水稻育秧大棚環境多點監控系統的設計
——基于LabVIEW軟件

劉傳岐，梁春英，張藝萌，張漢林

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

黑龍江墾區位于我國富饒的黑土地上，是我國重要的三大墾區之一，其中水稻生產影響著墾區的發展和糧食儲備問題[1]。水稻生產主要包括浸種催芽、育秧和本田種植3個階段，稻苗的生長與育秧環境有著直接的關系[2]。由于黑龍江處于我國北方寒冷地區，因此良好的水稻育秧環境對北方水稻秧苗的長勢起著至關重要的作用。黑龍江水稻育秧多數采用鋼結構塑料大棚育秧方式，一般塑料大棚內部空間較大，育秧棚內的小氣候溫度環境分布較不均衡[3]。所以，以往單點采集溫濕度作為控制育秧棚內環境的依據較不準確，且運用傳統的采集方式布置多節點溫濕度數據采集布線麻煩，多數據傳輸不穩定[4]。為了改善傳統監控系統，更好調控育秧棚內環境，設計出一套針對北方水稻育秧大棚溫濕度環境多數據采集節點的監控系統顯得極其重要。

本設計采用LabVIEW作為上位機軟件多數據分析顯示，實現良好的人機交互功能，使農戶更詳細、具體地對大棚內各區域溫濕度環境進行實時監控。與以往水稻育秧大棚監控系統相比較，數據采集部分采用無線模塊傳輸，減少了棚內布線，數據傳輸穩定可靠，且能夠更詳細、準確地體現育秧棚內溫濕度環境信息，為水稻育秧環境的模擬、預測等提供數據支持。

1 系統設計方案

系統由傳感器模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、控制模塊和計算機組成。數據采集模塊將各傳感器信號采集并經過無線模塊傳給數據處理模塊進行數據整理、分析，數據處理模塊與PC機之間通過串口實現數據的傳輸，控制模塊根據上位機輸出信號做出響應。數據采集、處理及控制部分均以單片機為核心。系統總體流程圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計圖

1.1 硬件結構設計

水稻育秧棚內共設有12個溫濕度傳感器，外部1個光照傳感器和1個溫濕度傳感器，如圖2所示。棚內每3個傳感器、1個單片機和1個無線模塊組成1組采集電路，每組采集電路均由5V電源供電，單片機作為核心部分完成數據的流動。控制電路部分主要由單片機進行數值超限指令的接收及自動或手動對卷簾電機啟停的控制。

圖2 系統硬件結構框圖

1.2 單片機的選用

單片機采用STC15系列STC15W4K58S4，具有8通道，高速10位A/D轉換器，低功耗，高速可靠，重點是強抗干擾性。本系統數據采集點較多，數據轉換及流量大，且大棚內溫度較高，因此選用此單片機達到系統要求。

1.3 無線通訊模塊

溫濕度采集的數據傳輸及通信選用AS62-T20無線串口模塊，通信距離3km內均有效，同樣具有低功耗及強抗干擾性，工作溫度最高可達85℃，適合在溫室內高溫情況下穩定工作。在數據傳輸過程中，具有可連續傳輸、不限制數據包大小及傳輸速度快等優點，多通道傳輸擴頻通信技術使大量數據傳輸不丟包。無線模塊電路圖如圖3所示。

圖3 無線模塊電路圖Fig.3 Wireless module circuit diagram

1.4 溫濕度傳感器

在溫濕度傳感器模塊選用中，摒棄了常用的DHT11型號的溫濕度傳感期模塊，其測量精度只能到個位，造成數據誤差較大。由于本系統布置測量點較多，使用工業型傳感器價格昂貴，綜合考慮選用以DHT22為基礎的AM2302溫濕度傳感器模塊，該傳感器工作電壓低，運行長期穩定，精度達0.1且誤差在0.3～-0.5℃之間，同時多點采集大大減少了成本。溫度傳感器電路圖如圖4所示。

圖4 溫濕度傳感器電路圖Fig.4 Temperature and humidity sensor circuit diagram

2 軟件設計

軟件的設計在保持系統正常運行中有著至關重要的作用，為保證軟件設計能夠與系統硬件完美配合，將系統的整體軟件設計模塊化，針對每個模塊進行程序設計，如圖5所示。本系統主要涉及采集、顯示及控制三大部分：數據采集部分包括對采集信號的轉換、采集間隔的設定及無線傳輸的程序編輯；顯示部分主要有數據數據分析、歷史數據檢索和曲線表達等的程序編輯；控制部分主要包括溫度采集數值的超限判定、指令傳輸和電機啟動程序編輯。軟件部分流程圖如圖5所示。

3 上位機系統開發

3.1 虛擬儀器技術

虛擬儀器就是將模塊化的硬件部分高效、靈活地結合軟件部分，多數應用在測量、測控及各領域的自動化方面。虛擬儀器技術現已廣泛應用在自動灌溉、水果分揀及精密播種等農業生產中[5]。常用LabVIEW軟件作為上位機進行開發，LabVIEW采用圖形化G語言進行語言編輯，大大減少了用C#、Java等由單詞構成的編程語句開發系統的時間，同時LabVIEW軟件系統還有顯示界面清晰明了、系統維護簡單及與外部設備連接通訊快速穩定等優點[6]。

3.2 系統上位機實現的功能

1)將采集到的育秧棚內溫濕度信息清晰地實時顯示在計算機上，并對系統硬件進行簡單控制，達到人機界面友好交互的目的；

2)將采集到數據顯示的同時進行數據的整理存儲，以便用戶可隨時查看歷史數據；

3)針對溫濕度多點采集數據進行簡單處理分析，能夠清楚地了解到各節點溫濕度變化曲線，以便農戶對育秧棚環境狀況的簡單判斷；

4)根據數據判斷，當棚中央幾個采集節點平均溫度超出設置的溫度上下限一段時間后提醒用戶，用戶可根據系統數據做出舉措；

5)實現用戶在遠程計算機的界面監控功能。

圖5 系統軟件程序流程圖

3.3 系統監控界面

連續運行程序，點擊開始采集按鈕，實時顯示育秧棚內各點溫濕度情況，以及棚外溫濕度和棚外光照強度數值，如圖6所示。

圖6 上位機監控界面

同時，用戶可根據水稻育秧不同時期內所需的溫濕度環境不同，來設計不同的溫度報警上下限值。當棚中央節點平均溫度超出設置范圍一段時間時，報警燈亮，且引發計算機發出生響聲通知，用戶可做出相應的卷簾起落措施調節棚內溫濕度。系統還可顯示大棚內各截面平均溫度變化曲線圖，用戶也可隨時查看存儲的歷史數據，并可查看歷史溫度曲線圖供用戶對環境情況分析提供參考。

3.4 數據存儲與Web遠程發布

由于系統數據采集量大，為方便用戶查看和分析歷史數據，采用LabVIEW專用的LabSQL工具包(無需SQL語言)即可快速、方便地建立與數據庫的連接，實現了歷史數據存儲、查詢和歷史數據曲線顯示等功能。該系統通過LabVIEW自有的Web發布功能(見圖7)，在運行的計算機上配置需要發布的VI,啟動Web服務器，生成html文件。遠程客戶端計算機無需安裝LabVIEW軟件，像瀏覽網頁一樣查看和控制該大棚內監控系統，從而實現遠程多客戶端的訪問。

4 實驗分析

將該系統置于長106m、寬13m、高3.5m南北走向的水稻育秧大棚內測試，天氣晴，西風3m/s。采集節點均選擇離地面20cm處略高于水稻秧苗的作物區(見圖8)，以3×4網格形式分布在育秧棚內。5月份水稻育秧棚內外溫度均比較高，在上位機界面電機開啟卷簾按鈕，選取大棚卷簾卷起后每隔1h的溫度數據，得到大棚內各節點不同時刻溫度數據，如表1所示。

圖7 Web發布網頁設置

圖8 大棚內溫濕度測量點分布圖

將大棚內各采集節點按橫向和縱向分類，把每一截面上采集節點溫度數據取平均值且與外界溫度做對比，結果如圖9和圖10所示。

表1 各節點不同時刻溫度數據Table 1 Each section different time temperature data ℃

圖9 大棚橫向各截面平均溫度

圖10 大棚縱向各截面平均溫度

由以上圖表可以看出：大棚內溫度整體分布比較均勻，棚內溫度與外界溫度變化趨勢一致，全天溫度最高值出現在14:00附近。靠近大棚卷簾的溫度比中間溫度低，且迎風側溫度低于背風側溫度，靠近兩側門的溫度略高于中間溫度。按照同樣的方法分析棚內作物區各采集節點濕度數據，濕度分布情況則相反，溫度高的地方濕度較低。

5 結論

本設計將傳感器技術、無線通信技術、單片機技術和虛擬儀器技術相結合，建立一套完整的水稻育秧大棚環境多點采集系統。試驗表明：系統反應靈敏，運行可靠，數據不丟包，實現了對育秧大棚內環境詳細具體的監測，依照數據的統計、查看、分析，以及溫度上下限預警提示調控卷簾，實現秧苗生長環境的通風和換氣。