基于LabVIEW的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉玉芹，徐海華

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.山東大學(xué)軟件學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫室大棚種植技術(shù)在全國(guó)不斷推廣，溫室大棚的數(shù)量不斷增加。隨著溫室大棚的廣泛應(yīng)用，如何提高種植戶的生產(chǎn)效率、減少管理成本，引起了人們的關(guān)注。國(guó)內(nèi)學(xué)者紛紛提出了各種溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[1-3]。所謂溫室大棚智能控制，就是通過(guò)先進(jìn)科學(xué)技術(shù),調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的各種環(huán)境條件,如溫度、土壤濕度、光照等環(huán)境參數(shù),從而使農(nóng)作物處于最佳的生長(zhǎng)環(huán)境,以提高生產(chǎn)效率。因?yàn)槲覈?guó)溫室大棚自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展較晚，且我國(guó)農(nóng)民的文化水平大多不高，所以需要設(shè)計(jì)一種易操作、易理解的控制系統(tǒng)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)[4]。

該智能監(jiān)控系統(tǒng)以LabVIEW作為主控軟件，結(jié)合傳感器技術(shù)[5]、測(cè)控技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚環(huán)境控制和管理的智能化和科學(xué)化[6]；利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語(yǔ)言和平臺(tái)，使系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，讓用戶操作更加簡(jiǎn)單、便捷。系統(tǒng)具有較好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要包括計(jì)算機(jī)、攝像頭、溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器、卷簾升降模塊、電磁閥通斷模塊、通風(fēng)模塊、數(shù)據(jù)采集卡。計(jì)算機(jī)采用LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及智能控制等。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

安裝在大棚內(nèi)的攝像頭經(jīng)USB端口與計(jì)算機(jī)連接，拍攝的圖像顯示在LabVIEW前面板上，使用戶可以直接看到大棚內(nèi)的情況。溫度傳感器和光敏傳感器安裝在大棚內(nèi)、土壤濕度傳感器插在土壤里。所有傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，它們的動(dòng)態(tài)曲線顯示在前面板，傳感數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)前面板還設(shè)有自動(dòng)/手動(dòng)切換按鈕。當(dāng)前面板設(shè)為自動(dòng)時(shí)，LabVIEW將讀入的溫度值、濕度值以及光照值等進(jìn)行處理，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出端口送給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成控制這些參數(shù)的目的；當(dāng)前面板設(shè)為手動(dòng)時(shí)，可以在前面板上手工設(shè)定輸出值，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

此外，LabVIEW的前面板上設(shè)有農(nóng)作物類型和生長(zhǎng)階段的選項(xiàng)框，在對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)框中輸入農(nóng)作物名稱和生長(zhǎng)階段，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成此時(shí)最適合該農(nóng)作物生長(zhǎng)的濕度、溫度、光照參數(shù)值，使得系統(tǒng)更具可操作性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、攝像頭、步進(jìn)電機(jī)(包含驅(qū)動(dòng)模塊)、電磁閥等。

2.1 溫度量的信號(hào)調(diào)理與控制

溫度是關(guān)乎農(nóng)作物生長(zhǎng)、發(fā)育的重要因素之一，適宜的溫度[7]有利于農(nóng)作物的光合作用產(chǎn)物積累。本系統(tǒng)采用熱電阻Pt100來(lái)檢測(cè)溫度。Pt100的信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 Pt100的信號(hào)調(diào)理電路

通過(guò)溫度傳感器采集大棚內(nèi)的溫度，由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。LabVIEW控件對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行采集、處理，向數(shù)據(jù)采集卡輸出合適的控制量，從而控制與通風(fēng)口相連的步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)口的開(kāi)閉，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度。溫度控制框圖如圖3所示。

圖3 溫度控制框圖

2.2 濕度量的獲取與控制

土壤濕度對(duì)農(nóng)作物根部的水分吸收、礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的輸送起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)也影響病菌的繁殖。適宜的濕度能使農(nóng)作物生長(zhǎng)得更好。本系統(tǒng)采用可以直接插在土壤里的濕度傳感器(YL-69)測(cè)量濕度，其表面采用鍍鎳處理，加寬的感應(yīng)面積，提高導(dǎo)電性能，防止接觸土壤生銹。

傳感器模塊輸出信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的USB口相連。LabVIEW控件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策，通過(guò)輸出高低電平控制繼電器實(shí)現(xiàn)電磁閥的開(kāi)關(guān)，從而控制灌溉設(shè)備開(kāi)閉，及時(shí)調(diào)整土壤濕度值。濕度控制框圖如圖4所示。

圖4 濕度控制框圖

2.3 光照量的信號(hào)調(diào)理與控制

光照不僅是農(nóng)作物種子發(fā)芽的必要條件，而且是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用必不可少的條件。因此在溫室大棚內(nèi)，必須將光照強(qiáng)度控制在一定范圍內(nèi)，否則光照太強(qiáng)或者太弱都會(huì)影響農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。

本系統(tǒng)采用HA2003光照傳感器，然后利用光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為電壓值。光照信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 光照信號(hào)調(diào)理電路

光照傳感器對(duì)大棚內(nèi)的光照信息進(jìn)行采集，同樣經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，在計(jì)算機(jī)上顯示，并通過(guò)LabVIEW界面設(shè)定范圍對(duì)其進(jìn)行分析、決策。通過(guò)對(duì)卷簾上步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)卷簾的卷起與放下，從而使得大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度穩(wěn)定在適應(yīng)農(nóng)作物生長(zhǎng)的范圍[8-9]。光照控制框圖如圖6所示。

圖6 光照控制框圖

2.4 視頻監(jiān)控

及時(shí)了解大棚內(nèi)的各種農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況以及各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，可以使農(nóng)戶作出快速、準(zhǔn)確的決策，迅速調(diào)節(jié)農(nóng)作物各個(gè)指標(biāo)的參數(shù)設(shè)定值；同時(shí)，也可以記錄參數(shù)變化。

安裝在大棚內(nèi)的攝像頭與計(jì)算機(jī)相連，用戶直接在LabVIEW的前面板上通過(guò)觀看攝像頭實(shí)時(shí)采集的圖像了解大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，不用進(jìn)入大棚內(nèi)就可以判斷是否需要進(jìn)行除草、施肥等工作，為用戶節(jié)約了大量的時(shí)間和精力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言[10]，類似于C語(yǔ)言和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，它使用圖形化編程語(yǔ)言G編寫(xiě)程序。主程序流程和子程序流程分別如圖7、圖8所示。

圖7 主程序流程圖

圖8 子程序流程圖

程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，攝像頭對(duì)大棚內(nèi)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控，在選擇農(nóng)作物類型和生長(zhǎng)階段后，系統(tǒng)自動(dòng)生成溫度、濕度、光照的設(shè)定值。對(duì)于溫度和光照，傳感器采集的溫度值和光照值經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換，與設(shè)定值比較，確定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制，輸出不同占空比值的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定開(kāi)閉和卷簾機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定升降。對(duì)于濕度，當(dāng)采集到的濕度小于設(shè)定值，打開(kāi)電磁閥進(jìn)行灌溉；反之，則無(wú)動(dòng)作。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

首先，收集一些植物在不同階段的生長(zhǎng)指標(biāo)；然后，設(shè)定大棚內(nèi)的各個(gè)參數(shù)值，并對(duì)其進(jìn)行比較。典型農(nóng)作物的最適合生長(zhǎng)條件如表1所示。

表1 典型農(nóng)作物的最適合生長(zhǎng)條件

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得是在作物實(shí)際生長(zhǎng)環(huán)境條件下進(jìn)行的，傳感器測(cè)量范圍為:溫度0～100 ℃；濕度20%～90%；光照0～20 kLux。這些測(cè)量范圍完全滿足正常大棚需要。取各個(gè)作物的第二生長(zhǎng)階段進(jìn)行測(cè)試，將所得測(cè)量值與控制值進(jìn)行比對(duì)。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1和表2中的數(shù)據(jù)可知:經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)控制后，大棚內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)基本上能回到適宜農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)以“軟”代“硬”的方式，充分利用LabVIEW的軟件資源和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件資源，實(shí)現(xiàn)了適用于各種條件下的溫室大棚的控制和管理。系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式，使得在啟動(dòng)過(guò)程或者特殊條件下，系統(tǒng)都能較好地運(yùn)行。同時(shí)，因LabVIEW的友好人機(jī)界面，便于操作人員使用溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，體現(xiàn)了LabVIEW在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。另外，本系統(tǒng)創(chuàng)造性地把各種農(nóng)作物的各個(gè)階段生長(zhǎng)指標(biāo)參數(shù)以模塊的形式置入系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)界面進(jìn)行自動(dòng)選擇，提高了系統(tǒng)在實(shí)用方面的可靠性，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的推廣性。