水稻育秧大棚環(huán)境多點監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
——基于LabVIEW軟件

劉傳岐，梁春英，張藝萌，張漢林

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

黑龍江墾區(qū)位于我國富饒的黑土地上，是我國重要的三大墾區(qū)之一，其中水稻生產(chǎn)影響著墾區(qū)的發(fā)展和糧食儲備問題[1]。水稻生產(chǎn)主要包括浸種催芽、育秧和本田種植3個階段，稻苗的生長與育秧環(huán)境有著直接的關(guān)系[2]。由于黑龍江處于我國北方寒冷地區(qū)，因此良好的水稻育秧環(huán)境對北方水稻秧苗的長勢起著至關(guān)重要的作用。黑龍江水稻育秧多數(shù)采用鋼結(jié)構(gòu)塑料大棚育秧方式，一般塑料大棚內(nèi)部空間較大，育秧棚內(nèi)的小氣候溫度環(huán)境分布較不均衡[3]。所以，以往單點采集溫濕度作為控制育秧棚內(nèi)環(huán)境的依據(jù)較不準確，且運用傳統(tǒng)的采集方式布置多節(jié)點溫濕度數(shù)據(jù)采集布線麻煩，多數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定[4]。為了改善傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，更好調(diào)控育秧棚內(nèi)環(huán)境，設(shè)計出一套針對北方水稻育秧大棚溫濕度環(huán)境多數(shù)據(jù)采集節(jié)點的監(jiān)控系統(tǒng)顯得極其重要。

本設(shè)計采用LabVIEW作為上位機軟件多數(shù)據(jù)分析顯示，實現(xiàn)良好的人機交互功能，使農(nóng)戶更詳細、具體地對大棚內(nèi)各區(qū)域溫濕度環(huán)境進行實時監(jiān)控。與以往水稻育秧大棚監(jiān)控系統(tǒng)相比較，數(shù)據(jù)采集部分采用無線模塊傳輸，減少了棚內(nèi)布線，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，且能夠更詳細、準確地體現(xiàn)育秧棚內(nèi)溫濕度環(huán)境信息，為水稻育秧環(huán)境的模擬、預(yù)測等提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊和計算機組成。數(shù)據(jù)采集模塊將各傳感器信號采集并經(jīng)過無線模塊傳給數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)整理、分析，數(shù)據(jù)處理模塊與PC機之間通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，控制模塊根據(jù)上位機輸出信號做出響應(yīng)。數(shù)據(jù)采集、處理及控制部分均以單片機為核心。系統(tǒng)總體流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

水稻育秧棚內(nèi)共設(shè)有12個溫濕度傳感器，外部1個光照傳感器和1個溫濕度傳感器，如圖2所示。棚內(nèi)每3個傳感器、1個單片機和1個無線模塊組成1組采集電路，每組采集電路均由5V電源供電，單片機作為核心部分完成數(shù)據(jù)的流動?？刂齐娐凡糠种饕蓡纹瑱C進行數(shù)值超限指令的接收及自動或手動對卷簾電機啟停的控制。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.2 單片機的選用

單片機采用STC15系列STC15W4K58S4，具有8通道，高速10位A/D轉(zhuǎn)換器，低功耗，高速可靠，重點是強抗干擾性。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點較多，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及流量大，且大棚內(nèi)溫度較高，因此選用此單片機達到系統(tǒng)要求。

1.3 無線通訊模塊

溫濕度采集的數(shù)據(jù)傳輸及通信選用AS62-T20無線串口模塊，通信距離3km內(nèi)均有效，同樣具有低功耗及強抗干擾性，工作溫度最高可達85℃，適合在溫室內(nèi)高溫情況下穩(wěn)定工作。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，具有可連續(xù)傳輸、不限制數(shù)據(jù)包大小及傳輸速度快等優(yōu)點，多通道傳輸擴頻通信技術(shù)使大量數(shù)據(jù)傳輸不丟包。無線模塊電路圖如圖3所示。

圖3 無線模塊電路圖Fig.3 Wireless module circuit diagram

1.4 溫濕度傳感器

在溫濕度傳感器模塊選用中，摒棄了常用的DHT11型號的溫濕度傳感期模塊，其測量精度只能到個位，造成數(shù)據(jù)誤差較大。由于本系統(tǒng)布置測量點較多，使用工業(yè)型傳感器價格昂貴，綜合考慮選用以DHT22為基礎(chǔ)的AM2302溫濕度傳感器模塊，該傳感器工作電壓低，運行長期穩(wěn)定，精度達0.1且誤差在0.3～-0.5℃之間，同時多點采集大大減少了成本。溫度傳感器電路圖如圖4所示。

圖4 溫濕度傳感器電路圖Fig.4 Temperature and humidity sensor circuit diagram

2 軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計在保持系統(tǒng)正常運行中有著至關(guān)重要的作用，為保證軟件設(shè)計能夠與系統(tǒng)硬件完美配合，將系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計模塊化，針對每個模塊進行程序設(shè)計，如圖5所示。本系統(tǒng)主要涉及采集、顯示及控制三大部分：數(shù)據(jù)采集部分包括對采集信號的轉(zhuǎn)換、采集間隔的設(shè)定及無線傳輸?shù)某绦蚓庉嫞伙@示部分主要有數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)檢索和曲線表達等的程序編輯；控制部分主要包括溫度采集數(shù)值的超限判定、指令傳輸和電機啟動程序編輯。軟件部分流程圖如圖5所示。

3 上位機系統(tǒng)開發(fā)

3.1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器就是將模塊化的硬件部分高效、靈活地結(jié)合軟件部分，多數(shù)應(yīng)用在測量、測控及各領(lǐng)域的自動化方面。虛擬儀器技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在自動灌溉、水果分揀及精密播種等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[5]。常用LabVIEW軟件作為上位機進行開發(fā)，LabVIEW采用圖形化G語言進行語言編輯，大大減少了用C#、Java等由單詞構(gòu)成的編程語句開發(fā)系統(tǒng)的時間，同時LabVIEW軟件系統(tǒng)還有顯示界面清晰明了、系統(tǒng)維護簡單及與外部設(shè)備連接通訊快速穩(wěn)定等優(yōu)點[6]。

3.2 系統(tǒng)上位機實現(xiàn)的功能

1)將采集到的育秧棚內(nèi)溫濕度信息清晰地實時顯示在計算機上，并對系統(tǒng)硬件進行簡單控制，達到人機界面友好交互的目的；

2)將采集到數(shù)據(jù)顯示的同時進行數(shù)據(jù)的整理存儲，以便用戶可隨時查看歷史數(shù)據(jù)；

3)針對溫濕度多點采集數(shù)據(jù)進行簡單處理分析，能夠清楚地了解到各節(jié)點溫濕度變化曲線，以便農(nóng)戶對育秧棚環(huán)境狀況的簡單判斷；

4)根據(jù)數(shù)據(jù)判斷，當棚中央幾個采集節(jié)點平均溫度超出設(shè)置的溫度上下限一段時間后提醒用戶，用戶可根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)做出舉措；

5)實現(xiàn)用戶在遠程計算機的界面監(jiān)控功能。

圖5 系統(tǒng)軟件程序流程圖

3.3 系統(tǒng)監(jiān)控界面

連續(xù)運行程序，點擊開始采集按鈕，實時顯示育秧棚內(nèi)各點溫濕度情況，以及棚外溫濕度和棚外光照強度數(shù)值，如圖6所示。

圖6 上位機監(jiān)控界面

同時，用戶可根據(jù)水稻育秧不同時期內(nèi)所需的溫濕度環(huán)境不同，來設(shè)計不同的溫度報警上下限值。當棚中央節(jié)點平均溫度超出設(shè)置范圍一段時間時，報警燈亮，且引發(fā)計算機發(fā)出生響聲通知，用戶可做出相應(yīng)的卷簾起落措施調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫濕度。系統(tǒng)還可顯示大棚內(nèi)各截面平均溫度變化曲線圖，用戶也可隨時查看存儲的歷史數(shù)據(jù)，并可查看歷史溫度曲線圖供用戶對環(huán)境情況分析提供參考。

3.4 數(shù)據(jù)存儲與Web遠程發(fā)布

由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集量大，為方便用戶查看和分析歷史數(shù)據(jù)，采用LabVIEW專用的LabSQL工具包(無需SQL語言)即可快速、方便地建立與數(shù)據(jù)庫的連接，實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢和歷史數(shù)據(jù)曲線顯示等功能。該系統(tǒng)通過LabVIEW自有的Web發(fā)布功能(見圖7)，在運行的計算機上配置需要發(fā)布的VI,啟動Web服務(wù)器，生成html文件。遠程客戶端計算機無需安裝LabVIEW軟件，像瀏覽網(wǎng)頁一樣查看和控制該大棚內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)遠程多客戶端的訪問。

4 實驗分析

將該系統(tǒng)置于長106m、寬13m、高3.5m南北走向的水稻育秧大棚內(nèi)測試，天氣晴，西風3m/s。采集節(jié)點均選擇離地面20cm處略高于水稻秧苗的作物區(qū)(見圖8)，以3×4網(wǎng)格形式分布在育秧棚內(nèi)。5月份水稻育秧棚內(nèi)外溫度均比較高，在上位機界面電機開啟卷簾按鈕，選取大棚卷簾卷起后每隔1h的溫度數(shù)據(jù)，得到大棚內(nèi)各節(jié)點不同時刻溫度數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖7 Web發(fā)布網(wǎng)頁設(shè)置

圖8 大棚內(nèi)溫濕度測量點分布圖

將大棚內(nèi)各采集節(jié)點按橫向和縱向分類，把每一截面上采集節(jié)點溫度數(shù)據(jù)取平均值且與外界溫度做對比，結(jié)果如圖9和圖10所示。

表1 各節(jié)點不同時刻溫度數(shù)據(jù)Table 1 Each section different time temperature data ℃

圖9 大棚橫向各截面平均溫度

圖10 大棚縱向各截面平均溫度

由以上圖表可以看出：大棚內(nèi)溫度整體分布比較均勻，棚內(nèi)溫度與外界溫度變化趨勢一致，全天溫度最高值出現(xiàn)在14:00附近?？拷笈锞砗煹臏囟缺戎虚g溫度低，且迎風側(cè)溫度低于背風側(cè)溫度，靠近兩側(cè)門的溫度略高于中間溫度。按照同樣的方法分析棚內(nèi)作物區(qū)各采集節(jié)點濕度數(shù)據(jù)，濕度分布情況則相反，溫度高的地方濕度較低。

5 結(jié)論

本設(shè)計將傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、單片機技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，建立一套完整的水稻育秧大棚環(huán)境多點采集系統(tǒng)。試驗表明：系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，運行可靠，數(shù)據(jù)不丟包，實現(xiàn)了對育秧大棚內(nèi)環(huán)境詳細具體的監(jiān)測，依照數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、查看、分析，以及溫度上下限預(yù)警提示調(diào)控卷簾，實現(xiàn)秧苗生長環(huán)境的通風和換氣。