓力采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（17）：5-8.

[3]顧亞雄，朱翠英，許方華. 基于LabVIEW的單片機(jī)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28（10）：46-48，60.

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（2）設(shè)計(jì)用戶界面。

（3）編寫(xiě)代碼。以下是控件的部分源代碼。

Private Sub Command1_Click（）

CWDS1.ConnectTo “dstp：//xxh/ceshi”，cwdsReadAutoUpdate

End Sub

Private Sub CWDS1_OnDataUpdated（ByVal Data As CWDSLib.CWData）

‘Dim a（0 To 4）

CWSlide1.Value = Data.Value（0）-106

Text1.Text = Format（Data.Value（0））-106

CWSlide2.Value = Data.Value（1）-106

Text2.Text = Format（Data.Value（1））-106

CWSlide3.Value = Data.Value（2）-106

Text3.Text = Format（Data.Value（2））-106

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Private Sub CWDS1_OnStatusUpdated（ByVal status As Long，ByVal Error As Long，ByVal Message As String）

Label6.Caption = Message

End Sub

Private Sub disconnectclick（）

CWDSl.Disconnect

CWButtonl.Value = False

End Sub

Private Sub UserControl_Initialize（）

End Sub

End Sub

（4）編譯成ActiveX控件。保存程序，編譯ActiveX控件并命名。

（5）利用VBA建立網(wǎng)頁(yè)。

制作好網(wǎng)頁(yè)后，在服務(wù)器端配置好IIS，在運(yùn)行客戶端時(shí)輸入服務(wù)器端地址，自動(dòng)下載ActiveX控件。其客戶端運(yùn)行效果見(jiàn)圖7。

3結(jié)語(yǔ)

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試后進(jìn)行大棚溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都能滿足要求，表明該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，能帶來(lái)一定效益。

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[2]易馳，文小玲，李鳳旭. 基于LabVIEW的溫度壓力采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（17）：5-8.

[3]顧亞雄，朱翠英，許方華. 基于LabVIEW的單片機(jī)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28（10）：46-48，60.

[4]徐子荔，陳明，鐘周威. 基于DataSocket技術(shù)的大氣數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)測(cè)技術(shù)，2006，26（1）：65-67.

[5]張新榮，張宇林，周紅標(biāo)，等. 基于電子鼻和LabVIEW的魚(yú)類新鮮度檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（2）：315-318.

[6]莫慧芳，饒明輝. 基于DataSocket技術(shù)的電機(jī)聲頻遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2013（3）：175-176.

[7]Ren W，Ma Q，Lv J. Design on monitored control system of vessel dynamic cyclone oily water separator[J]. Advanced Materials Research，2013，614：608-612.

[8]張晟，董榮勝，冷文浩，等. 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信模型優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2013，39（4）：276-279.