基于LabVIEW的農業大棚溫濕度監測系統

陳冠文 王立達 韓成浩

(吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林 長春 130118)

引言

我國作為一個農耕強國，對農作物產品的需求量是非常巨大的。在以往的農業大棚農作物生產過程中，農民大多數使用空氣溫度計和空氣濕度計來測量環境溫度，并且通過人工升溫降溫及通風來改善農業大棚中的溫度以及濕度。當前我國傳統的農業大棚溫濕度監測技術多采取人工巡檢方法，由監測人員攜帶傳感器在現場監測、錄入觀測數據，該方法工作效率低、成本費用高、耗費了大批人力物力，如不能及時作出調整，還會一定程度影響農作物產品的生產量和質量。故可以在現代化農業大棚中通過傳感器采集農作物生產過程中的基本重要參數，而后對重要參數進加以信息處理，將這些數據上傳至互聯網，通過互聯網讓農村生產管理人員實時查看農業大棚中的各項相關數據及參數，并及時作出適當的生產調控，如此才能促進科學合理栽培，提升農產品綜合經濟效益和產品數量。

本文利用LabVIEW操作簡單、圖形化編程以及極強的圖形化分析、處理能力等優點，采用溫濕度傳感器和單片機技術，設計一種基于LabVIEW的農業大棚溫濕度監測系統。系統既可以通過數字和波形2種方式呈現測量數據，同時還可將采集到的數據與設定的閾值加以對比，從而觸發報警，并能將接收到的溫、濕度數據信息實時保存在用戶設定的數據庫Access中。

1 系統總體結構設計

1.1 系統設計

本系統設計通過采用溫濕度傳感器DHT11來檢測農業大棚的作物溫度和相對濕度，DHT11溫濕度傳感器測量的數據準確度能夠滿足現代農業生產要求。傳感器DHT11的數據傳輸引腳通過與單片機的I/O引腳互連，再通過hex文件燒錄過程，單片機就能夠讀取DHT11所采集到的數據，并將其發送至串口；LabVIEW[1]再利用串口讀出溫、濕度數據，最終實現對溫、濕度數據信息的記錄與儲存。

單片機STC8A8K32S4將采集到的數據上傳至串口，而STC8A8K32S4單片機實現串行口為全雙工的串行通訊口，有4種工作方法，即8位同步移位寄存器應用；波特率可變的10位數UART；將波特率設置固定為2種的11位UART；將波特率設定為可變的11位UART。當與上位機通信時，本設計采用波特率可變的10位數UART來實現通信，即波特率倍增位置1，波特率設定4800bps，晶振選擇12MHz。系統的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計圖

1.2 下位機硬件設計

1.2.1 STC8A8K32S4單片機

STC8A8K64S4系列單片機是2016年推出的寬電壓工作范圍的1T單片機，該系列單片機工作電壓為2.0～5.5V，相比STC15系列增加了I2C接口，并且ADC增加3個引腳(AVcc、Agnd、AVref)提高采集精度，STC8也是目前主推的MCU系列之一。其具有4路串口，9個定時器(5個普通定時器，4個CCP定時器)，12路PWM(8路15位帶死區控制PWM，4路10位CCP的PWM)，15路12位ADC，1路I2C串行總線等。具有內部晶振(可軟件配置)，無需搭建復位電路。而且STC單片機具有在應用編程，便于后期調試安裝；含有10個AD、內部EEPROM，可以在1T/機器周期之中工作，速度是傳統51單片機的8～12倍，價格也較便宜。

1.2.2 DHT11溫濕度傳感器

溫濕度傳感器選擇通常會有2種方案[2]。使用DS18B20溫度傳感器和HS1101電容式濕度傳感器，DS18B20溫度傳感器是一個具有單獨接線口接線方式的傳感器，測量的溫度范圍是-55.5～125.5℃，使用HS1101電容式濕度傳感器，測量的濕度范圍是0%～95%RH；直接利用DHT11數字溫濕度傳感器，其內部集成了NTC元件來實現溫度測量，具有電阻式元件來測量濕度，溫度工作范圍在0～55℃，測量的濕度范圍是25%～95%RH。經過2個方案的對比與分析，DHT11數字溫濕度傳感器具有數字可靠性和長期穩定性，而且還更為方便和簡行。DHT11把采集到的溫濕度數據以數字信號形式傳送給單片機引腳進行處理，能夠滿足大部分農業大棚溫濕度監測控制范圍。

1.2.3 0.96OLED顯示模塊

通常來說，單片機獲取到傳感器發出的溫濕度數據，將對其進行簡單處理，直接通過顯示模塊把數據進行實時呈現，考慮到數據直觀的呈現方式，溫度、濕度的數據是可以分開顯示的，這里采取0.96OLED顯示模塊，整體厚度低于1mm，只占到LCD屏幕的1/3，便于攜帶，有著良好穩定性和抗震性；基本不存在較高的可視化問題，即便是在較高分辨率情況下，畫面依然保持清晰，沒有出現失真情況；響應時間僅僅是LCD的1‰，顯示運動畫面不會出現任何拖影問題；整個顯示屏適用工況良好，可以在極端情況下適用，甚至可以在-40℃環境正常工作，整體工藝非常簡便，且有著良好經濟性，性價比非常高。

1.3 系統軟件控制方法

由于溫濕度控制系統是一個閉環系統，因此利用閉環系統控制手段，也就是PID控制法[3]。事實上，PID控制法具有如下特征：工作原理非常簡單，便于操作應用，有著良好的適應性特征，整個PID算法具有完整科學合理的參數整定和設計方式，方便操作掌控處理；絕大部分工業回路中關于控制響應速度和精度要求并不高，但對整個系統的穩定性和可靠性非常看重，為此采取PID控制法是個不錯的選擇，具有良好的性價比。

PID控制子程序屬于整個系統控制重點內容，主要功能是結合預設基本參數和測量值開展比較、運算分析，控制各種執行電路的工作，可以符合溫室大棚與濕度參數范圍，處于固定范圍內進行波動。對于程序初始化處理過程，單片機需要對PID程序進行初始化，獲取溫濕度數據，再結合PID控制對參數進行預設，找出前后差距，最后利用算法對其進行校正，確保整個參數在控制范圍之中。

1.4 上位機LabVIEW設計

上位機設計采用虛擬儀器LabVIEW對溫度和濕度數據信息的讀取、轉換和存儲，主要有串口通信模塊、溫濕度監測模塊、報警模塊[4]、數據存儲模塊等。上位機流程圖如圖2所示。

圖2 設計流程圖

1.4.1 串口通信模塊設計

為方便進行遠程操控可將農業大棚內采集到的溫濕度數據[5]發送到用戶電腦，以便實時監測，因此將LabVIEW作為開發平臺開發串口通信程序，本設計中用到了VISA驅動。VISA標準是中國新一代儀表I/O標準，是全球行業內通用規范，VISA具有和儀器硬件接口及具體計算機無關的特性，也就是VISA標準具有面向儀器作用，而并非直觀面向端口總線。啟動串口后，將數據轉換為相對應的格式，接著使用VISA寫入將數據傳輸至下位機；下位機接收到上位機傳來的數據后，將采集到的數據信息反饋給上位機。串口部分的程序框圖設計如圖3所示。

圖3 串口部分程序框圖

1.4.2 溫濕度檢測模塊設計

要得到溫濕度傳感器DHT11的數據信息，工程設計Check函數，初始化DHT11的端口，并檢查DHT11能否正常連線，如果連線正確無誤，則設置DATA引腳成輸入；工程設計Read函數，使用while循環調節DATA電平的變化，從而實現在DHT11中直接讀取數據。讀取數據后對數據進行預處理，可選擇將農業大棚內的實際溫濕度與給定適合農作物生長的溫濕度數值范圍進行比較，當大棚中溫度超過預設溫度時，將啟動冷卻裝置；在大棚溫度較低情況下，將加熱使溫度回升，可人工進行選擇添加。

1.4.3 溫度報警模塊設計

在串口接收區內建立局部變量，因為接收區內的主要數據類型是字符串，因此要求利用字符串實現“分數/指數字符串至數值轉換”，將下位機傳輸的實際溫度值轉化為雙精度的數據類型，然后通過在前面板上手動輸入高溫閾值和低溫閾值實現溫度判斷，得到溫度數值后，需要分析當前溫度是否超過警戒線，超過溫度預警值后，要進行報警指示。以上算法將能夠直接添加到判斷循環里面，但為了確保整個程序可讀性，可以將其放置到VI里面。當實際環境溫度高于設定的高溫閾值，或低于設定的低溫閾值[6]時，前面板上的警報燈變成紅色，從而產生溫度報警，將實時環境溫度在波形圖表中顯示出來。溫度報警模塊的程序框圖設計如圖4所示。

圖4 溫度報警部分程序框圖

1.4.4 數據庫存儲模塊設計

Access是一種數據庫系統應用的開發工具軟件系統[7]。Access數據庫系統工作時，將采用關聯式管理兄臺功能管理，利用對全部信息和數據內部關系處理，再對各類數據開展調用、處理即可。整個實際處理過程，具有良好的數據協調、整合處理的作用，可以提高數據整合效率。

關于Access數據庫，其屬于桌面數據庫系統，在實際開發設計過程中，能夠根據自身運行系統開發出有效系統，設計出專業性數據庫應用程序，將其作為前端研發工具，與其余數據庫實現良好處理。關于整個桌面數據處理，專業應用程序在整個運行處理中能夠結合Access數據庫自身操作方式進行處理，而此后能夠獲取到對應的開發結果，將其與其余數據庫實現協同處理，利用整個方法來建立起系統中相應關系型數據庫系統，便可以獲取到綜合性數據庫管理系統。因為Access數據庫結構簡單且便于處理，因此在訪問過程中無需經過多步操作。

本設計采用的是UDL連接的方法訪問Access數據庫。建立數據庫，對NI License Activator進行配置，在數據源處填寫Access數據庫的存儲位置和文件名測試連接，將.udl形式的文件保存，就能構成LabVIEW與Access數據庫之間的連接。具體操作步驟：安裝LabSQL，根據LabVIEW的實際安裝路徑將LabSQL工具包放到如下安裝路徑中；數據存儲工具包主要使用ADO Connection Create.vi，ADO Connection Open.vi建立數據庫的連接，SQL Execute.vi中采取INSERT INTO語句直接將日期、時間、接收溫度添加到數據庫中；OLEDB連接字符串格式：Provider=Microsoft Office 12.0 Access Database Engine OLE DB Provider；Data Source(其中，Provider表示數據庫驅動程序，Data Source表示數據庫的名稱)。

1.4.5 模擬信號采集

數據采集是利用計算機對電壓、電流、溫度、壓力等物理、電子現象開展處理。整個設計過程利用LabVIEW軟件中DAQmx驅動實現對模擬信號編譯處理，整個編程處理步驟如下。

資源配置、時間設定、數據采集以及讀寫操作，釋放內存。假如采取聯系信號采集，也就是要求在while循環中添加“讀/寫操作”，整個信號采集方式將為差分方式，各信號將含有2位AI通道來實現信號連接，利用信號正負兩側對應AI(n)和AI(n+8)。若采取AI0通道充當信號連接，事實上真實端口是AI0(信號正端)與AI8(信號負端)，時鐘設定表示對采樣頻率和采樣方式進行設置。

通常情況下，讀寫操作過程中VI屬于多態VI，對應下拉選項李曼將含有多個選項來實現配置，譬如單通道單采樣、多通道N采樣等，能夠結合具體需求制定需要采用的通道數和具體各通道的讀寫點數。

釋放資源為優質線程中不可獲取部分，在實現讀寫操作之后，可以把線程中各硬件資源進行釋放，有助于對其資源反復使用，從而增強效率。模擬信號連續采樣流程如圖5所示。

圖5 模擬信號連續采集

1.4.6 上位機前面板

設計Labview前面板，對于串口收發取主要功能是實現溫濕度數據傳輸、顯示、報警，溫度波形圖實時顯示實際溫度，與高、低溫閾值溫度進行比對，上位機前面板如圖6所示。

圖6 上位機前面板

2 系統調試

完成農業大棚溫濕度采集系統的各設計模塊搭建后[8]，將系統放入測試環境中。系統將溫濕度傳感器DHT11所采集到的溫、濕度傳輸至單片機引腳，單片機通過USB轉串口芯片CH340G與上位機實現串口通訊，將溫、濕度數據傳送到上位機當中，實時溫度數據與實時溫度波形圖如圖7所示，能進行自動報警且將測量數據存儲于用戶設定的Access數據庫中，如圖8所示。

圖7 溫度顯示界面

圖8 數據庫存儲界面

3 結論

本文設計了一種基于LabVIEW的現代農業大棚溫、濕度監測管理系統，下位機將以STC8A8K32S4單片機和DHT11溫濕度傳感器來實現，能夠直接在LabVIEW前面板上進行溫、濕度數據和波形圖顯示，溫、濕度數值超出或不足于預先設定值時，能夠使用報警指示燈進行報警，且所得數據信息均保存在用戶自建的Access數據庫當中，該監測系統可廣泛應用于農業大棚，以改善目前農村農業設施的信息化、智能化、自動化水平不高的狀況，用戶也能夠隨時使用電腦查看當前農業大棚內部的溫、濕度數據信息，為我國農業大棚的溫濕度采集及監測系統提供了一種科學方法。