基于LabVIEW溫室環(huán)境信息監(jiān)測分析自教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計*

楊景發(fā) 王 志 張建飛 李俊輝

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

安爍羽

(河北大學(xué)中央蘭開夏傳媒與創(chuàng)意學(xué)院 河北 保定 071000)

馬紅超 劉高賽

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

基于LabVIEW溫室環(huán)境信息監(jiān)測分析自教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計*

楊景發(fā) 王 志 張建飛 李俊輝

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

安爍羽

(河北大學(xué)中央蘭開夏傳媒與創(chuàng)意學(xué)院 河北 保定 071000)

馬紅超 劉高賽

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

設(shè)計的基于LabVIEW和CAI實現(xiàn)溫室環(huán)境信息監(jiān)測分析的自教學(xué)系統(tǒng)，由設(shè)計原理、設(shè)計步驟組成的CAI課件單元和溫室環(huán)境信息監(jiān)測分析VI單元組成，監(jiān)測分析單元以數(shù)字時鐘為時間坐標，通過TCP/IP協(xié)議和串口與單片機進行通訊，實現(xiàn)對溫室環(huán)境溫度、濕度、CO2濃度數(shù)據(jù)的實時采集、多方式(指針、數(shù)字、曲線)顯示、儲存、分析處理和索引.

LabVIEW 虛擬儀器 溫室 串口 TCP/IP

1 引言

溫室種植已成為農(nóng)村新的經(jīng)濟增長點，溫室環(huán)境信息的實時、智能、遠程監(jiān)控，已成為科技工作者競相研究的熱點.計算機技術(shù)與傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的實時采集、處理與顯示.LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境軟件，具有圖形化G語言編程、框圖式程序、庫函數(shù)豐富等優(yōu)點，用戶可以方便地根據(jù)自己的需要開發(fā)虛擬儀器，而虛擬儀器已成為高校實驗儀器不可或缺部分，虛擬仿真實驗已成為一種新的實驗?zāi)Ｊ絒1～4].本設(shè)計即是利用LabVIEW編寫上位機軟件，與單片機和數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個完整的數(shù)據(jù)采集、顯示和分析系統(tǒng)，對溫室中的溫度、濕度、CO2濃度進行監(jiān)測，同時增加了一個由設(shè)計原理、設(shè)計步驟組成的CAI課件單元，具備了“教”與“學(xué)”功能，從而形成一種自教學(xué)系統(tǒng).

2 系統(tǒng)的組成概述

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理單元、通訊單元和LabVIEW監(jiān)測自教學(xué)平臺等部分組成，系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.采集處理單元包括單片機、實時時鐘、LCD顯示器、鍵盤，以及溫濕度/CO2濃度傳感器等，單片機的型號為STC89C54RD+，溫濕度傳感器的型號為DHT21，CO2濃度傳感器型號為TGS4161，設(shè)計接口電路，在程序軟件控制下，將采集得到數(shù)字信號輸送到單片機進行預(yù)處理.

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3 溫室環(huán)境信息監(jiān)測分析平臺的程序設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)通訊

系統(tǒng)提供了通過VISA和TCP函數(shù)，實現(xiàn)串行和網(wǎng)絡(luò)與上位機的通信，并將接收到的實時數(shù)據(jù)以表格形式儲存.

(1)串行數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計

LabVIEW中用于串行通訊的節(jié)點實際上是VISA節(jié)點，LabVIEW提供了強大的VISA函數(shù)庫，常用的串口通訊函數(shù)包括VISA CSP，VISA Write，VISA Read，VISA Close，實現(xiàn)串口配置、寫入、讀取、關(guān)閉以及串口緩沖區(qū)的檢測和設(shè)置[5～7].

首先用VISA CSP對串口進行初始化，確保上位機與單片機串口參數(shù)設(shè)置一致，設(shè)定波特率9 600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，校驗位none；利用VISA Write將溫濕度等報警閾值發(fā)送至“寫入緩沖區(qū)”，自動格式化并發(fā)送至單片機；利用VISA Read從“讀取緩沖區(qū)”讀出字符串數(shù)據(jù)，上位機的串口通信基本程序框圖如圖2所示.

圖2 串口通信基本程序框圖

(2)TCP通信的程序設(shè)計

LabVIEW中，采用TCP節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信.采用TCP Open Connection節(jié)點對TCP偵聽端口進行初始化，確保上位機TCP偵聽端口的IP地址和端口參數(shù)與GSM一致；利用TCP Write節(jié)點將溫濕度等報警閾值傳送至網(wǎng)絡(luò)；為確保信號有效傳輸，采用兩個TCP Read節(jié)點接收數(shù)據(jù)，第一個節(jié)點接收數(shù)據(jù)的長度，第二個節(jié)點接收采集到的數(shù)據(jù)；上位機的TCP通信基本程序框圖如圖3所示.

圖3 TCP通信基本程序框圖

3.2 實時數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

下面以CO2的數(shù)據(jù)處理為例進行介紹，其他(溫度、濕度)數(shù)據(jù)處理方式與其相同.

(1)數(shù)據(jù)多方式顯示

首先將接收到的字符串信息強制轉(zhuǎn)換為雙精度數(shù)值型數(shù)據(jù)，依據(jù)接收順序?qū)囟?、濕度、CO2濃度分別送入數(shù)值、指針進行顯示(圖4)，并與對應(yīng)的設(shè)置閾值比較進行報警指示；采用波形子vi(圖5)對其進行波形、點圖顯示.

圖4 實時數(shù)據(jù)顯示程序框圖

圖5 波形子vi程序框圖

(2)數(shù)值數(shù)據(jù)和波形保存

采用Excel子vi(圖6)對其進行分立儲存；采用“寫入表格函數(shù)”對溫度、濕度、CO2濃度數(shù)據(jù)以表格形式進行保存，用于歷史數(shù)據(jù)的查詢和處理(圖7)；采用“寫入波形至文件”函數(shù)實現(xiàn)對實時波形的保存(圖8).

圖6 EXCEL子vi程序框圖

圖7 實時數(shù)據(jù)保存程序框圖

圖8 實時數(shù)據(jù)圖形保存程序框圖

3.3 歷史數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

(1)分立歷史數(shù)據(jù)查詢和波形復(fù)原

采用表格文件讀取函數(shù)將采集數(shù)據(jù)時所分立保存的數(shù)據(jù)讀出并送到數(shù)組控件進行顯示(圖9)；采用讀取波形文件函數(shù)讀取保存的波形文件數(shù)據(jù)送至波形圖控件進行顯示(圖10).

圖9 歷史記錄查詢程序框圖

圖10 歷史波形顯示程序框圖

(2)數(shù)據(jù)篩選和處理

首先利用表格文件讀取函數(shù)將溫度、濕度、CO2濃度同時保存的文件數(shù)據(jù)讀出與“開始時間”和“截止時間”進行比較，將處于該時間區(qū)間的數(shù)據(jù)篩選出來送“數(shù)據(jù)查找結(jié)果”數(shù)組控件顯示，然后按列索引將溫度、濕度、CO2濃度分別索引出來，進行求平均、最大值、最小值運算并送數(shù)值控件顯示(圖11).

4 自教學(xué)平臺的程序設(shè)計

設(shè)計一個由設(shè)計原理、設(shè)計步驟組成的CAI課件單元，使其具備“教”與“學(xué)”功能，從而形成一種自教學(xué)系統(tǒng).采用一個圖片窗和兩個字符串控件為顯示控件，在程序后面板添加講解文字及圖片，實現(xiàn)圖片自動居中和自適應(yīng)縮放；利用一個“選擇”數(shù)值控件和兩個布爾控件，實現(xiàn)課件內(nèi)容的上下翻頁(圖12).

圖12 自教學(xué)平臺的程序框圖

5 前面板設(shè)計

自教學(xué)系統(tǒng)的前面板由“溫室環(huán)境監(jiān)測分析平臺”和“自教學(xué)平臺”兩個選項卡組成.其中“溫室環(huán)境監(jiān)測分析平臺”由系統(tǒng)時間、參數(shù)設(shè)置、環(huán)境信息及數(shù)據(jù)保存處理4部分組成[8～10]，如圖13所示.系統(tǒng)時間顯示當前的“年/月/日”和“時/分/秒”；參數(shù)設(shè)置包括“網(wǎng)絡(luò)/串口參數(shù)”設(shè)置和“閾值”設(shè)置，以及“網(wǎng)絡(luò)/串口”的選擇與數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹伴_/關(guān)”；環(huán)境信息包括環(huán)境數(shù)據(jù)直觀的“數(shù)值”顯示、形象的“指針”指示和連續(xù)的“曲線”描繪；數(shù)據(jù)保存包括“存儲路徑、波形圖保存”；數(shù)據(jù)處理由“歷史記錄”主選項卡體現(xiàn)，分為“溫度/濕度/CO2所有記錄”“時間段選擇查詢”“數(shù)據(jù)分析”和“歷史波形圖顯示”6個子選項卡.

圖13 溫室環(huán)境監(jiān)測分析平臺前面板組成

“自教學(xué)平臺”選項卡的前面板由“標題欄”“圖片顯示窗口”“文字提示窗口”以及兩個前后翻頁按鈕組成，如圖14所示，用于展示LabVIEW電子教案以及設(shè)計原理和設(shè)計要點，體現(xiàn)“教”與“學(xué)”功能.

圖14 自教學(xué)平臺前面板組成

6 結(jié)束語

本文針對單片機技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和CAI平臺，基于LabVIEW開發(fā)了溫室環(huán)境信息監(jiān)測分析自教學(xué)系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了LabVIEW對網(wǎng)絡(luò)/串口數(shù)據(jù)的采集、傳輸、多方式顯示、存儲和處理，同時提供了自學(xué)習(xí)功能，具有前面板布局合理、操作方便，后臺程序運行穩(wěn)定、擴展性強等特點，改變應(yīng)用環(huán)境，更換采集傳感器，具有良好的靈活性，應(yīng)用前景廣闊.

1 胡仁喜,王恒海,齊東明,等.LabVIEW8.2.1虛擬儀器實例指導(dǎo)教程.北京:機械工業(yè)出版社,2008

2 楊樂平,李海濤.LabvIEW程序設(shè)計與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2003

3 梅加化.基于LabVIEW的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究：[學(xué)位論文].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.1～20

4 許麗川，宋翔宇，唐凱飛，等.基于LabVIEW的電機實驗自助平臺設(shè)計.實驗室研究與探索，2015，34(9)：79～135

5 任麗麗,張志杰.基于LabVIEW的串口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).微計算機信息,2008,24(3):56～57

6 陳真,王延江,王釗.基于LabVIEW的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā).儀表技術(shù)與傳感器，2006(6):27～28

7 賈照麗,張俊,張少紅.基于LabVIEW的遠程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與分析.通信技術(shù)，2012,45(8):62～64

8 唐麗嬋,齊亮,王慶東,等.基于LabVIEW的無線遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng).上海電氣技術(shù)，2009,2(1):20～24

9 吳強.基于LabVIEW的遠程多路測溫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)：[學(xué)位論文]. 武漢: 華東師范大學(xué),2008

10魏麗靜,楊景發(fā),趙雙雙,等.溫室環(huán)境信息智能無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計.農(nóng)機化研究,2013,35(11):159～163

The Self-Instructional System Design Based on Monitoring and Analysis of LabView Greenhouse Environmental Information

Yang Jingfa Wang Zhi Zhang Jianfei Li Junhui

(College of Physics Science & Technology of Hebei University, Baoding, Hebei 071002)

An Shuoyu

(HBU-UCLan School of Media Communication and Creative Industries, Baoding, Hebei 071000)

Ma Hongchao Liu Gaosai

(College of Physics Science & Technology of Hebei University, Baoding, Hebei 071002)

The self-instructional system design consists of CAI courseware unit including design principles and steps and VI unit on greenhouse environmental information monitoring and analysis. The self-instructional system design is based on LabVIEW and CAI to achieve greenhouse environment information monitoring and analysis. Monitoring and Analysis Unit takes digital clock as the time coordinate and communicates with serial port and SCM via TCP / IP protocol to achieve the real-time acquisition of greenhouse environment temperature, humidity and CO2concentration data , multimode display(pointer, digital, curve), storage, analytical processing and indexing.

LabVIEW; virtual instrument; greenhouse; serial port; TCP/IP

*大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目編號：201610075026；高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目(2016).

楊景發(fā)(1964- )，男，高級實驗師，主要從事實驗技術(shù)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、紅外技術(shù)應(yīng)用方面研究.

2016-12-29)