基于LabVIEW溫室環境信息監測分析自教學系統設計*

楊景發 王 志 張建飛 李俊輝

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

安爍羽

(河北大學中央蘭開夏傳媒與創意學院 河北 保定 071000)

馬紅超 劉高賽

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

基于LabVIEW溫室環境信息監測分析自教學系統設計*

楊景發 王 志 張建飛 李俊輝

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

安爍羽

(河北大學中央蘭開夏傳媒與創意學院 河北 保定 071000)

馬紅超 劉高賽

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

設計的基于LabVIEW和CAI實現溫室環境信息監測分析的自教學系統，由設計原理、設計步驟組成的CAI課件單元和溫室環境信息監測分析VI單元組成，監測分析單元以數字時鐘為時間坐標，通過TCP/IP協議和串口與單片機進行通訊，實現對溫室環境溫度、濕度、CO2濃度數據的實時采集、多方式(指針、數字、曲線)顯示、儲存、分析處理和索引.

LabVIEW 虛擬儀器 溫室 串口 TCP/IP

1 引言

溫室種植已成為農村新的經濟增長點，溫室環境信息的實時、智能、遠程監控，已成為科技工作者競相研究的熱點.計算機技術與傳感技術、數據傳輸、互聯網技術的結合，可以實現遠程數據的實時采集、處理與顯示.LabVIEW是一種程序開發環境軟件，具有圖形化G語言編程、框圖式程序、庫函數豐富等優點，用戶可以方便地根據自己的需要開發虛擬儀器，而虛擬儀器已成為高校實驗儀器不可或缺部分，虛擬仿真實驗已成為一種新的實驗模式[1～4].本設計即是利用LabVIEW編寫上位機軟件，與單片機和數據采集硬件形成了一個完整的數據采集、顯示和分析系統，對溫室中的溫度、濕度、CO2濃度進行監測，同時增加了一個由設計原理、設計步驟組成的CAI課件單元，具備了“教”與“學”功能，從而形成一種自教學系統.

2 系統的組成概述

系統由數據采集處理單元、通訊單元和LabVIEW監測自教學平臺等部分組成，系統原理結構框圖如圖1所示.采集處理單元包括單片機、實時時鐘、LCD顯示器、鍵盤，以及溫濕度/CO2濃度傳感器等，單片機的型號為STC89C54RD+，溫濕度傳感器的型號為DHT21，CO2濃度傳感器型號為TGS4161，設計接口電路，在程序軟件控制下，將采集得到數字信號輸送到單片機進行預處理.

圖1 系統原理框圖

3 溫室環境信息監測分析平臺的程序設計

3.1 數據通訊

系統提供了通過VISA和TCP函數，實現串行和網絡與上位機的通信，并將接收到的實時數據以表格形式儲存.

(1)串行數據通信程序設計

LabVIEW中用于串行通訊的節點實際上是VISA節點，LabVIEW提供了強大的VISA函數庫，常用的串口通訊函數包括VISA CSP，VISA Write，VISA Read，VISA Close，實現串口配置、寫入、讀取、關閉以及串口緩沖區的檢測和設置[5～7].

首先用VISA CSP對串口進行初始化，確保上位機與單片機串口參數設置一致，設定波特率9 600，數據位為8，停止位為1，校驗位none；利用VISA Write將溫濕度等報警閾值發送至“寫入緩沖區”，自動格式化并發送至單片機；利用VISA Read從“讀取緩沖區”讀出字符串數據，上位機的串口通信基本程序框圖如圖2所示.

圖2 串口通信基本程序框圖

(2)TCP通信的程序設計

LabVIEW中，采用TCP節點實現網絡通信.采用TCP Open Connection節點對TCP偵聽端口進行初始化，確保上位機TCP偵聽端口的IP地址和端口參數與GSM一致；利用TCP Write節點將溫濕度等報警閾值傳送至網絡；為確保信號有效傳輸，采用兩個TCP Read節點接收數據，第一個節點接收數據的長度，第二個節點接收采集到的數據；上位機的TCP通信基本程序框圖如圖3所示.

圖3 TCP通信基本程序框圖

3.2 實時數據處理程序設計

下面以CO2的數據處理為例進行介紹，其他(溫度、濕度)數據處理方式與其相同.

(1)數據多方式顯示

首先將接收到的字符串信息強制轉換為雙精度數值型數據，依據接收順序將溫度、濕度、CO2濃度分別送入數值、指針進行顯示(圖4)，并與對應的設置閾值比較進行報警指示；采用波形子vi(圖5)對其進行波形、點圖顯示.

圖4 實時數據顯示程序框圖

圖5 波形子vi程序框圖

(2)數值數據和波形保存

采用Excel子vi(圖6)對其進行分立儲存；采用“寫入表格函數”對溫度、濕度、CO2濃度數據以表格形式進行保存，用于歷史數據的查詢和處理(圖7)；采用“寫入波形至文件”函數實現對實時波形的保存(圖8).

圖6 EXCEL子vi程序框圖

圖7 實時數據保存程序框圖

圖8 實時數據圖形保存程序框圖

3.3 歷史數據處理程序設計

(1)分立歷史數據查詢和波形復原

采用表格文件讀取函數將采集數據時所分立保存的數據讀出并送到數組控件進行顯示(圖9)；采用讀取波形文件函數讀取保存的波形文件數據送至波形圖控件進行顯示(圖10).

圖9 歷史記錄查詢程序框圖

圖10 歷史波形顯示程序框圖

(2)數據篩選和處理

首先利用表格文件讀取函數將溫度、濕度、CO2濃度同時保存的文件數據讀出與“開始時間”和“截止時間”進行比較，將處于該時間區間的數據篩選出來送“數據查找結果”數組控件顯示，然后按列索引將溫度、濕度、CO2濃度分別索引出來，進行求平均、最大值、最小值運算并送數值控件顯示(圖11).

4 自教學平臺的程序設計

設計一個由設計原理、設計步驟組成的CAI課件單元，使其具備“教”與“學”功能，從而形成一種自教學系統.采用一個圖片窗和兩個字符串控件為顯示控件，在程序后面板添加講解文字及圖片，實現圖片自動居中和自適應縮放；利用一個“選擇”數值控件和兩個布爾控件，實現課件內容的上下翻頁(圖12).

圖12 自教學平臺的程序框圖

5 前面板設計

自教學系統的前面板由“溫室環境監測分析平臺”和“自教學平臺”兩個選項卡組成.其中“溫室環境監測分析平臺”由系統時間、參數設置、環境信息及數據保存處理4部分組成[8～10]，如圖13所示.系統時間顯示當前的“年/月/日”和“時/分/秒”；參數設置包括“網絡/串口參數”設置和“閾值”設置，以及“網絡/串口”的選擇與數據傳輸的“開/關”；環境信息包括環境數據直觀的“數值”顯示、形象的“指針”指示和連續的“曲線”描繪；數據保存包括“存儲路徑、波形圖保存”；數據處理由“歷史記錄”主選項卡體現，分為“溫度/濕度/CO2所有記錄”“時間段選擇查詢”“數據分析”和“歷史波形圖顯示”6個子選項卡.

圖13 溫室環境監測分析平臺前面板組成

“自教學平臺”選項卡的前面板由“標題欄”“圖片顯示窗口”“文字提示窗口”以及兩個前后翻頁按鈕組成，如圖14所示，用于展示LabVIEW電子教案以及設計原理和設計要點，體現“教”與“學”功能.

圖14 自教學平臺前面板組成

6 結束語

本文針對單片機技術、無線傳感網絡技術和CAI平臺，基于LabVIEW開發了溫室環境信息監測分析自教學系統，成功實現了LabVIEW對網絡/串口數據的采集、傳輸、多方式顯示、存儲和處理，同時提供了自學習功能，具有前面板布局合理、操作方便，后臺程序運行穩定、擴展性強等特點，改變應用環境，更換采集傳感器，具有良好的靈活性，應用前景廣闊.

1 胡仁喜,王恒海,齊東明,等.LabVIEW8.2.1虛擬儀器實例指導教程.北京:機械工業出版社,2008

2 楊樂平,李海濤.LabvIEW程序設計與應用.北京:電子工業出版社,2003

3 梅加化.基于LabVIEW的虛擬實驗教學系統的研究：[學位論文].安徽：合肥工業大學，2012.1～20

4 許麗川，宋翔宇，唐凱飛，等.基于LabVIEW的電機實驗自助平臺設計.實驗室研究與探索，2015，34(9)：79～135

5 任麗麗,張志杰.基于LabVIEW的串口數據采集系統.微計算機信息,2008,24(3):56～57

6 陳真,王延江,王釗.基于LabVIEW的遠程數據采集系統開發.儀表技術與傳感器，2006(6):27～28

7 賈照麗,張俊,張少紅.基于LabVIEW的遠程網絡數據采集與分析.通信技術，2012,45(8):62～64

8 唐麗嬋,齊亮,王慶東,等.基于LabVIEW的無線遠程溫度監控系統.上海電氣技術，2009,2(1):20～24

9 吳強.基于LabVIEW的遠程多路測溫系統的設計與實現：[學位論文]. 武漢: 華東師范大學,2008

10魏麗靜,楊景發,趙雙雙,等.溫室環境信息智能無線監控系統設計.農機化研究,2013,35(11):159～163

The Self-Instructional System Design Based on Monitoring and Analysis of LabView Greenhouse Environmental Information

Yang Jingfa Wang Zhi Zhang Jianfei Li Junhui

(College of Physics Science & Technology of Hebei University, Baoding, Hebei 071002)

An Shuoyu

(HBU-UCLan School of Media Communication and Creative Industries, Baoding, Hebei 071000)

Ma Hongchao Liu Gaosai

(College of Physics Science & Technology of Hebei University, Baoding, Hebei 071002)

The self-instructional system design consists of CAI courseware unit including design principles and steps and VI unit on greenhouse environmental information monitoring and analysis. The self-instructional system design is based on LabVIEW and CAI to achieve greenhouse environment information monitoring and analysis. Monitoring and Analysis Unit takes digital clock as the time coordinate and communicates with serial port and SCM via TCP / IP protocol to achieve the real-time acquisition of greenhouse environment temperature, humidity and CO2concentration data , multimode display(pointer, digital, curve), storage, analytical processing and indexing.

LabVIEW; virtual instrument; greenhouse; serial port; TCP/IP

*大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：201610075026；高等教育教學改革研究與實踐項目(2016).

楊景發(1964- )，男，高級實驗師，主要從事實驗技術、設施農業、紅外技術應用方面研究.

2016-12-29)