第42卷第1期 2021年1月 自 動 化 儀 表 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 42 No 1 Jan 2021 收稿日期 2020 05 21 作者簡介 劉玉芹 1974 女 博士 講師 主要從事測控技術(shù) 生物特征識別與圖像處理等方向的研究 E mail liuyuq2001 126 com 基于LabVIEW的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 劉玉芹1 徐海華2 1 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江212013 2 山東大學(xué)軟件學(xué)院 山東濟(jì)南250101 摘 要 為提高溫室大棚種植效率 減少管理成本 設(shè)計了智能控制系統(tǒng) 用于對大棚內(nèi)溫度 土壤濕度 光照等環(huán)境因素進(jìn)行控制 該系統(tǒng)以LabVIEW作為主控軟件 結(jié)合相關(guān)的器件和外圍電路 使種植戶在計算機(jī)上遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長情況 并采用比例 積分微分 PID 控制算法 實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)的溫度值 濕度值 光強(qiáng)值的有效自動控制 在系統(tǒng)的前面板上輸入農(nóng)作物種類和生長 階段 系統(tǒng)自動生成此時最適合該農(nóng)作物生長的濕度 溫度 光照參數(shù)值 從而保證大棚內(nèi)的溫度 濕度 光照被控制在合適的范圍內(nèi) 同時 在前面板上設(shè)置了自動 手動切換控制按鈕 保證系統(tǒng)能夠在自動或者手動控制下工作 系統(tǒng)在試驗室條件下進(jìn)行了驗證 參 數(shù)誤差最大為8 7 效果不理想 但對控制精度要求不高的溫室大棚 冷鏈物流 養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域 該系統(tǒng)仍具有一定的借鑒意義 關(guān)鍵詞 LabVIEW 溫室大棚 遠(yuǎn)程監(jiān)控 自動 手動切換 PID算法 信號調(diào)理電路 自動生成 智能控制 中圖分類號 TH70 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A DOI 10 16086 j cnki issn1000 0380 2020050044 Design of Remote Intelligence Monitoring System Based on LabVIEW for the Greenhouse LIU Yuqin1 XU Haihua2 1 School of Mechanical Engineering Jiangsu University Zhenjiang 212013 China 2 School of Software Shandong University Jinan 250101 China Abstract In order to improve the efficiency of greenhouse cultivation and reduce management costs an intelligent control system is designed to control the temperature the soil moisture the light intensity and other environmental factors in the greenhouse The system allows the growers to monitor the crop growth in the greenhouse environments remotely on the computer and adopts proportional integral differential PID algorithm to realize the automatic and effective control for the temperature the soil moisture the light intensity in the greenhouse based on LabVIEW software and associated devices Greenhouse Remote monitoring Automatic manual switch PID algorithm Signal conditioning circuits Automatically generate Intelligent control 0 引言 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 溫室大棚種植技術(shù)在全國不斷推 廣 溫室大棚的數(shù)量不斷增加 隨著溫室大棚的廣泛 應(yīng)用 如何提高種植戶的生產(chǎn)效率 減少管理成本 引 起了人們的關(guān)注 國內(nèi)學(xué)者紛紛提出了各種溫室大棚 智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案 1 3 所謂溫室大棚智能控制 就是通過先進(jìn)科學(xué)技術(shù) 調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長所需的各種 環(huán)境條件 如溫度 土壤濕度 光照等環(huán)境參數(shù) 從而使 農(nóng)作物處于最佳的生長環(huán)境 以提高生產(chǎn)效率 因為 我國溫室大棚自動控制技術(shù)發(fā)展較晚 且我國農(nóng)民的 文化水平大多不高 所以需要設(shè)計一種易操作 易理解 第1期 基于LabVIEW的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 劉玉芹 等 的控制系統(tǒng) 針對這一問題 本文設(shè)計了基于 LabVIEW的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng) 4 該智能監(jiān)控系統(tǒng)以LabVIEW作為主控軟件 結(jié)合 傳感器技術(shù) 5 測控技術(shù)及計算機(jī)技術(shù) 實現(xiàn)溫室大棚 環(huán)境控制和管理的智能化和科學(xué)化 6 利用計算機(jī)強(qiáng) 大的圖形環(huán)境 采用可視化的圖形編程語言和平臺 使 系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面 讓用戶操作更加簡單 便捷 系統(tǒng)具有較好的實用價值和應(yīng)用前景 1 系統(tǒng)總體設(shè)計 本設(shè)計系統(tǒng)硬件主要包括計算機(jī) 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(fēng)模塊 數(shù)據(jù)采集卡 計算機(jī)采用 LabVIEW軟件平臺對溫室環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測顯示 并 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 存儲及智能控制等 總體設(shè)計方案如 圖1所示 圖1 總體設(shè)計方案 Fig 1 Overall design scheme 安裝在大棚內(nèi)的攝像頭經(jīng)USB端口與計算機(jī)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(nèi)的情況 溫度傳感器和光敏傳感器 安裝在大棚內(nèi) 土壤濕度傳感器插在土壤里 所有傳 感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸入計算機(jī) 它們的 動態(tài)曲線顯示在前面板 傳感數(shù)據(jù)被實時顯示 系統(tǒng) 前面板還設(shè)有自動 手動切換按鈕 當(dāng)前面板設(shè)為自 動時 LabVIEW將讀入的溫度值 濕度值以及光照值 等進(jìn)行處理 通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出端口送給 相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 完成控制這些參數(shù)的目的 當(dāng)前面板 設(shè)為手動時 可以在前面板上手工設(shè)定輸出值 實現(xiàn)手 動控制 此外 LabVIEW的前面板上設(shè)有農(nóng)作物類型和生 長階段的選項框 在對應(yīng)的選項框中輸入農(nóng)作物名稱 和生長階段 系統(tǒng)會自動生成此時最適合該農(nóng)作物生 長的濕度 溫度 光照參數(shù)值 使得系統(tǒng)更具可操作性 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件主要包括計算機(jī) 傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 攝像頭 步進(jìn)電機(jī) 包含驅(qū)動模塊 電磁閥等 2 1 溫度量的信號調(diào)理與控制 溫度是關(guān)乎農(nóng)作物生長 發(fā)育的重要因素之一 適 宜的溫度 7 有利于農(nóng)作物的光合作用產(chǎn)物積累 本系 統(tǒng)采用熱電阻Pt100來檢測溫度 Pt100的信號調(diào)理 電路如圖2所示 圖2 Pt100的信號調(diào)理電路 Fig 2 Signal conditioning circuit for Pt100 通過溫度傳感器采集大棚內(nèi)的溫度 由數(shù)據(jù)采 集卡進(jìn)行A D轉(zhuǎn)換 LabVIEW控件對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 量進(jìn)行采集 處理 向數(shù)據(jù)采集卡輸出合適的控制 量 從而控制與通風(fēng)口相連的步進(jìn)電機(jī) 通過調(diào)節(jié) 通風(fēng)口的開閉 調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度 溫度控制框圖 如圖3所示 圖3 溫度控制框圖 Fig 3 Block diagram for temperature control 2 2 濕度量的獲取與控制 土壤濕度對農(nóng)作物根部的水分吸收 礦物質(zhì)營養(yǎng) 的輸送起到了至關(guān)重要的作用 同時也影響病菌的繁 殖 適宜的濕度能使農(nóng)作物生長得更好 本系統(tǒng)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(yīng)面積 提高導(dǎo)電 性能 防止接觸土壤生銹 傳感器模塊輸出信號通過數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)的 USB口相連 LabVIEW控件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決 策 通過輸出高低電平控制繼電器實現(xiàn)電磁閥的開關(guān) 從而控制灌溉設(shè)備開閉 及時調(diào)整土壤濕度值 濕度 控制框圖如圖4所示 78 自 動 化 儀 表第42卷 圖4 濕度控制框圖 Fig 4 Block diagram for humidity control 2 3 光照量的信號調(diào)理與控制 光照不僅是農(nóng)作物種子發(fā)芽的必要條件 而且是 農(nóng)作物進(jìn)行光合作用必不可少的條件 因此在溫室大 棚內(nèi) 必須將光照強(qiáng)度控制在一定范圍內(nèi) 否則光照太 強(qiáng)或者太弱都會影響農(nóng)作物的正常生長 本系統(tǒng)采用HA2003光照傳感器 然后利用光電 轉(zhuǎn)換模塊 將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為電壓值 光照信號調(diào) 理電路如圖5所示 圖5 光照信號調(diào)理電路 Fig 5 Light signal conditioning circuit 光照傳感器對大棚內(nèi)的光照信息進(jìn)行采集 同樣 經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡 在計算機(jī)上顯示 并通過LabVIEW 界面設(shè)定范圍對其進(jìn)行分析 決策 通過對卷簾上步 進(jìn)電機(jī)的控制 實現(xiàn)卷簾的卷起與放下 從而使得大棚 內(nèi)的光照強(qiáng)度穩(wěn)定在適應(yīng)農(nóng)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 Fig 6 Block diagram for light control 2 4 視頻監(jiān)控 及時了解大棚內(nèi)的各種農(nóng)作物的生長情況以及各 項指標(biāo)參數(shù) 可以使農(nóng)戶作出快速 準(zhǔn)確的決策 迅速 調(diào)節(jié)農(nóng)作物各個指標(biāo)的參數(shù)設(shè)定值 同時 也可以記錄 參數(shù)變化 安裝在大棚內(nèi)的攝像頭與計算機(jī)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(nèi)農(nóng)作物的生長情況 不用進(jìn)入大棚內(nèi) 就可以判斷是否需要進(jìn)行除草 施肥等工作 為用戶節(jié) 約了大量的時間和精力 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 LabVIEW軟件是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng) 用程序的圖形化編程語言 10 類似于C語言和BASIC 開發(fā)環(huán)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 Fig 7 Flow chart for main program 圖8 子程序流程圖 Fig 8 Flow chart for subprogram 程序開始運行時 攝像頭對大棚內(nèi)作物的生長情 況進(jìn)行監(jiān)控 在選擇農(nóng)作物類型和生長階段后 系統(tǒng)自 動生成溫度 濕度 光照的設(shè)定值 對于溫度和光照 傳感器采集的溫度值和光照值經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換 與設(shè)定值比較 確定電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 系統(tǒng)采用比例積 分微分 proportional integral differential PID 控制 輸 88 第1期 基于LabVIEW的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 劉玉芹 等 出不同占空比值的脈寬調(diào)制 pulse width modulation PWM 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定開閉和 卷簾機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定升降 對于濕度 當(dāng)采集到的濕度小 于設(shè)定值 打開電磁閥進(jìn)行灌溉 反之 則無動作 4 試驗結(jié)果與分析 首先 收集一些植物在不同階段的生長指標(biāo) 然 后 設(shè)定大棚內(nèi)的各個參數(shù)值 并對其進(jìn)行比較 典型 農(nóng)作物的最適合生長條件如表1所示 表1 典型農(nóng)作物的最適合生長條件 Tab 1 The most suitable growing condition for typical crops 植物生長階段溫度 濕度 光照 kLux 花生階段一12 15 40 60 5 8 階段二22 24 50 60 5 8 階段三26 30 45 55 5 8 茄子階段一25 30 65 75 7 10 階段二25 30 60 80 7 10 階段三26 33 70 80 7 10 番茄階段一25 30 65 80 7 12 階段二20 25 60 80 7 12 階段三20 30 75 85 7 12 試驗數(shù)據(jù)的獲得是在作物實際生長環(huán)境條件下進(jìn) 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(jìn)行測試 將 所得測量值與控制值進(jìn)行比對 測試數(shù)據(jù)如表2所示 表2 測試數(shù)據(jù) Tab 2 Test data 參數(shù)單位花生茄子番茄 溫度設(shè)定 23 0 30 0 25 0 室溫 33 0 34 0 35 0 控制后溫度 25 0 28 0 27 0 誤差率 8 7 6 7 8 0 設(shè)定濕度 55 0 70 0 75 0 土壤濕度 45 0 60 0 63 0 控制后濕度 59 0 74 0 79 0 誤差率 7 3 5 7 5 3 設(shè)定光照度kLux 7 0 8 5 10 0 室內(nèi)光照度kLux 10 5 15 0 16 0 控制后光照度kLux 6 6 8 9 9 5 誤差率 5 7 4 7 5 0 由表1和表2中的數(shù)據(jù)可知 經(jīng)過本系統(tǒng)控制后 大棚內(nèi)各項指標(biāo)基本上能回到適宜農(nóng)作物正常生長的 范圍內(nèi) 5 結(jié)論 本文設(shè)計的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)以LabVIEW為開 發(fā)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(jī)系統(tǒng)的硬件資源 實現(xiàn) 了適用于各種條件下的溫室大棚的控制和管理 系統(tǒng) 設(shè)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(tǒng)都能較好地運行 同時 因 LabVIEW的友好人機(jī)界面 便于操作人員使用溫室大 棚監(jiān)控系統(tǒng) 體現(xiàn)了LabVIEW在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢 另外 本系統(tǒng)創(chuàng)造性地把各種農(nóng)作物的各個階段生長 指標(biāo)參數(shù)以模塊的形式置入系統(tǒng) 通過系統(tǒng)界面進(jìn)行 自動選擇 提高了系統(tǒng)在實用方面的可靠性 在實際應(yīng) 用中具有良好的推廣性 參考文獻(xiàn) 1 張寶峰 楊雷 朱均超 等 溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè) 計與實現(xiàn) J 自動化儀表 2017 38 10 82 85 2 續(xù)文敏 韓芳芳 趙巖 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚多參數(shù) 監(jiān)控平臺設(shè)計 J 自動化儀表 2019 40 3 50 54 3 程力 郭曉金 譚洋 智能農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與 實現(xiàn) J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 2019 40 6 173 178 4 張凱 周陬 郭棟 LabVIEW 虛擬儀器工程設(shè)計與開發(fā) M 北 京 國防工業(yè)出版社 2004 5 崔顯柏 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能栽培技術(shù) J 湖北農(nóng)機(jī) 化 2018 4 19 20 6 梁金鑫 劉海英 王蘭超 等 基于51單片機(jī)的智能大棚卷簾機(jī) 控制系統(tǒng) J 齊魯工業(yè)大學(xué)學(xué)報 2019 33 6 69 73 7 鄭忠俊 鄧金權(quán) 甘輝 一種溫濕度計算機(jī)自動控制系統(tǒng) J 計 算機(jī)應(yīng)用 2002 22 1 76 77 8 王桂蓮 王佩圣 溫室大棚番茄栽培技術(shù)及常見病害與防治對 策 J 現(xiàn)代園藝 2019 24 14 16 9 唐林林 蔬菜大棚的智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) D 濟(jì)南 山 東大學(xué) 2010 10 楊振江 孫占彪 王曙梅 等 智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新 器件及應(yīng)用 M 西安 西安電子科技大學(xué)出版社 2001 98