基于LabWindows／CVI的溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)

任玉燦 李長(zhǎng)歡 錢(qián)秀萍 劉麗娟 王新明 馬曉欣

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000；2.天津住宅集團(tuán)建設(shè)工程總承包有限公司，天津030000）

0 前 言

在溫室內(nèi)作物的各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期，影響作物生長(zhǎng)的參數(shù)很多，有溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤水分、土壤營(yíng)養(yǎng)、有害氣體濃度等，其中溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度是作物生長(zhǎng)、發(fā)育最基本的要素.溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度是表征植物生長(zhǎng)的近地面空氣層的環(huán)境因子，它們對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育從不同的方面產(chǎn)生著作用.

在溫室內(nèi)，我們對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度，這四項(xiàng)環(huán)境因子分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)得到的環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行分析和處理，從而得到合理的控制方案，以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，抑制和減輕病蟲(chóng)害的發(fā)生.

1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器（virtual instrument）實(shí)際基于計(jì)算機(jī)的儀器.計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的重要方向.虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術(shù)革命的產(chǎn)物，它在測(cè)試測(cè)量與控制領(lǐng)域中占有重要的地位，并正在成為當(dāng)今世界流行的儀器構(gòu)成方案.

LabWindows／CVI是一個(gè)完全的ANSI C開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于儀器控制、自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用軟件.它以ANSI C為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來(lái).

本系統(tǒng)的搭建以LabWindows／CVI為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段溫室發(fā)展的主要特點(diǎn)及溫室內(nèi)環(huán)境因子對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要性，采用了虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，以LabWindows／CVI為軟件基礎(chǔ)，采用C語(yǔ)言，模擬實(shí)際儀器的面板設(shè)計(jì)出用戶界面中的面板，是傳統(tǒng)儀器的面板和軟件界面的融合.

2 監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

基于LabWindows／CVI的溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)的基本思想是將硬件模塊軟件化.主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制計(jì)算、數(shù)據(jù)查詢等功能.

系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊都有自己獨(dú)立的功能，模塊與模塊之間通過(guò)控件來(lái)進(jìn)行相互關(guān)聯(lián).系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示.

對(duì)采集、控制與查詢的管理，主要是通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的采集、控制、歷史數(shù)據(jù)查詢等界面進(jìn)行管理，完成對(duì)采集、控制、數(shù)據(jù)查詢等信息的管理.同時(shí)，設(shè)置采樣周期的設(shè)定和監(jiān)測(cè)參數(shù)的選擇功能.

圖1 系統(tǒng)軟件功能模塊

圖2 數(shù)據(jù)采集與控制管理模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換

參數(shù)的選擇和設(shè)定主要包括采集參數(shù)（溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度）的選擇、采樣速率的設(shè)定；數(shù)據(jù)采集、控制與數(shù)據(jù)查詢功能的實(shí)現(xiàn)分別由采集、控制和數(shù)據(jù)查詢?nèi)齻€(gè)控件來(lái)控制，如圖2所示.

2.1 數(shù)據(jù)采集與顯示模塊

數(shù)據(jù)采集與顯示模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、顯示、超限報(bào)警等功能.

2.1.1 采集與顯示功能

通過(guò)“采集”、“停止”和“顯示”控件，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集與停止的控制并對(duì)采集的參數(shù)進(jìn)行數(shù)字、指針和動(dòng)態(tài)曲線的顯示.

2.1.2 參數(shù)設(shè)置和報(bào)警

在采集參數(shù)設(shè)置區(qū)域，設(shè)置參數(shù)控制的高低兩個(gè)指標(biāo)，超過(guò)極限指標(biāo)時(shí)報(bào)警燈亮顯示.

另外，設(shè)置傳感器參數(shù)標(biāo)定區(qū)域，可以在滿足數(shù)據(jù)采集卡輸入信號(hào)范圍的條件下，對(duì)傳感器進(jìn)行自由選擇.

數(shù)據(jù)采集主要流程圖如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.2 控制模塊

控制模塊包含兩部分，自動(dòng)控制部分和手動(dòng)控制部分，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇.

溫度和濕度控制采用上限和下限的控制策略，通過(guò)對(duì)報(bào)警指示燈的狀態(tài)判斷來(lái)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行控制.在自動(dòng)控制模式下，報(bào)警指示燈亮，則輸出控制信號(hào)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，報(bào)警指示燈滅則停止信號(hào)輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作.通過(guò)上限和下限控制，就可以把參數(shù)控制在用戶所要求的范圍之內(nèi).在手動(dòng)控制模式下，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)的手動(dòng)打開(kāi)和閉合來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路的通和斷.

2.3 數(shù)據(jù)查詢模塊

監(jiān)控系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)采集參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示功能，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的離線分析，數(shù)據(jù)的管理是必不可少的.該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，即將保存的采樣數(shù)據(jù)重新以波形和文本的方式顯示出來(lái)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行極值、平均值的計(jì)算.

3 系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

各種形式的干擾最終會(huì)反映在檢測(cè)系統(tǒng)的微機(jī)模塊中，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差加大、控制狀態(tài)失靈、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生篡改以及程序運(yùn)行失常等后果.為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，采用軟件措施來(lái)克服某些軟件干擾.采用去極值平均濾波的方法，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波，再將濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷.利用軟件濾波可充分體現(xiàn)用軟件代替硬件的特點(diǎn).以保證從數(shù)據(jù)采集卡采集的信息充分接近傳感器檢測(cè)到的信息，提高系統(tǒng)的精確度.

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)利用虛擬儀器（VI）技術(shù)，建立以PC機(jī)為核心，在傳感器、數(shù)據(jù)采集板等硬件基礎(chǔ)上，利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows／CVI強(qiáng)有力的測(cè)試功能和良好的圖形化用戶操作界面，對(duì)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并作出相應(yīng)的判斷，根據(jù)需要對(duì)參數(shù)值進(jìn)行控制.該系統(tǒng)存在如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）交互性強(qiáng)

本系統(tǒng)通過(guò)友好的操作界面，使系統(tǒng)和用戶之間有強(qiáng)大的交互能力，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)對(duì)控件進(jìn)行操作，來(lái)控制系統(tǒng)的開(kāi)和斷，同時(shí)還可以對(duì)控制方式進(jìn)行選擇.

（2）靈活性好

用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和選擇.

（3）直觀性好

用戶可以隨時(shí)觀察到采集的適時(shí)數(shù)據(jù)和參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì).

（4）開(kāi)放性（可二次開(kāi)發(fā)）

由于LabWindows／CVI的強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)資源，TCP／IP函數(shù)庫(kù)，支持TCP／IP協(xié)議、Datasocket庫(kù)，若今后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化開(kāi)發(fā)，則可以應(yīng)用Datasocket技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)中的不同計(jì)算機(jī)之間應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，以實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化.

（5）便于維護(hù)

以軟件代替硬件，大大減少了硬件的采用，使系統(tǒng)避免了由硬件帶來(lái)的一些不利因素，便于維護(hù)和管理.

（6）歷史數(shù)據(jù)查詢

可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)以各種形式給以充分的再現(xiàn)，為將來(lái)對(duì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境的研究提供充分的理論基礎(chǔ)，同時(shí)為了便于觀察，還設(shè)置了指針和捕捉功能，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的觀察.

［1］周麗娟.系列化華東型塑料連棟溫室環(huán)境檢測(cè)控制系統(tǒng)的研究.杭州：浙江大學(xué)，2004.2

［2］梁銀麗，張成娥.冠層溫度—?dú)鉁夭钆c作物水分虧缺關(guān)系的研究.生態(tài)農(nóng)業(yè)研究，2000，8（1）：24～26

［3］National Instrument Corporation.LabWindows／CVI User Manual，2005

［4］王建新，楊世鳳，隋美麗主編.LabWindows／CVI測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.8

［5］羅錦，孟晨，蘇振中.動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)在虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)建中的應(yīng)用.上海：計(jì)算機(jī)工程，2003，29（3）：176～177

［6］宋宇輝.LabWindows／CVI逐步深入與開(kāi)發(fā)實(shí)例.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003

［7］周林等編著.數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.7