基于LabVIEW的農業氣象環境監測系統設計

侯 偉， 張 慧，辛慧娟，劉凱強，寧朝陽

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

農業的發展對國民經濟發展有著直接的影響，隨著傳感器技術、計算機技術、通信技術的發展，傳統農業已經不能滿足需求，智能農業系統應運而生[1-2]。目前，智能大棚、智能灌溉等技術已經在不斷發展[3-4]，農業與氣象有著密切的聯系，對氣象參數的實時監測有助于農業智能化，因此，研究農業氣象環境監測系統具有十分重要的意義。

本文針對智能農業應用，以LabVIEW為軟件開發平臺，設計了一套農業氣象環境監測系統，對大氣溫濕度、氣壓、光強、土壤溫濕度、二氧化碳(CO2)濃度、雨雪等進行實時監測、數據可視化和記錄。該系統具有成本低、開發周期短、穩定性高、可維護性好等特點。

1 系統整體方案

本文所設計的農業氣象環境監測系統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總線將測量數據傳遞給單片機；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總線將測量數據傳遞給單片機；利用RS-YUX-R01傳感器探測雨雪發生情況；單片機通過串口與上位機進行通信，傳送各傳感器數據，上位機接收到數據后根據用戶的操作實現氣象數據的實時顯示和記錄[7]。上位機軟件采用美國NI公司的虛擬儀器開發平臺LabVIEW來實現，該平臺不僅能夠實現友好的用戶界面，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，利于系統的快速開發與維護。通過前面板網絡發布，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 系統總體框圖

2 系統硬件設計

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據，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Flash，256字節RAM，32位可編程I/O 口線，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，1個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。滿足本系統的應用要求。

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，滿足農業氣象環境測量要求。該模塊支持串口UART和IIC兩種方式讀取數據，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、環境保護、氣象站、船舶、碼頭、養殖等環境的風速測量。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、節水灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、 草地牧場、土壤速測、植物培養、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。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定性，適用于家庭、環境的二氧化碳檢測。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，可廣泛應用于環境、溫室、養殖、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數據獲取器件，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，滿足系統要求。

2.8 通信接口

本系統采用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驅動實現單片機與計算機的串口通信[12]。

3 系統軟件設計

3.1 上位機軟件設計

上位機軟件采用字符串狀態機程序架構，主要由條件結構和一個While循環組成，根據字符串內容由條件結構執行相應的狀態。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向下位機發送一次采集命令，控制下位機進行氣象數據采集，從串口讀取數據包并解析，得到數據值；根據用戶的選擇判斷是否記錄數據，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模塊進行數據采集并將數據傳送給單片機，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轉換并將數據傳送給單片機，串口發送程序的作用是將各個監測數據發送給上位機。

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、光照數據，由A/D轉換程序實現風速、土壤溫濕度、二氧化碳濃度的電壓測量，根據雨雪傳感器的開關量判斷是否有雨雪；下位機通過串口發送程序將測量數據包發送給上位機，數據包里包括2字節大氣溫度數據、2字節大氣濕度數據、4字節氣壓數據、4字節光照數據、1字節風速數據、1字節土壤溫度數據、1字節土壤濕度數據、1字節二氧化碳濃度數據、1字節雨雪數據，由上位機對數據進行解析，得到相應的測量數值。當接收到上位機命令再次中斷時，執行新的測量與數據包發送[14]。

4 實 驗

利用本文設計的農業氣象環境監測系統在戶外進行實地監測實驗，上位機用戶界面及測量數據如圖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、二氧化碳濃度等數據值，以及某段時間內上述各數據的變化曲線與數據列表。可以看出，測量值準確，系統工作穩定，用戶界面簡潔美觀，數據顯示清晰，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的農業氣象環境數據監測系統。以AT89S52單片機為主控芯片，結合傳感器模塊和計算機，搭建數據監測硬件平臺；以美國國家儀器公司的LabVIEW為軟件開發平臺，設計并編寫了基于狀態機程序架構的上位機軟件，利用VISA模塊實現串口通信，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布功能實現了實時監測系統的局域網遠程控制。該系統成本低、開發周期短、穩定性高、易維護，便于應用推廣。