基于Labview的溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于Labview的溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【摘要】為實(shí)現(xiàn)溫室大棚自動(dòng)化監(jiān)控，提高作物產(chǎn)量，本文設(shè)計(jì)了基于LabView的溫室環(huán)境參量監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。利用LabView編程，開(kāi)發(fā)友好的人機(jī)界面，采用ZigBee無(wú)線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)解決繁瑣的傳感器節(jié)點(diǎn)布線(xiàn)問(wèn)題，結(jié)合web通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程internet瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)可以對(duì)多個(gè)環(huán)境參量準(zhǔn)確監(jiān)控，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)遠(yuǎn)程端口同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，符合溫室大棚智能化控制要求?！娟P(guān)鍵詞】溫室大棚L(fēng)abView遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o線(xiàn)組網(wǎng)一、引言我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，人多地少，因此提高單位面積的作物產(chǎn)量是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展急需解決的問(wèn)題。溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，由于溫室不受氣候和土壤條件的環(huán)境影響，是提高產(chǎn)量的重要措施之一[1-4]。農(nóng)作物在成長(zhǎng)過(guò)程中需要的環(huán)境因子很多，適宜的溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及CO2濃度是作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵。為加快農(nóng)作物的生長(zhǎng)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的，需對(duì)溫室的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合農(nóng)作物的生長(zhǎng)規(guī)律，控制溫室環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)與調(diào)控。隨著計(jì)算機(jī)、通信以及傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究己成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)[4-7]，研制一套適合我國(guó)國(guó)情并且具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的蔬菜溫室大棚智能控制系統(tǒng)具有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。論文結(jié)合傳感器和通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種成本較低、集溫室大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄于一體的控制系統(tǒng)。二、硬件電路設(shè)計(jì)2.1傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采集空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤含水量、空氣中二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度等六種環(huán)境因素的參數(shù)，所以需要很多種類(lèi)的傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)。溫度傳感器電路連接圖如圖1所示。1、溫度型節(jié)點(diǎn)溫度是提供作物生長(zhǎng)的最基本的要素，通過(guò)影響酶的活性來(lái)可以影響作物的各種生理性活動(dòng)，對(duì)作物生理性改變有著很重要的影響。由于溫室大棚溫度上限低于150℃，故本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式溫度傳感器，無(wú)需校準(zhǔn)和標(biāo)定。此電路即可以測(cè)量空氣溫度，也可以接保護(hù)外殼后測(cè)量土壤溫度。為消除溫度漂移的影響，設(shè)計(jì)將穩(wěn)壓二極管，熱敏電阻，可調(diào)電位器接到運(yùn)放電路，該放大電路負(fù)端與電路輸出端相連。采用差溫控制法控制溫度。2、濕度型節(jié)點(diǎn)土壤的濕度直接決定著農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中的水分供應(yīng)狀況。土壤濕度超過(guò)正常范圍，作物的光合作用不能正常進(jìn)行，農(nóng)作物根系呼吸、生長(zhǎng)基本活動(dòng)受到阻礙，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降。本設(shè)計(jì)采用HS1101解決濕度測(cè)量方案。本設(shè)計(jì)采用高分子電容式傳感器HS1101和555定時(shí)器組成空氣濕度測(cè)量電路。本電路在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下無(wú)需要校正，具有完全互換性，穩(wěn)定可靠，響應(yīng)快。電路連接圖如圖1所示。采用555定時(shí)器搭建震蕩電路輸出方波。方波的頻率可表示為：f=10.7C1·R2+R3!"（1）式中Cl是濕度傳感器電容變化值，R2、R3是定時(shí)器外圍電阻值。可以看出輸出頻率和Cl值成反比關(guān)系，通過(guò)調(diào)整R2和R3的值，可以設(shè)定輸出方波的頻率。對(duì)于土壤濕度測(cè)量，本設(shè)計(jì)采用SWRZ型土壤濕度傳感器對(duì)土壤水分進(jìn)行定點(diǎn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。土壤含水量通過(guò)自變量為電壓的三次多項(xiàng)式計(jì)算得到：θv=0.0337·ΔV3-0.0426ΔV2+0.2008ΔV-0.0041（2）其中ΔV=VH-VL，單位：v3、光照強(qiáng)度型節(jié)點(diǎn)光照條件直接影響著作物的生長(zhǎng)發(fā)育，是作物生長(zhǎng)的決定要素之一，尤其是在反季節(jié)生產(chǎn)中，直接影響作物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，對(duì)作物葉片的排列方式、形態(tài)結(jié)構(gòu)以及生理性狀有明顯的作用。本文選用的是LT/G光照傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光照度的測(cè)量，測(cè)量上限超過(guò)1×106lux，測(cè)量下限低于0.2lux，安裝方便，線(xiàn)性度好，抗干擾能力強(qiáng)，可輸出電流或者電壓信號(hào)。4、二氧化碳濃度型節(jié)點(diǎn)光合作用是綠色植物生命活動(dòng)的基本特征，是種植的作物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)和能量的基礎(chǔ)，作物周?chē)諝庵蠧O2濃度高低直接影響著作物光合作用的效率也就是有機(jī)物的合成，進(jìn)而影響作物果實(shí)的品質(zhì)。對(duì)此，我們選擇了一種高性?xún)r(jià)比COZIR紅外二氧化碳傳感器。為提供電路的抗干擾能力，本設(shè)計(jì)將數(shù)字電路和模擬電路分隔開(kāi)，并在連接點(diǎn)處加上磁珠。為除去芯片內(nèi)部信號(hào)對(duì)電源的干擾，在每個(gè)芯片最靠近電源和地的地方，添加一個(gè)0.luF的電容。為消除瞬間大電流對(duì)電路的影響，每8個(gè)芯片配置一個(gè)10uF的充放電電容，保證信號(hào)的穩(wěn)定性。2.2無(wú)線(xiàn)傳輸與組網(wǎng)ZigBee是一種低成本、低功耗、簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[8，9]。每種節(jié)點(diǎn)都有10個(gè)同類(lèi)型傳感器，并采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成星型網(wǎng)絡(luò)，利用ChipconCC2430射頻芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。本設(shè)計(jì)將4個(gè)ZigBee模塊組建成一個(gè)星型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)FFD協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，4個(gè)RFD子節(jié)點(diǎn)。當(dāng)傳感器控制芯片收到來(lái)自ZigBee無(wú)線(xiàn)通信RFD子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求標(biāo)志時(shí)，將溫度、濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過(guò)SPI串行方式發(fā)送給RFD子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)以無(wú)線(xiàn)方式向FFD主協(xié)調(diào)器傳遞數(shù)據(jù)。主協(xié)調(diào)器解析接收數(shù)據(jù)后將信號(hào)打包處理通過(guò)UART傳輸給計(jì)算機(jī)，上位機(jī)軟件LabView分析、控制并顯示相應(yīng)環(huán)境參數(shù)。硬件連接框圖如圖2所示。軟件設(shè)計(jì)3.3程序遠(yuǎn)程控制由于LabView簡(jiǎn)潔的控制界面、便捷的操作、內(nèi)嵌web服務(wù)器，因此LabView廣泛的用于系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制研究中[10-15]。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，本系統(tǒng)采用基于web技術(shù)的遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)。訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程中直接在瀏覽器內(nèi)輸入服務(wù)器地址，就可以遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)控制系統(tǒng)前面板。為增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，遠(yuǎn)程請(qǐng)求VI控制權(quán)時(shí)首先需要鍵入密碼，密碼匹配后方可遠(yuǎn)程控制服務(wù)器前面板。系統(tǒng)采用8000端口發(fā)送和接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，并遵循h(huán)ttp傳輸協(xié)議，系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制界面圖如圖6所示。四、結(jié)論系統(tǒng)采用NI公司LabView軟件編程，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚實(shí)時(shí)監(jiān)控，圖形界面友好，可以對(duì)多個(gè)參量同時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。采用基于internet網(wǎng)頁(yè)的遠(yuǎn)程控制模式，無(wú)需額外設(shè)備與軟件，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有較的應(yīng)用推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)[1]董文國(guó).蔬菜溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).2012，曲阜師范大學(xué).[2]高倩，溫室大棚環(huán)境參數(shù)控制.2012，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué).[3]劉力，etal.，溫室大棚內(nèi)環(huán)境自動(dòng)化控制方案設(shè)計(jì).農(nóng)機(jī)化研究，2013（01）：p.90-93.[4]高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