基于LabVIEW開發環境下的農田智能精準灌溉系統設計

潘 杰，王福平，焦方桐，趙正軍(.北方民族大學電氣信息工程學院，銀川 7500；.北方民族大學創新創業學院，銀川 7500)

我國的淡水資源豐富，但人均水資源占有量約2 300 m3，只占世界人均水平1/4，是全球人均淡水資源最為缺乏的國家之一[1]。其中農業用水占總供水的70%左右，而且農業灌溉用水的利用率非常低。在水資源緊缺的條件下，要實現灌溉農業的可持續發展，就需要農業灌溉更加精確智能，按照農作物需水要求準確及時地預報，并實現水量的自動控制，精確施予。設計中采用LabVIEW圖形化編程語言，具有編程簡單方便，界面形象直觀，縮短開發周期，并可根據用戶的需要對系統做出快速更改等[2]，缺點是NI公司的數據采集卡比較貴，對于中小企業來說是一筆不小的開銷。所以本設計提出STC單片機和LabVIEW的數據采集系統設計方案，從而實現一種在LabVIEW開發環境下的低成本數據采集系統[3]。

1 系統總體結構設計

系統總體結構框圖如圖1所示。

本系統采用上位機和下位機兩部分，上位機由LabVIEW面板組成，負責接收節點上傳的土壤濕度數據并將濕度數據實時顯示(數值與波形圖顯示)并保存在Excel文件中，以備歷史數據查詢。如果濕度數據超閥值，將點亮LED燈報警。下位機則采用STC系列單片機作為節點控制土壤濕度數據采集，STM32系列單片機作為主控處理土壤濕度數據，并根據LabVIEW顯示濕度調整電磁閥開關或其他用電設備。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件設計

系統硬件分為上位機和下位機兩部分，其中上位機由LabVIEW構成，功能是顯示實時土壤濕度和存儲歷史數據，硬件部分由一般PC機即可實現功能。下位機硬件電路設計包括子節點控制器設計和主控制器設計，主控制器主要功能是接收節點上傳的數據，分析處理、按鈕狀態控制、給節點發送控制指令等功能[4]。節點主要實現功能是數據采集、處理、上傳、與主控制器的RS485通信、繼電器控制輸出等模塊的設計。

(1)節點控制器設計。節點控制器模塊采用STC12C5A60S2主控芯片，通信方面，經過TTL轉RS-485模塊和其他設備通信。模塊掛接有繼電器、土壤水分傳感器和ModBus總線。STC12單片機引腳與繼電器信號引腳連接，繼電器與電磁閥連接。STC12單片機通過TTL轉RS485模塊與主控制器和按鍵面板通信，同時通過另一不在總線上的TTL轉RS485模塊，向SM2801土壤水分傳感器發送指令，獲取濕度數據。

節點主控芯片STC12上電后，等待電源和傳感器穩定。隨后讀取繼電器狀態，對繼電器狀態進行保存。讀取水分傳感器數據，對水分傳感器數據進行校驗、保存。主控系統傳來讀取指令，并上傳數據給主控制器。如果是控制信息，則判斷是按鍵面板傳來的指令還是主控制器傳來的指令，并對繼電器進行設置和和回應指令。

(2)主控制器設計。主控制器主要負責與子節點、按鍵通信和數據處理，對節點通信、數據采集、工作狀態上傳等進行調度。在整個嵌入式系統中，主控制器是唯一的調度者，分配著所有現場設備、控制器等的工作。主控制器系統采用ST公司生產的STM32F103RCT6作為控制核心，通過TTL轉RS485模塊，TTL轉RS485模塊之間使用ModBus總線式連接，實現和子節點、按鍵面板控制器相連接。STM32單片機通過控制EL817光耦電阻，從而控制24～220 V繼電器，進而控制施肥裝置、變頻器、水泵。STM32單片機引腳控制三極管，進而直接控制主控制器上的蜂鳴器。而施肥狀態引腳、水泵狀態引腳則經過10K電阻后，各自直接與STM32單片機引腳相連接。

3 系統軟件設計

3.1 下位機單片機軟件設計

下位機單片機軟件設計包括主控制器、節點數據采集、處理和通信三大部分的功能模塊的設計。

3.1.1 主控制器數據處理

主控制器數據處理流程圖如圖2所示，該部分主要通過核心芯片STM32F103RTC16的USART1串口接收處理節點和主控制器的數據，并對指令進行處理顯示或發送主控制器的指令給節點作出相應操作。

圖2 主控制器數據處理流程圖

3.1.2 節點數據處理

節點程序流程框圖如圖3所示，該部分由節點電路核心芯片STC12C5A處理數據，主要功能是完成對傳感器發送指令，判斷收到傳感器反饋回的指令集后進行相應處理，可直接上傳至上位機LabVIEW或者主控制器分析處理顯示。

圖3 節點程序流程框圖

3.2 上位機LabVIEW軟件設計

上位機采用LabVIEW開發環境下主要實現對下位機節點上傳的土壤濕度數據在主控制端進行定時采集并經過處理后實時顯示[5]，并將采集數據保存在Excel文件中，供用戶調用查看歷史數據或灌溉規律等，總體設計該上位機具有土壤濕度實時查詢、采集、轉換、顯示、控制、報警、儲存、歷史數據采集等操作。

3.2.1 LabVIEW前面板程序設計

上位機LabVIEW運行主界面(前面板)如圖4所示。

圖4 LabVIEW運行主界面(開始采集前界面)

主界面包括串口通信參數配置、運行控制選項、實時數據顯示及實時曲線顯示、濕度超限報警、歷史數據顯示部分。串口通信參數設置用于設置上位機與下位機RS485通信相關參數(串口號、波特率、數據位、停止位及奇偶校驗位等)。當采集到的數據超過設定的報警門限值時，運行控制選項用于啟動或停止下位機數據采集[6]、數據存儲以及數據回放等功能。數據顯示用于顯示某采集通道的實時數據，實時曲線用于顯示采集的實時數據曲線。

3.2.2 LabVIEW程序面板設計

系統主程序結構如圖5所示。

圖5 系統主程序功能模塊結構圖

系統結構在經典狀態機結構的基礎上改進，主程序結構為開始進入一個While循環，然后在While循環中定義了一個事件結構(即事件驅動方式)，在事件結構中定義了4種事件，分別為開啟數據采集、停止數據采集、退出數據采集及讀取歷史數據。在While循環中實時檢測驅動事件的發生，如驅動事件發生，則轉入到定義好的驅動事件程序去執行。在接收數據的過程中，如果單擊停止數據采集按鈕，則下位機停止數據采集，同時上位機停止接收采集數據，退出接收下位機采集數據While循環結構。如果單擊讀取歷史數據選項，則將保存到指定路徑中的數據在前面板以波形圖和Excel表格顯示出來[7,8]。需要注意的是開始采集前，要確認數據停止采集按鈕處于未被按下狀態，讀取歷史數據前要將停止數據采集按鈕按下。

4 測試與結果分析

如圖6所示為系統某段時間濕度數據采集的LabVIEW數據顯示情況。

圖6 某段時間LabVIEW主界面數據顯示情況

由采集濕度數據波形顯示曲線窗口可以看出，在澆水后的一段時間內，土壤濕度會維持在一個固定值范圍之間變化(但幅度變化較小)，且該時段土壤濕度一直較高，已經超過預設濕度最高閥值，故可以看到濕度數據顯示窗口濕度過高燈點亮。歷史數據顯示部分，采集到的是某天灌溉以后從15:37到22:21的數據，可以明顯看到土壤濕度隨時間緩慢下降，歷史數據表格顯示為存儲在Excel中的濕度數據。

5 結 語

按照設計預期，本系統主要實現對土壤濕度實時查詢、采集、顯示、控制、儲存等功能，設計的數據采集 系統，經實際驗證，上位機LabVIEW與下位機節點可以正常通信，能夠實現土壤濕度的采集與實時監測，可以根據情況選擇路徑在前面板以波形圖和表格的形式顯示出來，且整套系統運行實時、穩定。在其他應用中，本系統設計中的狀態機整體結構和串口監測、寫數據、CRC-16循環冗余校驗，正常顯示轉化、數據保存、波形圖時間顯示等子VI程序，可以直接應用于其他類似程序中具有較強的移植性，稍加修改，即可應用于其他領域的數據采集控制，具有一定的參考價值和實用性[9]。

[1] 苗 碩.中國淡水資源現狀與保護措施探討[J].現代商貿工業，2010,(17):19-21.

[2] 顧建華,嚴國軍.遠程控制農田自動灌溉系統研制[J].軟件，2012,33(6):6-7.

[3] 申焱華，王汝杰，雷振山．LabVIEW入門與提高范例教程[M]．北京：中國鐵道出版社,2006.

[4] 王永虹，徐 煒，郜立平. STM32F系列 ARM微控制器原理與實踐[M]．北京:北京航空航天大學出版社，2008．

[5] 顧亞雄，朱翠英，許方華．基于LabVIEW 的單片機多路數據采集系統的設計[J]．自 動 化技術與應用,2009，28(10):46-48．

[6] 林 靜，林振宇，鄭福仁. LabVIEW虛擬儀器程序設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[7] Robert H.Bishop National Instruments,著. 喬瑞萍，林 欣,譯.LabVIEW實踐教程[M].北京：電子工業出版社，2014.

[8] 彭 勇，潘曉曄，謝龍漢.LabVIEW虛擬儀器設計及分析[M].北京：清華大學出版社，2011.

[9] 李紅剛，張素萍.基于單片機和LabVIEW的多路數據采集系統設計[J]. 國外電子測量技術，2014,33(4):62-67.