基于LabVIEW和DAQmx的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計

張亞莉， 馬瑞峻， 朱其科， 王鵬程

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a. 工程學(xué)院; b. 設(shè)備處， 廣東 廣州 510642；2. 阿克蘇諾貝爾中國有限公司， 廣東 佛山 528000)

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基于LabVIEW和DAQmx的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計

張亞莉1a， 馬瑞峻1a， 朱其科2， 王鵬程1b

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a. 工程學(xué)院; b. 設(shè)備處， 廣東 廣州 510642；2. 阿克蘇諾貝爾中國有限公司， 廣東 佛山 528000)

采用LabVIEW、 DAQmx以及PCI-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡和BNC2120接線終端，設(shè)計了一套實時溫室溫度監(jiān)測系統(tǒng)。通過加熱鎢燈和制冷排氣扇作為執(zhí)行部件，并采用熱電偶作為感溫元件，設(shè)計了模擬溫室箱，完成了基于LabVIEW和DAQmx的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計。系統(tǒng)通過熱電偶對模擬溫室箱內(nèi)的溫度進行實時采集，并根據(jù)用戶要求控制執(zhí)行機構(gòu)對目標(biāo)環(huán)境溫度進行實時控制，從而實現(xiàn)對溫度的實時采集、顯示和控制等功能。結(jié)果表明，設(shè)計的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的實時監(jiān)測與控制，以及對歷史溫度變化趨勢的可視化顯示的設(shè)計要求。

LabVIEW； DAQmx； 虛擬儀器； 溫度監(jiān)控； 熱電偶； 數(shù)據(jù)采集

0 引 言

溫度是重要的溫室環(huán)境參數(shù)之一，精準(zhǔn)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)決定著植物的生長[1]。目前的溫度監(jiān)控系統(tǒng)大都使用傳統(tǒng)溫度測量儀器，其功能大多都是由硬件或固化的軟件來實現(xiàn)[2-3]，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能。而虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲等方面的限制，通過交互式圖形界面實現(xiàn)溫度監(jiān)控，并且很容易和其他控制處理器系統(tǒng)相結(jié)合開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)[4-6]。

NI公司的DAQmx包含新型VI函數(shù)及用于控制測量儀器的發(fā)展工具的最新NI-DAQ驅(qū)動。在LabVIEW 環(huán)境下使用DAQmx硬件驅(qū)動不但可以簡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序設(shè)計，而且由于其能夠方便地被C++、VC++以及LabWindows/CVI等多種編程語言程序調(diào)用，因此也為應(yīng)用其他開發(fā)語言的工程師提供了方便[4]。在溫度監(jiān)控領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的不斷發(fā)展，以LabVIEW為軟件平臺的虛擬儀器測量技術(shù)正在現(xiàn)代測控領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的位置[7-10]。

本研究采用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW軟件和DAQmx驅(qū)動，完成了對模擬溫室內(nèi)的溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)教學(xué)實驗平臺的研究和設(shè)計。該監(jiān)控系統(tǒng)和實驗平臺不但可作為一般教學(xué)演示使用，而且在此基礎(chǔ)上可進一步開發(fā)多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)[1,11]和溫室參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等[12-14]。

1 總體設(shè)計方案

本研究設(shè)計的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)包括PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡、BNC2120實驗箱、K型熱電偶，模擬溫室(用于驗證試驗)、繼電器模塊和臺式計算機(用以安裝LabVIEW軟件、DAQ驅(qū)動和數(shù)據(jù)采集卡PCI-6251)。

總體設(shè)計是采用前端熱電偶作為感溫傳感元件，將被測環(huán)境的物理信號(溫度)轉(zhuǎn)換為電壓或電流等模擬信號，通過數(shù)據(jù)采集卡(含信號調(diào)理電路)對信號進行處理(濾波、放大、線性化、A/D轉(zhuǎn)換)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機系統(tǒng)可以處理的數(shù)字信號。通過在計算機系統(tǒng)內(nèi)安裝的虛擬儀器軟件對采集的信號數(shù)據(jù)進行所需的各種分析、顯示和處理，存儲結(jié)果，并根據(jù)目標(biāo)溫度進行判斷并實時控制執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)模擬溫室內(nèi)溫度的實時監(jiān)控。本研究設(shè)計的溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計思路見圖1。

2 硬件裝置設(shè)計

2.1 溫度采集模塊

熱電偶是一種構(gòu)造簡單的測溫傳感器，但其可靠性高，使用也很方便，在工業(yè)上和實驗室內(nèi)應(yīng)用廣泛[8,15]。該裝置的測溫元件采用分度號為K的鎳鉻-鎳鋁熱電偶，數(shù)據(jù)采集選用PCI-6251多功能數(shù)據(jù)采集板卡和BNC-2120實驗箱。熱電偶產(chǎn)生的電壓信號可直接被PCI-6251多功能數(shù)據(jù)板卡采集，同時BNC-2120實驗箱作為溫度采集和控制的接線終端，其外殼有屏蔽功能，并且內(nèi)置集成電路溫度傳感器可進行冷端溫度補償(CJC)。

圖1 溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺總體設(shè)計

熱電偶利用熱電效應(yīng)進行測溫，PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡可提供16路模擬信號輸入，BNC-2120用于輸入輸出(I/O)接線連接。將熱電偶插頭插入BNC-2120實驗箱上的熱電偶輸入端子，把通道AI0的BNC接頭上方的撥動開關(guān)置于右側(cè)，則AI0即測量監(jiān)控系統(tǒng)的面板溫度以用于熱電偶測溫的冷端補償。通過連接熱電偶、PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡和BNC-2120實驗箱，此硬件通道可以實現(xiàn)溫度的數(shù)據(jù)采集。

2.2 溫度控制模塊

溫度控制模塊由兩塊5 V控制220 V的繼電器通過自行設(shè)計的接線盒連接工作設(shè)備熱鎢燈和排氣扇。接線盒具有屏蔽外接電信號干擾的功能，并且設(shè)計有輸入信號、輸入電源和兩個輸出信號接線口，方便連接、拆卸和移動。

開發(fā)的LabVIEW程序根據(jù)目標(biāo)溫度與實際溫度信號的實時比較和判斷，發(fā)送高低電平到BNC2120的數(shù)字輸出控制端口來控制繼電器的吸合動作。

2.3 模擬溫室箱

模擬溫室箱是一個自行設(shè)計和制作的立體保溫木箱，規(guī)格70 cm×70 cm×70 cm(見圖2)。其前面板分成兩部分，一部分可通過活頁打開；另一部分裝有一塊有機玻璃板，可方便進行實驗的觀察。模擬溫室箱配備有一制冷排氣扇和一個加熱鎢燈，制冷排氣扇的輸入功率38 W，加熱鎢燈的輸入功率500 W。熱電偶通過模擬溫室中央的小孔通過一條細(xì)木桿固定在溫室內(nèi)部熱鎢燈和風(fēng)扇之間的適當(dāng)位置。設(shè)計的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)通過程序的運行和繼電器模塊的控制，使制冷排氣扇和加熱鎢燈配合工作，實現(xiàn)模擬溫室內(nèi)溫度的監(jiān)控。

以上幾大模塊連接到計算機組成溫度監(jiān)控的整體硬件裝置，以實現(xiàn)基于LabVIEW和DAQmx的模擬溫室的溫度采集與控制。

圖2 溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)的組成

3 軟件程序的設(shè)計

本軟件系統(tǒng)以LabVIEW2010作為開發(fā)平臺，對模擬溫室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)進行采集、分析、保存和處理。為了確保監(jiān)控系統(tǒng)對溫度的采集和控制，軟件程序的整體設(shè)計采用了層疊式的順序結(jié)構(gòu)，使各幀框圖按層疊順序依次執(zhí)行。

溫度監(jiān)控系統(tǒng)的程序流程圖見圖3。

圖3 溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

3.1 溫度的采集和控制

溫度的實時采集和控制任務(wù)有兩種方式：① 采用LabVIEW虛擬儀器套件自帶的DAQ助手實現(xiàn)；② 采用DAQ mx數(shù)據(jù)采集VI(子函數(shù))進行編程實現(xiàn)[4]。DAQ 助手是一個配置了通道、任務(wù)和刻度信息等數(shù)據(jù)采集功能函數(shù)的有機集合的圖形化界面，以使其使用起來比較方便、簡單，但同時也喪失了一些功能性和靈活性，而且，DAQ 助手歸根結(jié)底還是利用若干DAQmx VI 函數(shù)的有機集合實現(xiàn)的[16]。因此，本研究選用了DAQmx的底層函數(shù)來實現(xiàn)溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

采用DAQ mx數(shù)據(jù)采集VI進行編程要首先創(chuàng)建配置虛擬通道，然后開始創(chuàng)建任務(wù)，進行輸入端口的讀取或輸出端口的寫入等。其中,由于溫度的采集和控制部分需要多次執(zhí)行，因此將溫度采集和溫度控制創(chuàng)建為LabVIEW子程序(SubVI)，不但能使設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)程序簡潔明了，也易于調(diào)試和理解。

3.2 溫度大小的比較

使用布爾型(True/False)CASE 結(jié)構(gòu)來進行溫度大小判斷，相應(yīng)的布爾值匹配對應(yīng)相應(yīng)的真假條件結(jié)構(gòu)，進而對控制排氣扇或熱鎢燈的繼電器開關(guān)實施控制。當(dāng)目標(biāo)溫度值大于采集溫度值時，即布爾值為真，排氣扇不工作，鎢燈進行加熱工作；反之，即布爾值為假，排氣扇進行降溫工作，鎢燈不工作。

3.3 軟件的顯示界面

LabVIEW程序的前面板，即軟件系統(tǒng)的顯示界面(用戶界面)是虛擬儀器的重要組成部分(見圖4)。儀器參數(shù)的設(shè)置、測試結(jié)果和顯示等功能都是通過軟件編程實現(xiàn)，因此要求系統(tǒng)軟件的界面簡單直接，具備相關(guān)操作和顯示控件，方便用戶操作和易于觀察系統(tǒng)工作狀況。

在前面板中采用了信號指示燈來顯示系統(tǒng)加熱和降溫的工作進程。由于圖形顯示控件波形圖表(chart)可以在某一坐標(biāo)系中，實時、逐點地顯示出被測物理量的變化趨勢，例如,顯示一個實時變化的波形或曲線，因此在軟件系統(tǒng)的設(shè)計中，模擬溫室內(nèi)的目標(biāo)溫度值和實時檢測的溫度值以及兩者的誤差ei均采用了波形圖表來進行實時的反映。

任何基于計算機的檢測與控制系統(tǒng)都應(yīng)該留有安全出口，因此本系統(tǒng)的前面板上還設(shè)置了停止按鈕，用戶可以按照當(dāng)前需要，隨時按下按鈕以停止整個溫室監(jiān)控系統(tǒng)的運行。

圖4 用戶界面

3.4 軟件的主程序

通過以上系統(tǒng)程序各個模塊的設(shè)計，以及模擬溫室目標(biāo)溫度監(jiān)控的要求，可將各模塊的程序按層疊式順序結(jié)構(gòu)設(shè)計出軟件的主程序，軟件系統(tǒng)的程序框圖見圖5。

在層疊式順序結(jié)構(gòu)中，第1幀實現(xiàn)系統(tǒng)初始化，并獲得被測溫室內(nèi)部初始的溫度值；第2幀通過采樣和循環(huán)設(shè)置，按照用戶定義的采樣間隔，實現(xiàn)溫度的實時采集，并進行判斷目標(biāo)溫度與測量的溫度的大小，以控制制冷風(fēng)扇和加熱鎢燈的工作，實現(xiàn)模擬溫室溫度的實時監(jiān)控；第3幀,當(dāng)系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)時間運行完畢或當(dāng)系統(tǒng)檢測到用戶按下停止按鍵之后，制冷風(fēng)扇和熱鎢燈全部停止工作。

圖5 系統(tǒng)程序框圖

4 測試與實驗分析

為實現(xiàn)和驗證溫度監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能，使用LabVIEW 軟件編寫程序按照圖6曲線完成各階段溫度采集和控制功能。首先要求檢測某時刻模擬溫室箱內(nèi)的溫度，再根據(jù)檢測到的溫度與曲線中的該時刻目標(biāo)溫度值進行比較和判斷，然后根據(jù)判斷結(jié)果輸出控制信號到BNC2120 的數(shù)字I/O口，即，當(dāng)溫度大于目標(biāo)溫度，打開制冷風(fēng)扇降溫；反之，打開加熱鎢燈升溫，最終實現(xiàn)圖6所示260 s的檢測與控制過程。

圖6 目標(biāo)溫度曲線

4.1 目標(biāo)溫度的計算

目標(biāo)溫度曲線上任一時刻的目標(biāo)溫度值計算公式：

(1)

式中:Td為目標(biāo)溫度值(℃)；T1為某時間階段起始時的目標(biāo)溫度值(℃)；T2為某時間階段結(jié)束時的目標(biāo)溫度值(℃)；t1為某時間階段的起始時間(s)；t2為某時間階段的結(jié)束時間(s)；t為時間(s)。

由圖6及式(1)可知，在每一時間階段內(nèi)的每一時刻的目標(biāo)溫度值函數(shù)。在程序設(shè)計中，結(jié)合LabVIEW 2010軟件子函數(shù)的數(shù)值型CASE結(jié)構(gòu)在不同時間區(qū)間的應(yīng)用，可通過公式節(jié)點來進行相關(guān)的目標(biāo)溫度值計算程序的設(shè)計。

4.2 溫度的控制誤差

由于在整個溫度的采集和控制過程中，存在諸多方面的誤差，因此，可在程序中設(shè)計溫度控制誤差，方便了解整個過程的誤差大小，以更好地改進系統(tǒng)。

溫度監(jiān)控系統(tǒng)的控制誤差

(2)

式中:N為測量點數(shù)；Tm為溫度測量值(℃)。

4.3 系統(tǒng)運行測試

按順序連接好系統(tǒng)的各個硬件設(shè)備，并使用帶冷端補償熱電偶的方法進行溫度檢測。

打開軟件程序，將采樣間隔設(shè)置為1 000，點擊開始運行程序，觀察程序的運行，細(xì)心觀察目標(biāo)與采樣溫度對比的波形圖表、執(zhí)行機構(gòu)工作指示燈的亮滅，以及實際執(zhí)行機構(gòu)的工作情況，查看系統(tǒng)是否運行正確。此外，還應(yīng)觀察溫度控制誤差ei的波形圖表，查看系統(tǒng)在運行過程中是否存在異?；蜻^大的控制誤差。若有問題，應(yīng)立刻按下停止鍵，終止系統(tǒng)工作，并進行相應(yīng)的調(diào)試；程序運行結(jié)束后，觀察和保存相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。

4.4 實驗結(jié)果分析

在溫度較低的溫度監(jiān)控中，目標(biāo)溫度曲線與實際溫度采集曲線的擬合程度較好；溫度超過80℃時，無論是溫度上升、恒溫還是降溫階段，其目標(biāo)溫度曲線與實際溫度采集曲線的擬合偏差都非常大，此時加熱鎢燈也占去了大部分的工作時間，但其實際溫度還是偏小于目標(biāo)控制溫度，且其溫度也處于波動狀態(tài)，而不是處于上升狀態(tài)，當(dāng)然，此時的ei非常大(見圖7)。

(a) 目標(biāo)與采樣溫度對比 (b) 溫度的控制誤差ei

圖7 溫度監(jiān)控系統(tǒng)實驗結(jié)果

在溫度上升的監(jiān)控中，目標(biāo)曲線與實際采集曲線的擬合程度非常好，其實時控制誤差ei也較小。在高溫恒溫控制階段目標(biāo)曲線與實際采集曲線的擬合程度一般，實際溫度曲線相對目標(biāo)溫度曲線較為吻合，但其波動較大。溫度下降和恒溫階段，兩曲線的擬合程度也較好，此時的實時控制溫度ei也較小。

整個實驗的控制過程，加熱鎢燈和制冷排氣扇的工作時間接近1∶1。由式(2)計算得知溫度監(jiān)控系統(tǒng)的控制誤差為1.6℃，控制效果較好。

從以上的結(jié)果分析推測影響溫度監(jiān)控的因素，主要是硬件設(shè)備和軟件程序兩大因素。首先，在溫室的溫度監(jiān)控過程中，必須保證溫室內(nèi)制冷風(fēng)扇等降溫設(shè)施和加熱鎢燈等升溫設(shè)施功率相匹配，否則易導(dǎo)致較大的控制誤差。另外,在系統(tǒng)軟件的程序設(shè)計上，由于溫度監(jiān)控的采樣率不可能無限擴大，在此實驗中選用了1 s的采樣間隔，在實際設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采樣間隔還會更大，因此導(dǎo)致溫度控制過程有波動，從而也增大了溫度控制的誤差。

5 結(jié) 語

本研究基于LabVIEW軟件和DAQmx硬件驅(qū)動，采用了PCI-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡和BNC-2120實驗箱、臺式計算機及其I/O接口、熱電偶和繼電器模塊以及相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)制冷風(fēng)扇和熱鎢燈等硬件設(shè)備，設(shè)計了一個溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺，完成了硬件設(shè)備的相關(guān)配置和設(shè)計，并利用LabVIEW軟件進行編程實現(xiàn)對模擬溫室箱內(nèi)溫度的實時監(jiān)控，包括溫度數(shù)據(jù)的實時采集、控制、顯示、分析和存儲等，達到了預(yù)期溫度監(jiān)控裝置研究的要求。

試驗結(jié)果表明，設(shè)計開發(fā)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集目標(biāo)環(huán)境的溫度，并根據(jù)用戶要求通過加熱和降溫等執(zhí)行機構(gòu)對目標(biāo)環(huán)境的溫度進行實時控制，控制誤差較小(1.6℃)，控制精度好。

設(shè)計的模擬溫室箱以及溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)實驗平臺，可為研究和開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的溫室多種環(huán)境參數(shù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控裝備和系統(tǒng)提供有益的參考。

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·專題研討—虛擬仿真實驗(37)·

Design of a Experimental Platform for Temperature Monitoring System Based on LabVIEW and DAQmx

ZHANGYa-li1a,MARui-jun1a,ZHUQi-ke2,WANGPeng-cheng1b

(1a. College of Engineering; 1b. Equipment Administration Office, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Akzo Nobe China, Foshan 528000, China)

In order to achieve temperature monitoring through a graphical interface interactively, and to develop temperature monitoring system which should be easy to combine with other control systems used in greenhouses, a temperature monitoring system was researched. The virtual instrument application software LabVIEW was used as development platform. The system employed DAQmx, the newest data acquisition driver, NI PCI-6251 multifunction data acquisition board and BNC2120 wiring terminal. A heated tungsten lamp and a cooling fan were equipped as executive components, and a thermocouple was taken as the temperature sensor to complete the temperature measure. Real-time temperature monitoring was achieved through triggering executive devices based on the comparison between the measured temperature with the thermocouple and the users pre-defined target temperature. Friendly user interface was developed by using LabVIEW, the measured and target temperature curve could be displayed, as well as the error. Verification tests in laboratory indicated that the designed system is capable of monitoring and control temperature with a relative high precision. The temperature monitoring system designed in this study provides a useful reference for developing virtual instrument technology of greenhouses.

LabVIEW; DAQmx; virtual instrument; temperature monitoring; thermocouple; data acquisition

2015-12-31

國家自然科學(xué)基金資助項目(31471418)

張亞莉(1975-)，女，山東菏澤人，博士，講師，現(xiàn)主要從事農(nóng)情信息快速檢測方法及傳感器系統(tǒng)研究。

Tel.: 020-85280783; E-mail: ylzhang@scau.edu.cn

馬瑞峻(1970-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，副教授，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)機械化及其自動化研究。

Tel.: 020-85280783; E-mail: maruijun_mrj@163.com

S 126

A

1006-7167(2016)09-0063-04