LabVIEW平臺在植物生長環境監測系統設計的應用

蘇州大學機電工程學院 管 理

針對植物生長環境的復雜性，結合植物生長特性，本文基于LabVIEW平臺建立了植物生長環境檢測系統。該系統對于提高單位面積的耕地作物產物、實行立體式的種植以及利用家庭庭院、室內種植等具有重要指導意義。

隨著人民生活水平的提高，人們越來越注重蔬菜瓜果的品質。一方面是工業化和城市化所導致的耕地面積減少，一方面又要保障菜籃子安全，讓人民吃上“放心菜”，這一全球糧食問題要求我們突破傳統的種植方式。目前，植物的栽培主要依賴于人工，針對此問題本研究在植物工廠概念的基礎上，設計出一套植物生長環境監測系統，實現了植物工廠的自動控制。

1 植物工廠影響因子分析

植物工廠采用封閉式的立體結構對植株進行栽培，不同的環境因素對植物生長的影響差別很大，下面對植物工廠中的環境因素進行分析。

（1）溫度對植物的影響

溫度對植物的生長有著至關重要的作用，植物的光合作用和呼吸作用要求溫度在合適的范圍內才能達到最大生長效率。一般植物生長的最適溫度為20-30℃。

（2）濕度對植物的影響

植物工廠內的濕度影響植物的蒸騰作用，空氣中的相對濕度過大，則會引起植物病害的發生。一般空氣相對濕度在20%到50%時能使植物長勢良好。

（3）對植物的影響

作為光合作用的原料，能提高光合作用的效率。空氣中的含量過高，會抑制光合作用，使植物“窒息”停止光合作用。一般植物進行正常生理活動的為1000ppm。

（4）光照強度對植物的影響

光照強度影響著植物生長速度及生長形態，植物的光合作用隨著光照強度的升高而增強，合理調控光照強度的大小，光照周期對植物生長具有重要意義。

（5）營養液對植物的影響

營養液直接影響植物生長的質量，合理的營養液溫度、最優的酸堿度配比是植物生長的基礎。對于植物在生長過程中出現長勢弱化的現象，可以通過對營養液中某一元素的調整來改變植物的生長趨勢。

2 植物工廠系統設計

2.1 控制系統功能設計

如圖1所示，植物工廠系統由控制器、傳感器、人機交互模塊、電源模塊、輸出執行機構組成。傳感器模塊能夠對植物工廠內的環境進行檢測，通過變送器將信號轉化為標準信號送控制器處理。通過控制器的分析決策，對輸出模塊進行調節，使環境因素達到植物生長的最優狀態，實現對種植環境的自動化管理并通過WiFi模塊接入云平臺，基于Labview編程搭建一套對植物工廠的遠程監測系統。

圖1 系統功能圖

2.2 控制系統算法分析

模糊控制不依賴于被控對象的精確數學模型，就能簡單的設計出系統的控制方式。在植物工廠系統中，環境參數的時變性和復雜性使得其模型很難建立，應用模糊控制可以方便的對系統進行控制。如圖2所示，本系統把溫度、濕度、光照強度、營養液濃度作為模糊控制的輸入端，將濃度作為輸出，實現對濃度的精準控制。

圖2 模糊控制原理圖

2.3 控制系統工作方式

控制器的采樣周期為10s，采用卡爾曼濾波對采樣數據進行處理，再根據模糊控制模型對植物工廠內的輸出執行機構進行調控。

補光模塊采用RGBW多色光LED光源實現可控光譜的補光方案，通過控制多色LED燈珠的紅綠藍白單元的驅動電流，在植物生長的不同階段調整補光光譜，促進植物生長或結果，提高單位產量。

灌溉控制器控制水分的失散，使土壤水分含量保持在合適有效范圍內，農作物的灌溉水量由植物蒸發散量和土壤水分散發量所決定。根據不同生長周期植物的需求量和特定的生長環境因素，在不同時段內設置土壤水分張力的上限和下限，當土壤處于張力下限時，控制器控制水泵出水，從而實現定量不定時灌溉管理。

3 基于LABVIEW的上位機系統

通過對植物生長發育的深入研究，在實驗室中模擬出了一個小型的植物生長系統，圖3為電腦端軟件設計。本系統采用LabVIEW軟件設計和數據采集卡的硬件設計相結合，搭建了植物生長環境測量系統。

圖3 電腦端軟件設計

總結與展望：本文基于Labview設計了一套植物工廠的檢測系統，對于植物工廠智能控制，實現植物工廠普及具有重要意義。在控制方式上選擇模糊控制，智能化程度不高，可以引入神經網絡對系統進行控制，提高系統穩定性；同時，可以建立植物數據庫，對缺乏農業知識的使用者提供便利。