基于虛擬儀器技術的溫室控制系統研究

摘要：本文結合工作實踐，從研究虛擬儀器技術的溫室控制系統的原因及意義出發，在分析我國溫室檢測技術的研究現狀基礎上，提出了溫室檢測系統研究方案和對溫室技術的展望。把計算機技術、傳感器技術等技術結合起來的問世控制系統，主要針對一定環境中控制植物的生長，分析對它們在生長過程中受到環境中各種因素的影響，如何才能合理地控制這些配套設備的運作和協同則需要有一套完善的硬、軟件溫室系統進行控制。本系統應用虛擬儀器LabVIEW軟件進行檢測軟件的設計與實現來采集和分析數據。

關鍵詞：虛擬儀器 溫室 環境檢測 計算機監控 LabVIEW

1 研究的原因及意義

由于我國人口增長速度快，耕地面積逐年減少，所以在有限的資源上，達到農作物的收成更好、更優質以及更加高產、高效，就必須應用現代化高科技的設施農業來實現。溫室種植是現代農業的有效途徑，溫室控制可有效提高土地利用率和能源利用率，并可通過對環境的控制，提高農產品品質，降低成本。其中對植物生長影響最大的是溫度、濕度和光照和二氧化碳濃度等。環境中晝夜的溫度、濕度和光照度的變化大，對植物生長極為不利。為了在溫室內得到適合農作物的生長的環境因素，我們就必須對溫室進行人為地控制，并且適時檢測。進行溫室控制栽培后，夏季的蔬菜瓜果以及花卉甚是可以冬季種植、銷售，有效提高人們生活質量。溫室控制還可以人為消除或減少蟲災、水澇、旱災等這些災害的不利影響，使農作物更好的生長。經過溫室控制也可以滿足各種優質高產的新品種對生存環境的苛刻要求。所以溫室是利用可調控的技術手段，在不適宜露地植物生長的季節用來栽培植物的設施，它可改變植物生長的外部環境，為植物創造最佳條件，從而達到高效、高產的目的。

2 我國溫室檢測技術的研究現狀

但由于我國的溫室業起步晚，發展時間相對較短，使用過程中還存在較嚴重問題，需要在技術上進一步提高和改進。但是也產生了許多有價值的研究成果，如浙江大學開發出掌上型溫室環境測控系統，延安大學研制了基于單片機的溫室環境數據采集終端。然而由于成本和技術普及等方面的限制，在實際生產過程中的應用受到嚴重制約，限制了推廣和應用，另外，引進溫室的一些運營模式與我國實際情況不符，因此與我國的氣候特征不相適應。還有，其控制方式一般都比較簡單，對進一步功能上的擴展要求無法完成，綜合上述情況來看溫室技術還有待研究提高。

所以，開發出產生明顯經濟效益、符合我國國情的，并適用于大范圍推廣自控溫室系統已經迫在眉睫。開發出這樣一套易用、易安裝的溫室環境檢測系統對于溫室環境的自動化控制和智能化管理具有重要意義。

3 溫室檢測系統研究方案

有效地控制這些配套設備的運作和協同需要有一套完善的硬、軟件溫室系統進行控制。溫室檢測系統主要采用美國NI 公司的虛擬儀器軟件開發平臺LabVIEW，檢測功能強大，并且能很方便的實現數據的讀取、存儲等功能，與原來的開發工具相比較為簡單，不僅有強大測控功能，而且系統的靈活性也很好，雖然它的發展歷史不是很長，可它已經應用于各行各業，成為自動測控與儀器應用開發中科學家和工程師們需要的首選工具。通過研究溫室環境中各種參數的測量范圍，傳感器檢測其環境因素，經由控制系統的8路模擬量、數字量輸入接口傳輸到CPU中，利用虛擬儀器軟件LabVIEW強大的測試功能對系統設定值進行比較、判斷、處理以及相關數據的存儲。然后將CPU處理后各種控制結果通過16路開關量輸出口傳送到電機和電磁閥等執行機構上，從而實現對溫室的控制。

3.1 溫室中測控對象的研究 溫室中測控對象主要是在溫室中對作物生長和發育有影響的各種的環境因素，如溫度、濕度、二氧化碳濃度等，它們的優化控制十分重要。

3.1.1 溫度對作物的生長發育影響：作物在生命周期中發生的生物化學反應，都必須在一定溫度下進行，溫度控制包括冬季采暖和夏季降溫。溫度控制系統主要采用溫度傳感器檢測室內溫度，原理為采用熱電偶測溫。它是將兩種不同材料的導體或半導體a和b焊接起來，使其構成一個閉合回路。當導體a和b的兩個執著點1和2之間產生溫差時，它們之間就會產生電動勢，在回路中就形成了電流，經過計算機處理后得到適合農作物需要的溫度。

3.1.2 濕度也是溫室環境控制十分重要的因素。溫室濕度檢測范圍一般在20%RH-100%RH，精度為±3%。過低的濕度將使作物得不到適當的水分而使生長受阻，而溫室中空氣的濕度較大，這樣作物不易缺水，作物蒸騰量減少，對植物的生長發育有利。但如果空氣濕度過大，作物的莖葉生長過旺，即造成瘋長，對作物的開花結果有影響。

3.1.3 二氧化碳直接影響植物的光合作用，它的濃度低，植物光和作用率低，直接影響作物的生長發育。因此必須提供充足的二氧化碳。

除上述三種主導因素外還有光照、土壤水分等因素，所以在設計使用計算機控制溫室各種參數時，要對溫室內環境因素實時檢測，這樣才能得到更好的產量。

3.2 信息采集與檢測 在溫室控制系統中，運用虛擬儀器技術進行計算機控制設計，實現采集信息實時顯示和數據存儲更加準確。虛擬儀器本質上是一個開放型的結構，由通用計算機、數字信號處理等硬件系統來提供信號處理、存儲和顯示的功能，由數據采集板等進行信號的獲取和控制，實現儀器的功能。虛擬儀器系統可以采集和記錄從傳感器傳來的數據，并對其統計、濾波等處理，從而實現監控功能。

數據采集主要是通過各種傳感器對外界環境因素進行測量，然后采集數據，通過處理信號將結果傳入虛擬儀器，計算機也隨之得到數據。采集數據的精確度和測控系統的好壞主要由傳感器直接影響。傳感器的輸出信號必須準確反映其輸入量，它的輸入輸出不隨時間變化而變化，且受外界其他因素的干擾影響很小，要求較小的輸入量便可得到較大的輸出信號，傳感器還要具有經濟性、耐腐蝕性、低能耗等。信號采集在檢測系統中地位也十分重要。因為只有采集進真實準確的信號，才有可能對數據進行正確的分析處理，進而才能有效控制。而很多干擾會在采集信號過程中出現，所以要針對溫室環境中所具有的干擾源及噪聲傳播途徑，采取找到干擾的傳播途徑，消除或抑制干擾源，減少接收電路對干擾的敏感性，從而有效減小干擾。

除采用硬件抗干擾方法外，在系統軟件設計上也采取了剔除異常數據、濾波處理、延時處理等一些抗干擾措施，也都很有效。信號檢測主要通過傳感器來測量環境參數，把采集的數據傳給數據采集卡，其結果輸入計算機。信息數據采集和檢測同時可以滿足數據回調、分析、統計和報表打印等要求。

4 對溫室技術的展望

總體來看，國內溫室技術水平比較低，現代化管理程度不高，溫室環境監測條件較差，所以還要不斷改進和提高技術。應用先進的電子技術、通信技術提高溫室的管理水平，研制、開發新型的溫室計算機管理系統，進一步擴大溫室的面積，并使之低成本高效率、見效快，成為符合我國經濟發展水平的溫室系統。溫室控制技術的反戰將會越來越先進，功能也會越來越完善，問世環境控制將朝著基于作物生長模型，對溫室環境因素進行自動采集檢測的只能控制趨勢發展。它的研究必將推動我國的溫室產業的發展，提高我國的溫室產業的科技含量。

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作者簡介：李想（1983-），女，滿族，吉林松原人，學士，松原職業技術學院助理講師，研究方向為應用電子。