基于Labview的溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于Labview的溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【摘要】為實(shí)現(xiàn)溫室大棚自動(dòng)化監(jiān)控，提高作物產(chǎn)量，本文設(shè)計(jì)了基于LabView 的溫室環(huán)境參量監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。利用LabView 編程，開發(fā)友好的人機(jī)界面，采用ZigBee 無線通信節(jié)點(diǎn)解決繁瑣的傳感器節(jié)點(diǎn)布線問題，結(jié)合web通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程internet 瀏覽器訪問。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可以對多個(gè)環(huán)境參量準(zhǔn)確監(jiān)控，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)遠(yuǎn)程端口同時(shí)訪問，符合溫室大棚智能化控制要求。【關(guān)鍵詞】溫室大棚L(fēng)abView 遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o線組網(wǎng)一、引言我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，人多地少，因此提高單位面積的作物產(chǎn)量是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展急需解決的問題

2、。溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，由于溫室不受氣候和土壤條件的環(huán)境影響，是提高產(chǎn)量的重要措施之一1- 4。農(nóng)作物在成長過程中需要的環(huán)境因子很多，適宜的溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及CO2 濃度是作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵。為加快農(nóng)作物的生長，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的，需對溫室的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合農(nóng)作物的生長規(guī)律，控制溫室環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境的檢測與調(diào)控。隨著計(jì)算機(jī)、通信以及傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究己成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)4- 7，研制一套適合我國國情并且具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的蔬菜溫室大棚智能控制系統(tǒng)具有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。論文結(jié)合傳感器和通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種成本較低

3、、集溫室大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄于一體的控制系統(tǒng)。二、硬件電路設(shè)計(jì)2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要采集空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤含水量、空氣中二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度等六種環(huán)境因素的參數(shù)，所以需要很多種類的傳感器來采集數(shù)據(jù)。溫度傳感器電路連接圖如圖1 所示。1、溫度型節(jié)點(diǎn)溫度是提供作物生長的最基本的要素，通過影響酶的活性來可以影響作物的各種生理性活動(dòng)，對作物生理性改變有著很重要的影響。由于溫室大棚溫度上限低于150，故本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式溫度傳感器，無需校準(zhǔn)和標(biāo)定。此電路即可以測量空氣溫度，也可以接保護(hù)外殼后測量土壤溫度。為消除溫度漂移的影響，設(shè)計(jì)將穩(wěn)壓二極管，熱敏電阻，可調(diào)電位

4、器接到運(yùn)放電路，該放大電路負(fù)端與電路輸出端相連。采用差溫控制法控制溫度。2、濕度型節(jié)點(diǎn)土壤的濕度直接決定著農(nóng)作物在生長過程中的水分供應(yīng)狀況。土壤濕度超過正常范圍，作物的光合作用不能正常進(jìn)行，農(nóng)作物根系呼吸、生長基本活動(dòng)受到阻礙，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降。本設(shè)計(jì)采用HS1101 解決濕度測量方案。本設(shè)計(jì)采用高分子電容式傳感器HS1101 和555 定時(shí)器組成空氣濕度測量電路。本電路在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下無需要校正，具有完全互換性，穩(wěn)定可靠，響應(yīng)快。電路連接圖如圖1 所示。采用555 定時(shí)器搭建震蕩電路輸出方波。方波的頻率可表示為：f= 10.7C1·R2+R3 ! " （1）式中Cl是濕度

5、傳感器電容變化值，R2、R3是定時(shí)器外圍電阻值?？梢钥闯鲚敵鲱l率和Cl 值成反比關(guān)系，通過調(diào)整R2和R3的值，可以設(shè)定輸出方波的頻率。 對于土壤濕度測量，本設(shè)計(jì)采用SWRZ 型土壤濕度傳感器對土壤水分進(jìn)行定點(diǎn)的長期監(jiān)測。土壤含水量通過自變量為電壓的三次多項(xiàng)式計(jì)算得到：v=0.0337·V3- 0.0426V2+0.2008V- 0.0041（2）其中V=VH- VL，單位：v3、光照強(qiáng)度型節(jié)點(diǎn)光照條件直接影響著作物的生長發(fā)育，是作物生長的決定要素之一，尤其是在反季節(jié)生產(chǎn)中，直接影響作物的營養(yǎng)生長，對作物葉片的排列方式、形態(tài)結(jié)構(gòu)以及生理性狀有明顯的作用。本文選用的是LT/G光照傳感器，

6、可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境光照度的測量，測量上限超過1×106 lux，測量下限低于0.2lux，安裝方便，線性度好，抗干擾能力強(qiáng)，可輸出電流或者電壓信號。4、二氧化碳濃度型節(jié)點(diǎn)光合作用是綠色植物生命活動(dòng)的基本特征，是種植的作物生長發(fā)育的物質(zhì)和能量的基礎(chǔ)，作物周圍空氣中CO2 濃度高低直接影響著作物光合作用的效率也就是有機(jī)物的合成，進(jìn)而影響作物果實(shí)的品質(zhì)。對此，我們選擇了一種高性價(jià)比COZIR 紅外二氧化碳傳感器。為提供電路的抗干擾能力，本設(shè)計(jì)將數(shù)字電路和模擬電路分隔開，并在連接點(diǎn)處加上磁珠。為除去芯片內(nèi)部信號對電源的干擾，在每個(gè)芯片最靠近電源和地的地方，添加一個(gè)0.luF 的電容。為消除瞬間大電

7、流對電路的影響，每8 個(gè)芯片配置一個(gè)10uF 的充放電電容，保證信號的穩(wěn)定性。2.2 無線傳輸與組網(wǎng)ZigBee 是一種低成本、低功耗、簡化標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)互聯(lián)無線通信技術(shù)8，9。每種節(jié)點(diǎn)都有10 個(gè)同類型傳感器，并采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成星型網(wǎng)絡(luò)，利用ChipconCC2430 射頻芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。本設(shè)計(jì)將4 個(gè)ZigBee模塊組建成一個(gè)星型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)FFD 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，4 個(gè)RFD 子節(jié)點(diǎn)。當(dāng)傳感器控制芯片收到來自ZigBee無線通信RFD 子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的請求標(biāo)志時(shí)，將溫度、濕度、CO2 濃度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過SPI 串行方式發(fā)送給RFD 子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)以無線方式向F

8、FD 主協(xié)調(diào)器傳遞數(shù)據(jù)。主協(xié)調(diào)器解析接收數(shù)據(jù)后將信號打包處理通過UART 傳輸給計(jì)算機(jī)，上位機(jī)軟件LabView分析、控制并顯示相應(yīng)環(huán)境參數(shù)。硬件連接框圖如圖2 所示。3、 軟件設(shè)計(jì)LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國NI 公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。但是與其他計(jì)算機(jī)語言不同，LabVIEW使用G語言編寫程序，通過圖形符號描述程序的行為，易于實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面10- 12。3.1 數(shù)據(jù)解析計(jì)算機(jī)通過過串口從FFD 協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)在對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理前，首先要根據(jù)UART

9、通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。但是由于FFD 傳送的是字符型數(shù)據(jù)，因此提取數(shù)據(jù)幀之后還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行字符- 數(shù)值轉(zhuǎn)換。程序框圖如圖3 所示，為增加程序的可讀性，將數(shù)據(jù)解析過程用子VI 的形式表述，并提供輸入輸出接口。3.2 數(shù)據(jù)處理與反饋控制解析串口數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)判斷串口起始幀數(shù)值是否為1，若是則表明FFD 開始向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)按幀分類，并存入對應(yīng)的空氣溫度、土壤溫度、空氣濕度、土壤濕度、CO2 濃度和光照強(qiáng)度數(shù)組內(nèi)，同時(shí)使能控制信號。 數(shù)據(jù)處理時(shí)，程序讀取各數(shù)組中的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶設(shè)定的刷新頻率，在前面板實(shí)時(shí)更新空氣溫度、土壤溫度、空氣濕度、土壤濕度、CO2 濃度數(shù)值。程序利用移位

10、寄存器獲得上一次的循環(huán)和數(shù)據(jù)，與本次數(shù)據(jù)相加，并在本刷新時(shí)間結(jié)束時(shí)計(jì)算各參量的平均值。當(dāng)下一個(gè)刷新時(shí)間開始時(shí)各參量的平均值分別與各參量設(shè)定的上限和下限相比，若連續(xù)2 個(gè)刷新時(shí)間內(nèi)某個(gè)參量平均值超出設(shè)定的范圍，程序就會向工作人員發(fā)出警報(bào)。為了能夠記錄各參量的歷史記錄，利用文件IO將給定時(shí)間內(nèi)的各參量平均值寫入到excel 中，供操作人員后期檢查。在向excel 寫入數(shù)據(jù)前，首先通過定時(shí)VI 獲取系統(tǒng)時(shí)間，然后將系統(tǒng)時(shí)間和各參量的平均值按順序?qū)懭氲絜xcel 中，excel 各列數(shù)值含義分別為：系統(tǒng)時(shí)間、空氣溫度、土壤溫度、空氣濕度、土壤濕度、CO2 濃度和光照強(qiáng)度、間隔時(shí)間。為了顯示界面能夠更加

11、簡潔，寫入間隔、excel 存放路徑等測量文件控制信息以常量的形式存放在程序框圖中，更改時(shí)需要在程序框圖中更改，系統(tǒng)默認(rèn)寫入間隔為5min，excel 存放路徑為D 盤Greenhouse中，以系統(tǒng)時(shí)間命名。系統(tǒng)主程序框圖如圖4 所示。程序的主控制界面如圖5 所示。3.3 程序遠(yuǎn)程控制由于LabView簡潔的控制界面、便捷的操作、內(nèi)嵌web 服務(wù)器，因此LabView廣泛的用于系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制研究中10- 15。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，本系統(tǒng)采用基于web 技術(shù)的遠(yuǎn)程訪問技術(shù)。訪問過程中直接在瀏覽器內(nèi)輸入服務(wù)器地址，就可以遠(yuǎn)程訪問控制系統(tǒng)前面板。為增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，遠(yuǎn)程請求VI 控制權(quán)時(shí)首先需要鍵入

12、密碼，密碼匹配后方可遠(yuǎn)程控制服務(wù)器前面板。系統(tǒng)采用8000端口發(fā)送和接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，并遵循h(huán)ttp 傳輸協(xié)議，系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制界面圖如圖6 所示。四、結(jié)論系統(tǒng)采用NI 公司LabView軟件編程，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚實(shí)時(shí)監(jiān)控，圖形界面友好，可以對多個(gè)參量同時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號。采用基于internet 網(wǎng)頁的遠(yuǎn)程控制模式，無需額外設(shè)備與軟件，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有較的應(yīng)用推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 董文國. 蔬菜溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 2012，曲阜師范大學(xué).2 高倩，溫室大棚環(huán)境參數(shù)控制. 2012，沈陽工業(yè)大學(xué).3 劉力，et al.，溫室大棚內(nèi)環(huán)境自動(dòng)化控制方案設(shè)計(jì). 農(nóng)機(jī)化研究，2013（01）：p.90- 93.4 高玲，趙海瑞. 溫室大棚設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 江蘇農(nóng)機(jī)化，2013（02）：p.28- 30.5 狄敬國，李秀美. 基于PLC、變頻器和觸摸屏技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2012（05）：p.39- 41.6 姚蕾，基于USB 接口溫室大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 農(nóng)機(jī)化研究，2013（07）：p.110- 114.7 陳利江，徐凱，王峻. 溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā). 江蘇農(nóng)機(jī)化，2013（02）：p.19- 22.8 李立揚(yáng)