基于Labview的温室大棚智能控制系统的设计

基于Labview的温室大棚智能控制系统的设计

【摘要】为实现温室大棚自动化监控，提高作物产量，本文设计了基于LabView 的温室环境参量监控与远程控制系统。利用LabView 编程，开发友好的人机界面，采用ZigBee 无线通信节点解决繁琐的传感器节点布线问题，结合web通信技术，实现温室大棚控制系统远程internet 浏览器访问。实验表明，本系统可以对多个环境参量准确监控，程序运行稳定可靠，可实现多个远程端口同时访问，符合温室大棚智能化控制要求。

【关键词】温室大棚LabView 远程监控无线组网

一、引言

我国是一个农业大国，人多地少，因此提高单位面积的作物产量是现阶段农业发展急需解决的问题。温室是设施农业的重要组成部分，由于温室不受气候和土壤条件的环境影响，是提高产量的重要措施之一[1- 4]。农作物在成长过程中需要的环境因子很多，适宜的温度、湿度、光照强度以及CO2 浓度是作物实现高产、优质的关键。为加快农作物的生长，达到优质、高产的目的，需对温室的环境进行监测，结合农作物的生长规律，控制温室环境，实现对温室内环境的检测与调控。随着计算机、通信以及传感器技术的飞速发展，现代化温室环境参数监测系统的研究己成为现代农业的一个研究热点[4- 7]，研制一套适合我国国情并且具有独立知识产权的蔬菜温室大棚智能控制系统具有非常重要的经济效益和社会意义。论文结合传感器和通信技术，设计了一种成本较低、集温室大棚环境实时监控与记录于一体的控制系统。

二、硬件电路设计

2.1 传感器节点设计

温室大棚环境监测系统需要采集空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤含水量、空气中二氧化碳浓度和光照强度等六种环境因素的参数，所以需要很多种类的传感器来采集数据。温度传感器电路连接图如图1 所示。

1、温度型节点

温度是提供作物生长的最基本的要素，通过影响酶的活性来可以影响作物的各种生理性活动，对作物生理性改变有着很重要的影响。由于温室大棚温度上限低于150℃，故本设计采用数字式温度传感器，无需校准和标定。

此电路即可以测量空气温度，也可以接保护外壳后测量土壤温度。为消除温度漂移的影响，设计将稳压二极管，热敏电阻，可调电位器接到运放电路，该放大电路负端与电路输出端相连。采用差温控制法控制温度。

2、湿度型节点

土壤的湿度直接决定着农作物在生长过程中的水分供应状况。土壤湿度超过正常范围，作物的光合作用不能正常进行，农作物根系呼吸、生长基本活动受到阻碍，作物的产量和品质下降。本设计采用HS1101 解决湿度测量方案。本设计采用高分子电容式传感器HS1101 和555 定时器组成空气湿度测量电路。本电路在标准环境下无需要校正，具有完全互换性，稳定可靠，响应快。电路连接图如图1 所示。采用555 定时器搭建震荡电路输出方波。方波的频率可表示为：

f= 10.7C1·R2+R3 ! " （1）

式中C l是湿度传感器电容变化值，R2、R3是定时器外围电阻值。可以看出输出频率和Cl 值成反比关系，通过调整R2和R3的值，可以设定输出方波的频率。

对于土壤湿度测量，本设计采用SWRZ 型土壤湿度传感器对土壤水分进行定点的长期监测。土壤含水量通过自变量为电压的三次多项式计算得到：

θv=0.0337·ΔV3- 0.0426ΔV2+0.2008ΔV- 0.0041（2）

其中ΔV=V H- V L，单位：v

3、光照强度型节点

光照条件直接影响着作物的生长发育，是作物生长的决定要素之一，尤其是在反季节生产中，直接影响作物的营养生长，对作物叶片的排列方式、形态结构以及生理性状有明显的作用。本文选用的是LT/G光照传感器，可实现对环境光照度的测量，测量上限超过1×106 lux，测量下限低于0.2lux，安装方便，线性度好，抗干扰能力强，可输出电流或者电压信号。

4、二氧化碳浓度型节点

光合作用是绿色植物生命活动的基本特征，是种植的作物生长发育的物质和能量的基础，作物周围空气中CO2 浓度高低直接影响着作物光合作用的效率也就是有机物的合成，进而影响作物果实的品质。对此，我们选择了一种高性价比COZIR 红外二氧化碳传感器。为提供电路的抗干扰能力，本设计将数字电路和模拟电路分隔开，并在连接点处加上磁珠。为除去芯片内部信号对电源的干扰，在每个芯片最靠近电源和地的地方，添加一个0.luF 的电容。为消除瞬间大电流对电路的影响，每8 个芯片配置一个10uF 的充放电电容，保证信号的稳定性。

2.2 无线传输与组网

ZigBee 是一种低成本、低功耗、简化标准的开放式系统互联无线通信技术[8，9]。每种节点都有10 个同类型传感器，并采用拓扑结构组成星型网络，利用ChipconCC2430 射频芯片实现数据的无线传输。本设计将4 个ZigBee模块组建成一个星型的无线传感器网络，网络中有一个FFD 协调器节点，4 个RFD 子节点。当传感器控制芯片收到来自ZigBee无线通信RFD 子节点发送数据的请求标志时，将温度、湿度、CO2 浓度和光照强度数据通过SPI 串行方式发送给RFD 子节点，子节点以无线方式向FFD 主协调器传递数据。主协调器解析接收数据后将信号打包处理通过UART 传输给计算机，上位机软件LabView分析、控制并显示相应环境参数。硬件连接框图如图2 所示。

三、软件设计

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国NI 公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。但是与其他计算机语言不同，LabVIEW使用G语言编写程序，通过图形符号描述程序的行为，易于实现友好的人机交互界面[10- 12]。3.1 数据解析计算机通过过串口从FFD 协调器接收数据，计算机在对这些数据进行处理前，首先要根据UART 通信协议对数据进行解析。但是由于FFD 传送的是字符型数据，因此提取数据帧之后还需要对数据进行字符- 数值转换。程序框图如图3 所示，为增加程序的可读性，将数据解析过程用子VI 的形式表述，并提供输入输出接口。

3.2 数据处理与反馈控制

解析串口数据后，计算机判断串口起始帧数值是否为1，若是则表明FFD 开始向计算机发送数据，这时计算机将数据按帧分类，并存入对应的空气温度、土壤温度、空气湿度、土壤湿度、CO2 浓度和光照强度数组内，同时使能控制信号。

数据处理时，程序读取各数组中的数据，根据用户设定的刷新频率，在前面板实时更新空气温度、土壤温度、空气湿度、土壤湿度、CO2 浓度数值。程序利用移位寄存器获得上一次的循环和数据，与本次数据相加，并在本刷新时间结束时计算各参量的平均值。当下一个刷新时间开始时各参量的平均值分别与各参量设定的上限和下限相比，若连续2 个刷新时间内某个参量平均值超出设定的范围，程序就会向工作人员发出警报。为了能够记录各参量的历史记录，利用文件IO将给定时间内的各参量平

均值写入到excel 中，供操作人员后期检查。在向excel 写入数据前，首先通过定时VI 获取系统时间，然后将系统时间和各参量的平均值按顺序写入到excel 中，excel 各列数值含义分别为：系统时间、空气温度、土壤温度、空气湿度、土壤湿度、CO2 浓度和光照强度、间隔时间。为了显示界面能够更加简洁，写入间隔、excel 存放路径等测量文件控制信息以常量的形式存放在程序框图中，更改时需要在程序框图中更改，系统默认写入间隔为5min，excel 存放路径为D 盘Greenhouse中，以系统时间命名。系统主程序框图如图4 所示。