基于LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下的農(nóng)田智能精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘 杰，王福平，焦方桐，趙正軍(.北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，銀川 7500；.北方民族大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，銀川 7500)

我國(guó)的淡水資源豐富，但人均水資源占有量約2 300 m3，只占世界人均水平1/4，是全球人均淡水資源最為缺乏的國(guó)家之一[1]。其中農(nóng)業(yè)用水占總供水的70%左右，而且農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率非常低。在水資源緊缺的條件下，要實(shí)現(xiàn)灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，就需要農(nóng)業(yè)灌溉更加精確智能，按照農(nóng)作物需水要求準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)報(bào)，并實(shí)現(xiàn)水量的自動(dòng)控制，精確施予。設(shè)計(jì)中采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，具有編程簡(jiǎn)單方便，界面形象直觀，縮短開(kāi)發(fā)周期，并可根據(jù)用戶的需要對(duì)系統(tǒng)做出快速更改等[2]，缺點(diǎn)是NI公司的數(shù)據(jù)采集卡比較貴，對(duì)于中小企業(yè)來(lái)說(shuō)是一筆不小的開(kāi)銷。所以本設(shè)計(jì)提出STC單片機(jī)和LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)一種在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下的低成本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)由LabVIEW面板組成，負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)上傳的土壤濕度數(shù)據(jù)并將濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示(數(shù)值與波形圖顯示)并保存在Excel文件中，以備歷史數(shù)據(jù)查詢。如果濕度數(shù)據(jù)超閥值，將點(diǎn)亮LED燈報(bào)警。下位機(jī)則采用STC系列單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)控制土壤濕度數(shù)據(jù)采集，STM32系列單片機(jī)作為主控處理土壤濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)LabVIEW顯示濕度調(diào)整電磁閥開(kāi)關(guān)或其他用電設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，其中上位機(jī)由LabVIEW構(gòu)成，功能是顯示實(shí)時(shí)土壤濕度和存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，硬件部分由一般PC機(jī)即可實(shí)現(xiàn)功能。下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)包括子節(jié)點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)和主控制器設(shè)計(jì)，主控制器主要功能是接收節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，分析處理、按鈕狀態(tài)控制、給節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令等功能[4]。節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)功能是數(shù)據(jù)采集、處理、上傳、與主控制器的RS485通信、繼電器控制輸出等模塊的設(shè)計(jì)。

(1)節(jié)點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)控制器模塊采用STC12C5A60S2主控芯片，通信方面，經(jīng)過(guò)TTL轉(zhuǎn)RS-485模塊和其他設(shè)備通信。模塊掛接有繼電器、土壤水分傳感器和ModBus總線。STC12單片機(jī)引腳與繼電器信號(hào)引腳連接，繼電器與電磁閥連接。STC12單片機(jī)通過(guò)TTL轉(zhuǎn)RS485模塊與主控制器和按鍵面板通信，同時(shí)通過(guò)另一不在總線上的TTL轉(zhuǎn)RS485模塊，向SM2801土壤水分傳感器發(fā)送指令，獲取濕度數(shù)據(jù)。

節(jié)點(diǎn)主控芯片STC12上電后，等待電源和傳感器穩(wěn)定。隨后讀取繼電器狀態(tài)，對(duì)繼電器狀態(tài)進(jìn)行保存。讀取水分傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)水分傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、保存。主控系統(tǒng)傳來(lái)讀取指令，并上傳數(shù)據(jù)給主控制器。如果是控制信息，則判斷是按鍵面板傳來(lái)的指令還是主控制器傳來(lái)的指令，并對(duì)繼電器進(jìn)行設(shè)置和和回應(yīng)指令。

(2)主控制器設(shè)計(jì)。主控制器主要負(fù)責(zé)與子節(jié)點(diǎn)、按鍵通信和數(shù)據(jù)處理，對(duì)節(jié)點(diǎn)通信、數(shù)據(jù)采集、工作狀態(tài)上傳等進(jìn)行調(diào)度。在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，主控制器是唯一的調(diào)度者，分配著所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器等的工作。主控制器系統(tǒng)采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6作為控制核心，通過(guò)TTL轉(zhuǎn)RS485模塊，TTL轉(zhuǎn)RS485模塊之間使用ModBus總線式連接，實(shí)現(xiàn)和子節(jié)點(diǎn)、按鍵面板控制器相連接。STM32單片機(jī)通過(guò)控制EL817光耦電阻，從而控制24～220 V繼電器，進(jìn)而控制施肥裝置、變頻器、水泵。STM32單片機(jī)引腳控制三極管，進(jìn)而直接控制主控制器上的蜂鳴器。而施肥狀態(tài)引腳、水泵狀態(tài)引腳則經(jīng)過(guò)10K電阻后，各自直接與STM32單片機(jī)引腳相連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括主控制器、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、處理和通信三大部分的功能模塊的設(shè)計(jì)。

3.1.1 主控制器數(shù)據(jù)處理

主控制器數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示，該部分主要通過(guò)核心芯片STM32F103RTC16的USART1串口接收處理節(jié)點(diǎn)和主控制器的數(shù)據(jù)，并對(duì)指令進(jìn)行處理顯示或發(fā)送主控制器的指令給節(jié)點(diǎn)作出相應(yīng)操作。

圖2 主控制器數(shù)據(jù)處理流程圖

3.1.2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理

節(jié)點(diǎn)程序流程框圖如圖3所示，該部分由節(jié)點(diǎn)電路核心芯片STC12C5A處理數(shù)據(jù)，主要功能是完成對(duì)傳感器發(fā)送指令，判斷收到傳感器反饋回的指令集后進(jìn)行相應(yīng)處理，可直接上傳至上位機(jī)LabVIEW或者主控制器分析處理顯示。

圖3 節(jié)點(diǎn)程序流程框圖

3.2 上位機(jī)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下主要實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)上傳的土壤濕度數(shù)據(jù)在主控制端進(jìn)行定時(shí)采集并經(jīng)過(guò)處理后實(shí)時(shí)顯示[5]，并將采集數(shù)據(jù)保存在Excel文件中，供用戶調(diào)用查看歷史數(shù)據(jù)或灌溉規(guī)律等，總體設(shè)計(jì)該上位機(jī)具有土壤濕度實(shí)時(shí)查詢、采集、轉(zhuǎn)換、顯示、控制、報(bào)警、儲(chǔ)存、歷史數(shù)據(jù)采集等操作。

3.2.1 LabVIEW前面板程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)LabVIEW運(yùn)行主界面(前面板)如圖4所示。

圖4 LabVIEW運(yùn)行主界面(開(kāi)始采集前界面)

主界面包括串口通信參數(shù)配置、運(yùn)行控制選項(xiàng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及實(shí)時(shí)曲線顯示、濕度超限報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)顯示部分。串口通信參數(shù)設(shè)置用于設(shè)置上位機(jī)與下位機(jī)RS485通信相關(guān)參數(shù)(串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位及奇偶校驗(yàn)位等)。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的報(bào)警門(mén)限值時(shí)，運(yùn)行控制選項(xiàng)用于啟動(dòng)或停止下位機(jī)數(shù)據(jù)采集[6]、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)回放等功能。數(shù)據(jù)顯示用于顯示某采集通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)曲線用于顯示采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。

3.2.2 LabVIEW程序面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序功能模塊結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在經(jīng)典狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，主程序結(jié)構(gòu)為開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)While循環(huán)，然后在While循環(huán)中定義了一個(gè)事件結(jié)構(gòu)(即事件驅(qū)動(dòng)方式)，在事件結(jié)構(gòu)中定義了4種事件，分別為開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集、停止數(shù)據(jù)采集、退出數(shù)據(jù)采集及讀取歷史數(shù)據(jù)。在While循環(huán)中實(shí)時(shí)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)事件的發(fā)生，如驅(qū)動(dòng)事件發(fā)生，則轉(zhuǎn)入到定義好的驅(qū)動(dòng)事件程序去執(zhí)行。在接收數(shù)據(jù)的過(guò)程中，如果單擊停止數(shù)據(jù)采集按鈕，則下位機(jī)停止數(shù)據(jù)采集，同時(shí)上位機(jī)停止接收采集數(shù)據(jù)，退出接收下位機(jī)采集數(shù)據(jù)While循環(huán)結(jié)構(gòu)。如果單擊讀取歷史數(shù)據(jù)選項(xiàng)，則將保存到指定路徑中的數(shù)據(jù)在前面板以波形圖和Excel表格顯示出來(lái)[7,8]。需要注意的是開(kāi)始采集前，要確認(rèn)數(shù)據(jù)停止采集按鈕處于未被按下?tīng)顟B(tài)，讀取歷史數(shù)據(jù)前要將停止數(shù)據(jù)采集按鈕按下。

4 測(cè)試與結(jié)果分析

如圖6所示為系統(tǒng)某段時(shí)間濕度數(shù)據(jù)采集的LabVIEW數(shù)據(jù)顯示情況。

圖6 某段時(shí)間LabVIEW主界面數(shù)據(jù)顯示情況

由采集濕度數(shù)據(jù)波形顯示曲線窗口可以看出，在澆水后的一段時(shí)間內(nèi)，土壤濕度會(huì)維持在一個(gè)固定值范圍之間變化(但幅度變化較小)，且該時(shí)段土壤濕度一直較高，已經(jīng)超過(guò)預(yù)設(shè)濕度最高閥值，故可以看到濕度數(shù)據(jù)顯示窗口濕度過(guò)高燈點(diǎn)亮。歷史數(shù)據(jù)顯示部分，采集到的是某天灌溉以后從15:37到22:21的數(shù)據(jù)，可以明顯看到土壤濕度隨時(shí)間緩慢下降，歷史數(shù)據(jù)表格顯示為存儲(chǔ)在Excel中的濕度數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

按照設(shè)計(jì)預(yù)期，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度實(shí)時(shí)查詢、采集、顯示、控制、儲(chǔ)存等功能，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，上位機(jī)LabVIEW與下位機(jī)節(jié)點(diǎn)可以正常通信，能夠?qū)崿F(xiàn)土壤濕度的采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以根據(jù)情況選擇路徑在前面板以波形圖和表格的形式顯示出來(lái)，且整套系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)、穩(wěn)定。在其他應(yīng)用中，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的狀態(tài)機(jī)整體結(jié)構(gòu)和串口監(jiān)測(cè)、寫(xiě)數(shù)據(jù)、CRC-16循環(huán)冗余校驗(yàn)，正常顯示轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)保存、波形圖時(shí)間顯示等子VI程序，可以直接應(yīng)用于其他類似程序中具有較強(qiáng)的移植性，稍加修改，即可應(yīng)用于其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集控制，具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用性[9]。

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