基于LabVIEW的溫室大棚遠程智能監控系統設計

劉玉芹，徐海華

(1.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.山東大學軟件學院，山東 濟南 250101)

0 引言

在農業生產中，溫室大棚種植技術在全國不斷推廣，溫室大棚的數量不斷增加。隨著溫室大棚的廣泛應用，如何提高種植戶的生產效率、減少管理成本，引起了人們的關注。國內學者紛紛提出了各種溫室大棚智能控制系統設計方案[1-3]。所謂溫室大棚智能控制，就是通過先進科學技術,調節農作物生長所需的各種環境條件,如溫度、土壤濕度、光照等環境參數,從而使農作物處于最佳的生長環境,以提高生產效率。因為我國溫室大棚自動控制技術發展較晚，且我國農民的文化水平大多不高，所以需要設計一種易操作、易理解的控制系統。針對這一問題，本文設計了基于LabVIEW的溫室大棚遠程智能監控系統[4]。

該智能監控系統以LabVIEW作為主控軟件，結合傳感器技術[5]、測控技術及計算機技術，實現溫室大棚環境控制和管理的智能化和科學化[6]；利用計算機強大的圖形環境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，使系統具有友好的人機交互界面，讓用戶操作更加簡單、便捷。系統具有較好的實用價值和應用前景。

1 系統總體設計

本設計系統硬件主要包括計算機、攝像頭、溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器、卷簾升降模塊、電磁閥通斷模塊、通風模塊、數據采集卡。計算機采用LabVIEW軟件平臺對溫室環境進行實時監測顯示,并進行數據處理、存儲及智能控制等。總體設計方案如圖1所示。

圖1 總體設計方案

安裝在大棚內的攝像頭經USB端口與計算機連接，拍攝的圖像顯示在LabVIEW前面板上，使用戶可以直接看到大棚內的情況。溫度傳感器和光敏傳感器安裝在大棚內、土壤濕度傳感器插在土壤里。所有傳感器采集的數據經過數據采集卡輸入計算機，它們的動態曲線顯示在前面板，傳感數據被實時顯示。系統前面板還設有自動/手動切換按鈕。當前面板設為自動時，LabVIEW將讀入的溫度值、濕度值以及光照值等進行處理，通過數據采集卡的數字量輸出端口送給相應的執行機構，完成控制這些參數的目的；當前面板設為手動時，可以在前面板上手工設定輸出值，實現手動控制。

此外，LabVIEW的前面板上設有農作物類型和生長階段的選項框，在對應的選項框中輸入農作物名稱和生長階段，系統會自動生成此時最適合該農作物生長的濕度、溫度、光照參數值，使得系統更具可操作性。

2 系統硬件設計

系統硬件主要包括計算機、傳感器、數據采集卡、攝像頭、步進電機(包含驅動模塊)、電磁閥等。

2.1 溫度量的信號調理與控制

溫度是關乎農作物生長、發育的重要因素之一，適宜的溫度[7]有利于農作物的光合作用產物積累。本系統采用熱電阻Pt100來檢測溫度。Pt100的信號調理電路如圖2所示。

圖2 Pt100的信號調理電路

通過溫度傳感器采集大棚內的溫度，由數據采集卡進行A/D轉換。LabVIEW控件對轉換后的數字量進行采集、處理，向數據采集卡輸出合適的控制量，從而控制與通風口相連的步進電機。通過調節通風口的開閉，調節溫室內的溫度。溫度控制框圖如圖3所示。

圖3 溫度控制框圖

2.2 濕度量的獲取與控制

土壤濕度對農作物根部的水分吸收、礦物質營養的輸送起到了至關重要的作用，同時也影響病菌的繁殖。適宜的濕度能使農作物生長得更好。本系統采用可以直接插在土壤里的濕度傳感器(YL-69)測量濕度，其表面采用鍍鎳處理，加寬的感應面積，提高導電性能，防止接觸土壤生銹。

傳感器模塊輸出信號通過數據采集卡與計算機的USB口相連。LabVIEW控件對監測數據進行分析決策，通過輸出高低電平控制繼電器實現電磁閥的開關，從而控制灌溉設備開閉，及時調整土壤濕度值。濕度控制框圖如圖4所示。

圖4 濕度控制框圖

2.3 光照量的信號調理與控制

光照不僅是農作物種子發芽的必要條件，而且是農作物進行光合作用必不可少的條件。因此在溫室大棚內，必須將光照強度控制在一定范圍內，否則光照太強或者太弱都會影響農作物的正常生長。

本系統采用HA2003光照傳感器，然后利用光電轉換模塊，將光照強度值轉化為電壓值。光照信號調理電路如圖5所示。

圖5 光照信號調理電路

光照傳感器對大棚內的光照信息進行采集，同樣經過數據采集卡，在計算機上顯示，并通過LabVIEW界面設定范圍對其進行分析、決策。通過對卷簾上步進電機的控制，實現卷簾的卷起與放下，從而使得大棚內的光照強度穩定在適應農作物生長的范圍[8-9]。光照控制框圖如圖6所示。

圖6 光照控制框圖

2.4 視頻監控

及時了解大棚內的各種農作物的生長情況以及各項指標參數，可以使農戶作出快速、準確的決策，迅速調節農作物各個指標的參數設定值；同時，也可以記錄參數變化。

安裝在大棚內的攝像頭與計算機相連，用戶直接在LabVIEW的前面板上通過觀看攝像頭實時采集的圖像了解大棚內農作物的生長情況，不用進入大棚內就可以判斷是否需要進行除草、施肥等工作，為用戶節約了大量的時間和精力。

3 系統軟件設計

LabVIEW軟件是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言[10]，類似于C語言和BASIC開發環境，它使用圖形化編程語言G編寫程序。主程序流程和子程序流程分別如圖7、圖8所示。

圖7 主程序流程圖

圖8 子程序流程圖

程序開始運行時，攝像頭對大棚內作物的生長情況進行監控，在選擇農作物類型和生長階段后，系統自動生成溫度、濕度、光照的設定值。對于溫度和光照，傳感器采集的溫度值和光照值經過數據采集卡轉換，與設定值比較，確定電機的正反轉。系統采用比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制，輸出不同占空比值的脈寬調制(pulse width modulation,PWM)控制電機的轉速，實現通風機構的穩定開閉和卷簾機構的穩定升降。對于濕度，當采集到的濕度小于設定值，打開電磁閥進行灌溉；反之，則無動作。

4 試驗結果與分析

首先，收集一些植物在不同階段的生長指標；然后，設定大棚內的各個參數值，并對其進行比較。典型農作物的最適合生長條件如表1所示。

表1 典型農作物的最適合生長條件

試驗數據的獲得是在作物實際生長環境條件下進行的，傳感器測量范圍為:溫度0～100 ℃；濕度20%～90%；光照0～20 kLux。這些測量范圍完全滿足正常大棚需要。取各個作物的第二生長階段進行測試，將所得測量值與控制值進行比對。

測試數據如表2所示。

表2 測試數據

由表1和表2中的數據可知:經過本系統控制后，大棚內各項指標基本上能回到適宜農作物正常生長的范圍內。

5 結論

本文設計的智能溫室監控系統以LabVIEW為開發平臺，通過以“軟”代“硬”的方式，充分利用LabVIEW的軟件資源和計算機系統的硬件資源，實現了適用于各種條件下的溫室大棚的控制和管理。系統設有自動和手動兩種控制模式，使得在啟動過程或者特殊條件下，系統都能較好地運行。同時，因LabVIEW的友好人機界面，便于操作人員使用溫室大棚監控系統，體現了LabVIEW在實際應用中的優勢。另外，本系統創造性地把各種農作物的各個階段生長指標參數以模塊的形式置入系統，通過系統界面進行自動選擇，提高了系統在實用方面的可靠性，在實際應用中具有良好的推廣性。