基于LabVIEW的温室环境监控系统的开发

1、基于Lab V I E W的温室环境监控系统的开发李 铁,朱凤武,韩光辉(吉林农业大学工程技术学院,长春 130118摘 要:为了解决传统以硬件为主的温室环境监控系统的操作复杂、交互性差等问题,利用L abV IE W开发了基于虚拟仪器的监控系统。该系统实现了温室内温度、湿度的实时采集、显示和存储;同时,还提供了超限报警、历史数据查询等功能。测试表明,系统能够准确地采集和显示温室的温度、湿度,具有操作简单、交互性好和性价比高等优点。关键词:温室环境;L ab V IE W;虚拟仪器;数据采集中图分类号:S625.5+1 文献标识码:A文章编号:1003-188X(201107-0201-040

2、 引言随着社会经济的发展和科技的进步,我国农业正在由传统农业向低耗、优质、高效、高产的现代化农业转变。温室的控制与管理是农业自动化的重要领域,温室自动化主要体现在温室环境测控上,对温室环境进行自动监测,进而实现自动控制是非常必要的1。目前,温室环境监控系统的典型模式主要有2-4:基于单片机的监控系统模式、基于PLC(可编程控制器的监控系统模式、基于I PC(工业控制机的监控系统模式、集散型监控系统模式和现场总线监控系统模式等。这些监控系统主要是在硬件的基础上进行数字化处理的,在硬件内部直接传输、判断和处理,测量过程的直观性、与用户的交互性以及系统的经济性和灵活性较差,维护困难5。虚拟仪器是当今

3、测试系统发展的趋势,其核心概念就是 软件即仪器 。虚拟仪器技术的引入,为农业测试技术的发展提供了新的方法和手段。基于虚拟仪器技术的温室监控系统,将传感器技术、计算机技术和虚拟仪器技术等有机结合,将传统的仪器硬件功能集成,大大突破了传统监控系统在数据采集、处理、显示、存储方面的限制,能够很好地解决以硬件为核心的监控系统直观性、交互性、灵活性差的问题。本系统采用虚拟仪器设计思想,在Lab V I E W平台上利用传感器技术和数据采集技术,完成温室环境监控系统收稿日期:2010-09-14基金项目:吉林农业大学科研启动基金项目(2007036作者简介:李 铁(1984-,男,河北枣强人,硕士研究生,

4、(E-m ail zqli ti ehot m ai.l co m。通讯作者:朱凤武(1969-,男,吉林公主岭人,副教授,硕士生导师, (E-m ailf w z hu。的开发,实现对温室内温度、湿度等环境数的数据进行采集与分析、报警与控制及历史数据处理等功能。1 虚拟仪器与LabV I E W虚拟仪器是一个高性能、低成本的测试和自动化系统运载平台,将传统的仪器硬件功能集成,即将硬件软件化,大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制,摆脱了传统的以硬件为主的测量,实现了以软件为中心的测量6-7。虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义,具有虚拟面板、测试功能

5、由测试软件实现的一种计算机仪器系统,是计算机技术与仪器技术相结合的产物,其基础是计算机系统,核心是软件技术8。LabV I E W(Laboratory V irtual Instrum ent Eng i n eering W orkbench是美国国家仪器公司(N I,N ati o na l I nstru-m ent Corporati o n开发的一种虚拟仪器平台,是采用数据流编程方式用图标代码来创建应用程序的开发工具。LabV I E W提供了丰富的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等,在测试、测量与自动化等领域具有巨大的优势9。2 系统硬件结构系统的硬件部分由传感器、数据采

6、集卡和计算机等几部分组成。传感器将温室内温度、湿度转换为电量信号,数据采集卡采集并将采集到的信号传送给计算机,计算机将信号进行处理,处理后实时显示温室内温度、湿度值,并在温度、湿度值超过预设的安全阈值时进行报警并发出控制信号,通过控制电路控制温室内的执行机构。温室环境监控系统的硬件结构如图1所示。图1 系统硬件结构框图F i g.1 B l ock d i agra m of t h e s yste m hardw are struct u re3 系统软件设计软件部分是监控系统的核心,本系统使用Lab-V I E W9.0进行编写,采用M ircosoft Access数据库,通过ADO-

7、Too l k it工具包访问M ircoso ftA ccess数据库。ADO-Too lkit是一个免费的、源代码完全公开的用来在LabV I E W下执行数据库操作的工具包,简单易用,能够访问几乎所有支持ODBC连接的数据库,可以从http:/www.i b-berger.co m/do wn load/i b b.adotoo.l V1_ 7_3a.LV861.zip下载到目前最新的1.7.3版,支持8.6以上版本的LabV I E W。系统程序的设计使用标准的状态机、主/从模式的循环结构、生产者/消费者模式的循环结构、基于队列的状态机等多种程序结构。该系统主要由参数设置模块、数据采集

8、模块、历史数据管理模块、超限报警模块、设备控制模块以及系统帮助等几部分组成,温室环境监控系统的软件结构框图如图2所示。图2 系统软件结构框图F i g.2 B l ock d i agra m of t he s yste m s oft w are stru cture3.1 主界面用户登录系统后读取用户信息、参数配置文件等,进入主界面。主界面中主要显示的内容包括用户基本信息、系统主要参数信息、温湿度变换曲线、温湿度实时数值以及报警灯。系统运行时的主界面如图3所示。图3 系统主界面F i g.3 M ai n i nterf ace of t h e syste m主程序由几个并行的wh i

9、le循环组成,最上面的一个wh ile循环是主循环,用来响应图形用户界面(GU I上发生的事件,如点击按钮或激活菜单等。下面的是几个独立的从循环,循环间通过全局变量、队列等机制进行通信。主系统程序框图如图4所示。图4 主系统程序框图F i g.4 B l ock d iagra m of the m ai n syste m3.2 参数设置本模块的功能是进行系统参数的设置,包括采集配置、报警参数、控制方式、数据库等的设置。用户在这里可以简单方便地对系统进行配置,如设置采样间隔、设备通道号、温湿度的限值和选择控制方式等。设置好的参数值保存在.ini文件(系统配置文件中,系统启动时自动调用。另外,

10、参数设置模块还提供用户管理功能,可以进行修改密码、增删以及编辑用户等操作。温室环境监控系统参数设置模块界面如图5所示。图5 参数设置模块前面板F i g.5 Fron t panel of t h e para m eter con fi gurati on m odule3.3 数据采集数据采集模块是软件系统的核心,包括数据读取、曲线显示、数据保存等3部分。1数据读取模块提供4种采集模式。没有采集卡时可以使用随机数或从已有的文件中读取数据进行虚拟的采集;有采集卡时还可以选择对模拟输入或数字输入的实际采集。本模块将采集到的数据进行必要的处理后变换为相应的温度和湿度实际物理值,传递给曲线显示模块

11、、数据保存模块以及超限报警模块。2曲线显示模块将经过采集到的数据以波形图表和数值的形式实时动态显示在主界面,用户可以直观地观察到温湿度值的变化趋势。3数据保存模块将采集到的数据保存到A ccess 数据库以便日后查询。为避免频繁打开、关闭数据库造成的系统资源浪费,可以在参数设置模块设置合适的保存时间间隔。数据采集过程的流程图如图6所示。3.4 报警模块当数据采集开始后,超限报警模块判断采集到的数据是否长时间超出预设的安全范围,当温度、湿度值超出限值范围一定时间时,主界面上报警灯亮起,开启声音报警,并将报警记录保存到报警数据库以便 查询。图6 数据采集模块流程图F i g.6 F l o w c

12、h art of the dat a acqu isition m odu le3.5 设备控制模块当监控系统发生报警时,若选择的是自动控制模式,则向数据采集卡输出通道发出控制信号,通过控制电路控制温室内相应设备的状态以达到调整温室内环境的目的。3.6 历史数据管理模块历史数据管理模块是系统又一个重要组成部分,提供数据的修改、删除、检索和输出等功能。检索查询模块可设定查询的起始日期、时间以及温湿度值的查询范围,检索到的数据以波形图的形式显示。温室环境监测系统数据库管理模块界面如图7 所示。图7 数据库管理模块前面板F i g.7 Front panel of t h e database m

13、anage m entm odu le4 结论本系统以Lab V I E W9.0为软件开发平台,实现了对温室的温度、湿度的监控,很好地实现数据采集、处理、显示、储存以及超限报警等,通过参数设置模块可以快捷地配置系统参数,通过数据库管理模块可以方便地查询、编辑和输出历史数据。使用PC I-6251多功能数据采集卡、AHT2M1型温湿度传感器进行试验,结果表明,该系统数据显示准确、安全可靠、界面友好、操作简便、易扩展、实用性强。参考文献:1 王石磊,陈立军,郭艳玲.温室测控技术的发展及我国温室测控面监的问题J.林业机械与木工设备,2007,35(7:9-11.2 毕玉革,麻硕士.我国现代温室环境

14、控制硬件系统的应用现状及发展J.农机化研究,2009,31(3:226-229. 3 刘方,栗震霄.我国农业温室控制系统控制模式的研究J.农机化研究,2008(10:223-226.4 白春雨,张亚静,何根旺,等.我国几种温室环境监控系统的构架方案J.现代农业装备,2005(4:36-39.5 时玲,任玉灿,王步飞.基于虚拟仪器的温室环境监控系统的总体架构方案J.云南农业大学学报,2008,23(5:673-677.6 杜尚丰,李迎霞,马承伟,等.中国温室环境控制硬件系统研究进展J.农业工程学报,2004,20(1:7-11.7 周玉宏,谢云芳,索雪松.基于虚拟仪器技术的温室监控系统J.农机化

15、研究,2010,32(2:104-106.8 龙华伟,顾永刚.L abV IE W8.2.1与DAQ数据采集M.北京:清华大学出版社,2008.9 陈锡辉,张银鸿.L ab V I E W8.20程序设计从入门到精通M.北京:清华大学出版社,2007.The Develop m ent of Greenhouse Environ m e ntM onitori ng Syste m Base d on Lab VI E WL i T ie,Zhu Fengwu,H an Guanghu i(College of Eng ineeri n g and Techno l o gy,Jili n A

16、g ricult u ra lUn i v ersity,Changchun130118,Ch i n aAbst ract:I n order to reso lve the pr oble m ex isting i n the traditional har dw are-based g reenhouse env iron m entm on itoring syste m such as co mp lex operati o n,bad interactivity etc,a m on itoring syste m based on v irtua l instrum ent is developed by app l y ing the LabV I E W.The syste m can realize t h e rea l-ti m e data acqu isition of the greenhouse te m perature and hum id-i ty as w ell as data d i s play and sto rage,and a lso prov ide t h e off-gauge a lar m,h istorical data i n quire etc.The test sho w ed t