基于LabVIEW的農業(yè)氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

侯 偉， 張 慧，辛慧娟，劉凱強，寧朝陽

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000)

農業(yè)的發(fā)展對國民經濟發(fā)展有著直接的影響，隨著傳感器技術、計算機技術、通信技術的發(fā)展，傳統(tǒng)農業(yè)已經不能滿足需求，智能農業(yè)系統(tǒng)應運而生[1-2]。目前，智能大棚、智能灌溉等技術已經在不斷發(fā)展[3-4]，農業(yè)與氣象有著密切的聯(lián)系，對氣象參數(shù)的實時監(jiān)測有助于農業(yè)智能化，因此，研究農業(yè)氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的意義。

本文針對智能農業(yè)應用，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，設計了一套農業(yè)氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對大氣溫濕度、氣壓、光強、土壤溫濕度、二氧化碳(CO2)濃度、雨雪等進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)可視化和記錄。該系統(tǒng)具有成本低、開發(fā)周期短、穩(wěn)定性高、可維護性好等特點。

1 系統(tǒng)整體方案

本文所設計的農業(yè)氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由各種傳感器模塊、A/D轉換、AT89S52單片機和計算機構成[5-6]，如圖1所示。利用GY-39傳感器模塊測量大氣的溫度、濕度、氣壓以及光照強度，經IIC總線將測量數(shù)據(jù)傳遞給單片機；利用RS-FS-V05傳感器測量風速，利用JXBS-3001-TR傳感器測量土壤溫濕度，利用MG811測量大氣中的CO2濃度，通過A/D轉換芯片得到傳感器輸出的電壓值，經IIC總線將測量數(shù)據(jù)傳遞給單片機；利用RS-YUX-R01傳感器探測雨雪發(fā)生情況；單片機通過串口與上位機進行通信，傳送各傳感器數(shù)據(jù)，上位機接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)用戶的操作實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的實時顯示和記錄[7]。上位機軟件采用美國NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW來實現(xiàn)，該平臺不僅能夠實現(xiàn)友好的用戶界面，而且提供的VISA模塊可以快速完成上位機與單片機的串口通信，利于系統(tǒng)的快速開發(fā)與維護。通過前面板網絡發(fā)布，可以在局域網其他計算機通過網頁訪問和控制上位機軟件[8]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 微處理器

本文采用Atmel 公司的AT89S52作為下位機核心芯片，控制各個傳感器采集數(shù)據(jù)，完成與上位機的串口通信[9-10]。AT89S52是一款低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位可編程I/O 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，1個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。滿足本系統(tǒng)的應用要求。

2.2 GY-39傳感器模塊

GY-39是一款低成本的大氣氣壓、大氣溫度、大氣濕度、光照強度四合一傳感器模塊，如圖2所示，內置BME280和MAX44009傳感器芯片，能夠同時測量大氣氣壓、溫濕度和光強。其氣壓測量范圍為300～1 100 hPa，溫度測量范圍為-40～85 ℃，濕度測量范圍為0～100%，光強測量范圍為0.045 lux～188 000 lux，滿足農業(yè)氣象環(huán)境測量要求。該模塊支持串口UART和IIC兩種方式讀取數(shù)據(jù)，可與單片機連接，本文采用IIC方式與單片機通信。其工作電壓3～5V，工作溫度-40～85 ℃，適用于戶外工作，且功耗小，安裝方便[11]。

圖2 GR-39傳感器模塊

2.3 風速風向傳感器

本文采用建大仁科的RS-FS-V05型風速傳感器，如圖3所示。

圖3 RS-FS-V05型風速傳感器

RS-FS-V05是一款三杯樣式風速傳感器，外形輕便，便于攜帶和組裝，采用聚碳材料，在防腐防銹的同時克服了塑料易老化的問題，被廣泛應用于溫室、環(huán)境保護、氣象站、船舶、碼頭、養(yǎng)殖等環(huán)境的風速測量。該傳感器有效風速測量范圍0～30 m/s，分辨率0.1 m/s，精度±(0.2+0.03F) m/s(F表示風速)，滿足系統(tǒng)測量需要。傳感器輸出信號脈沖、RS485、模擬量可選，本文采用0～5 V模擬電壓輸出信號(Vf)，風速的計算公式為

風速=6×Vf

2.4 土壤溫濕度傳感器

土壤溫濕度的測量選用精訊暢通的JXBS- 3001-TR型土壤水分溫度傳感器，如圖4所示，該傳感器精度高，響應快，輸出穩(wěn)定，受土壤含鹽量影響較小，適用于各種土質，廣泛適用于科學實驗、節(jié)水灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、 草地牧場、土壤速測、植物培養(yǎng)、污水處理、糧食倉儲及各種顆粒物含水量和溫度的測量。其水分測量范圍為0～100%(0～53%精度為±3%，53%～100%精度為±5%)，溫度測量范圍為-40～80 ℃(精度±0.5 ℃)，可長期埋入土壤中，耐長期電解，耐腐蝕，抽真空灌封，完全防水，適用于本系統(tǒng)。采用模擬量形式輸出，方式靈活，可以輸出電流型或者電壓型，本文采用0～5V電壓輸出型，輸出兩路電壓信號Vw和Vs，溫濕度計算公式為

溫度=0.032×Vw-45 ℃

濕度=Vs/50%

圖4 JXBS-3001-TR型土壤水分溫度傳感器

2.5 二氧化碳傳感器

二氧化碳濃度的測量選擇MG811模塊，如圖5所示，它是利用固體電解質電池原理進行二氧化碳濃度檢測的傳感器模塊，對二氧化碳具有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響小，響應快速且具有良好的穩(wěn)定性，適用于家庭、環(huán)境的二氧化碳檢測。該傳感器測量范圍為350～10 000×10-6，其輸出信號為30～50 mV模擬電壓。

圖5 MG811二氧化碳濃度傳感器模塊

2.6 雨雪傳感器

雨雪的監(jiān)測采用建大仁科的RS-YUX-R01型雨雪傳感器，如圖6所示，它是測量室外或自然界是否降雨或降雪的測量設備，采用交流阻抗測量方式，測量結果準確，可廣泛應用于環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖、建筑、樓宇等的雨雪有無的定性測量，安全可靠，外觀美觀，安裝方便。

圖6 RS-YUX-R01型雨雪傳感器

2.7 A/D轉換芯片

本系統(tǒng)選用PCF8591芯片進行A/D轉換。PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件，具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行IIC總線接口，可以實現(xiàn)4路8bit A/D轉換，并通過IIC總線與單片機進行通信，滿足系統(tǒng)要求。

2.8 通信接口

本系統(tǒng)采用RS232串行通信，利用Prolific 公司生產的一種高度集成的RS232-USB接口轉換器PL2303，實現(xiàn)單片機RS232串行通信裝置與計算機USB功能接口的便利連接，利用VISA驅動實現(xiàn)單片機與計算機的串口通信[12]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 上位機軟件設計

上位機軟件采用字符串狀態(tài)機程序架構，主要由條件結構和一個While循環(huán)組成，根據(jù)字符串內容由條件結構執(zhí)行相應的狀態(tài)。程序流程圖如圖7所示。程序啟動后，首先通過VISA模塊設置串口并進行初始化，然后每間隔1 min向下位機發(fā)送一次采集命令，控制下位機進行氣象數(shù)據(jù)采集，從串口讀取數(shù)據(jù)包并解析，得到數(shù)據(jù)值；根據(jù)用戶的選擇判斷是否記錄數(shù)據(jù)，當按下“EXIT”按鈕時，關閉上位機串口通信并退出程序[13]。

3.2 下位機軟件設計

下位機程序采用C語言，利用Keil軟件編寫和編譯，并通過串口下載到AT89S52中運行。軟件由主程序、初始化程序、DY-39采集程序、A/D程序、串口發(fā)送程序、串口接收中斷程序等組成，其中，DY-39采集程序的功能是控制DY-39模塊進行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)傳送給單片機，A/D程序的功能是對3個傳感器(即RS-FS-V05型風速傳感器、JXBS- 3001-TR型土壤水分溫度傳感器和MG811二氧化碳濃度傳感器)輸出的4路電壓信號進行模數(shù)轉換并將數(shù)據(jù)傳送給單片機，串口發(fā)送程序的作用是將各個監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

下位機的軟件流程如圖8所示。設備啟動后，首先由初始化程序對串口和定時器進行配置，設置了波特率和相關中斷；當下位機串口接收到上位機發(fā)送的命令中斷后，由DY-39采集程序采集大氣溫濕度、氣壓、光照數(shù)據(jù)，由A/D轉換程序實現(xiàn)風速、土壤溫濕度、二氧化碳濃度的電壓測量，根據(jù)雨雪傳感器的開關量判斷是否有雨雪；下位機通過串口發(fā)送程序將測量數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機，數(shù)據(jù)包里包括2字節(jié)大氣溫度數(shù)據(jù)、2字節(jié)大氣濕度數(shù)據(jù)、4字節(jié)氣壓數(shù)據(jù)、4字節(jié)光照數(shù)據(jù)、1字節(jié)風速數(shù)據(jù)、1字節(jié)土壤溫度數(shù)據(jù)、1字節(jié)土壤濕度數(shù)據(jù)、1字節(jié)二氧化碳濃度數(shù)據(jù)、1字節(jié)雨雪數(shù)據(jù)，由上位機對數(shù)據(jù)進行解析，得到相應的測量數(shù)值。當接收到上位機命令再次中斷時，執(zhí)行新的測量與數(shù)據(jù)包發(fā)送[14]。

4 實 驗

利用本文設計的農業(yè)氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在戶外進行實地監(jiān)測實驗，上位機用戶界面及測量數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 下位機軟件流程圖

界面中顯示了當前測量的大氣溫濕度值、大氣壓強、光照強度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)值，以及某段時間內上述各數(shù)據(jù)的變化曲線與數(shù)據(jù)列表?？梢钥闯觯瑴y量值準確，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，用戶界面簡潔美觀，數(shù)據(jù)顯示清晰，方便用戶使用。

圖9 上位機用戶界面

5 總 結

本文設計了一套基于LabVIEW的農業(yè)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。以AT89S52單片機為主控芯片，結合傳感器模塊和計算機，搭建數(shù)據(jù)監(jiān)測硬件平臺；以美國國家儀器公司的LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，設計并編寫了基于狀態(tài)機程序架構的上位機軟件，利用VISA模塊實現(xiàn)串口通信，設計了友好的用戶交互界面，完成了對大氣溫濕度、氣壓、光照強度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、雨雪的實時測量、顯示與記錄等功能，并利用前面板網絡發(fā)布功能實現(xiàn)了實時監(jiān)測系統(tǒng)的局域網遠程控制。該系統(tǒng)成本低、開發(fā)周期短、穩(wěn)定性高、易維護，便于應用推廣。