劉玉芹，徐海華

(1.江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.山東大學(xué)軟件學(xué)院，山東 濟南 250101)

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]；利用計算機強大的圖形環(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、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。計算機采用LabVIEW軟件平臺對溫室環(huán)境進行實時監(jiān)測顯示,并進行數(shù)據(jù)處理、存儲及智能控制等?？傮w設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計方案

安裝在大棚內(nèi)的攝像頭經(jīng)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(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，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、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、攝像頭、步進電機(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

通過溫度傳感器采集大棚內(nèi)的溫度，由數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換。LabVIEW控件對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進行采集、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)口相連的步進電機。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

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)采集卡與計算機的USB口相連。LabVIEW控件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析決策，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。

圖4 濕度控制框圖

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)，必須將光照強度控制在一定范圍內(nèi)，否則光照太強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

光照傳感器對大棚內(nèi)的光照信息進行采集，同樣經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡，在計算機上顯示，并通過LabVIEW界面設(shè)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(xiàn)卷簾的卷起與放下，從而使得大棚內(nèi)的光照強度穩(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

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，不用進入大棚內(nèi)就可以判斷是否需要進行除草、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

圖8 子程序流程圖

程序開始運行時，攝像頭對大棚內(nèi)作物的生長情況進行監(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，確定電機的正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)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(diào)制(pulse width modulation,PWM)控制電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)通風(fēng)機構(gòu)的穩(wěn)定開閉和卷簾機構(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

試驗數(shù)據(jù)的獲得是在作物實際生長環(huán)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(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)

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。