基于L a b Wi n d o w s/C V I的溫室無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 李 璐

基于L a b Wi n d o w s/C V I的溫室無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 李 璐

溫室農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，通過(guò)人工創(chuàng)造適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境來(lái)保證農(nóng)作物不受季節(jié)、天氣的影響，獲得優(yōu)質(zhì)、高效的農(nóng)業(yè)產(chǎn)物。本系統(tǒng)中引入美國(guó)NI公司的虛擬儀器平臺(tái)LabWindows/ CVI作為溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的理想開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用ICC AVR的單片機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。選用433射頻通訊的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)；LabWindows/CVI；虛擬儀器

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)進(jìn)行溫室無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到溫室內(nèi)的環(huán)境因子數(shù)相對(duì)較多，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可操作性、可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性[1]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以下位 PC 機(jī)為核心，配合檢測(cè)環(huán)境因子的傳感器、單片機(jī)、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、報(bào)警模塊等，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的無(wú)線(xiàn)通信，上位機(jī)選用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabWindows/CVI 實(shí)現(xiàn)圖形化人機(jī)交互界面。工作人員可直接對(duì)上位機(jī)進(jìn)行操控，達(dá)到對(duì)溫室環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警、設(shè)備查詢(xún)等功能，下位機(jī)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集、預(yù)處理和存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)[2]。

選用433MHz 射頻通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳輸。傳感器采集到相應(yīng)的環(huán)境信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、濾波后，通過(guò)下位機(jī)無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊直接將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)試發(fā)送給上位機(jī)的無(wú)線(xiàn)接收模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。

圖1-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1-1 Structure diagram of system

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)選用ATMEL公司生產(chǎn)的 ATmega64作為下位機(jī)，是一款能耗少、性能強(qiáng)的8位AVR微處理器。

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)溫室環(huán)境中空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度和CO2濃度等多個(gè)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，選用的傳感器分別是智能溫度傳感器 DS18B20 來(lái)檢測(cè)空氣溫度和土壤溫度，干濕球法來(lái)監(jiān)測(cè)空氣濕度，選用 TS-V1 土壤濕度傳感器檢測(cè)土壤含含水量，通過(guò)GZD-V1-15 光照度傳感器檢監(jiān)測(cè)溫室的光照強(qiáng)度，IRM300 紅外模組檢測(cè)溫室內(nèi)二氧化碳的濃度。

采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)傳送給下位機(jī)，利用LCD液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。

系統(tǒng)外圍芯片的時(shí)鐘芯片選用D S1302，液晶顯示模塊選用DM240128B ，數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)控制芯片 CH452 來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)功能。在整個(gè)硬件的系統(tǒng)中，A/D 轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、時(shí)鐘芯片以及鍵盤(pán)控制模塊均可集成在單片機(jī)系統(tǒng)上。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分由兩部分組成：上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)使用 AVR 單片機(jī)進(jìn)行編程控制[3]，下位機(jī)程序運(yùn)行前需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集、鍵盤(pán)控制、液晶顯示以及無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)饶K設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和溫室環(huán)境的監(jiān)測(cè)功能[4]。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)選用美國(guó)NI公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabWindows/CVI，采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，通過(guò)回調(diào)函數(shù)、事件驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)編程的功能，方法較簡(jiǎn)單，是進(jìn)行溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的理想開(kāi)發(fā)平臺(tái)[5]。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)遵循四個(gè)原則：通用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可擴(kuò)展性，通過(guò)對(duì)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、通信方式的選擇、數(shù)據(jù)顯示方式以及設(shè)備狀態(tài)查詢(xún)等多個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)際操作、報(bào)警、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能[6]。

4.結(jié)論

基于LabWindows/CVI的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種資源節(jié)約型的高效農(nóng)業(yè)技術(shù)，系統(tǒng)采用分散控制，集中管理的模式，能夠進(jìn)行24小時(shí)不間斷數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超出閾值范圍上位機(jī)和下位機(jī)可同時(shí)報(bào)警。

[1]王麗斌．基于虛擬儀器技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D]．昆明理工大學(xué),2012．

[2]于輝,紀(jì)建偉,李征明,鄒秋瀅,李欽夫．北方溫室微環(huán)境在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J]．農(nóng)業(yè)工程,2012(12):20-24．

[3]李圖江．基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究[J]．硅谷,2014(17):26-26．

[4]徐晶晶．基于LabVIEW的道路硬度檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D]．天津科技大學(xué),2014．

[5]王瑜．基于Labwindows/CVI的無(wú)線(xiàn)多路溫濕度測(cè)控系統(tǒng)研究[J]．西安航空學(xué)院學(xué)報(bào),2017．

[6]王源．關(guān)于虛擬儀器在測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]．電子測(cè)試,2017,(06): 89+85．

李璐（1988－），女，漢，山東人，碩士，助教，現(xiàn)供職于天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，研究方向：智能化自動(dòng)化系統(tǒng)與裝置。