Matlab课程方案设计书

1、作者：Pan Hon glia ng仅供个人学习1.国内温室环境测控系统现状农业与工程学的结合，产生了设施农业。借助于工程技术的发展，1949年,美国植物生理与园艺学家 we nt在加州的Pasade na技术中心建立了世界上第一座 能控制温度、湿度、光照和气体成分的植物人工气候室。设施农业作为农业可持续发展的一个重要途径，已经成为农业现代化的一个重要标志。目前，我国农业正处于从传统农业向高产、优质、高效为目的的现代化农业转化的新阶段， 需要 形成具有我国特色的技术和设施体系， 实现大规模的商品化生产。而微型计算机 强大的软硬件逻辑功能，高性价比和高可靠性为温室自动管理提供了强有力的手 段，也

2、为实现温室的标准化，自动化奠定了基础。如何利用传感器技术，自动检 测技术，通讯技术，计算机技术的发展和温室栽培技术的推广研制出对温室温度， 湿度，光照，co浓度的智能测控和人工调控系统，为作物提供最佳的生长环境， 一直是农业工程面临的重要问题。为了提高我国设施农业水平，加快农业现代化建设，自70年代未以来，我国 先后从荷兰、以色列、法国、美国等温室生产发达国家引进了各种类型的现代化 温室，并建立了不少现代农业科技示范园区。 从总体上看，我国温室设施计算机 应用，从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。目前，我国温室环境控制系统的架构方案有以下几种口。1. 基于可编程逻辑控制

3、器（PLC）的温室控制系统，由上位机、PLC数据采 集单元及执行机构组成。PLc主要用于动态、实时监测室内外环境因子的变化， 根据作物生长的要求对参数进行匹配，同时完成与上位机的通信。2. 基于单片机的控制系统，以单片机为主控板，一般以McS5l系列为基础， 从数据米样到算法控制都是由单片机完成。3. 基于工业控制机（IPC）的温室控制系统，是由工控机、各种传感器及执行机构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。工控机基本配备了各种接口板，采 集、控制和通信功能都由其来完成，能对温室各参数和变量进行有效控制。IPC具有标准通信接口，为温室的群控和网络化的实现提供了方便。4. 嵌入式Linux系统，

4、采用Pc系列模块，多任务且有丰富的网络支持。5 .集散型温室控制系统（DcS），有系统网络、现场控制站、操作员站和工程 师站，分别完成数据采集、控制、监视、报警、记录、系统管理等功能。这些节 点通过网络连接在一起，组成一个完整的系统，以此来实现分散控制、集中管理、 集中监视的目标。6.现场总线控制系统（FcS），在智能化测控设备之间实现双向、数字式、多 节点的串行通信技术，将专用微处理器置入测量控制仪表中， 把多个测量控制仪 表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量 控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之削，实现数掘传输、信启、交换、 远程登录、远程访问，形成

5、满足各种实际需要的自动控制系统。我国市场上现在出现的智能温室环境监控系统产品有 L. T/wS一2000温室 智能环境全自动控制系统，GCS 1型智能化温室自动控制系统等控制系统和 LT /wSK s 1 A温室控制器，LTywSK PLc温室控制器，FPs-1温室控制器，Sun 一一 1 6B型智能温室监控仪等温室控制器。这些产品在一定程度上满足了温室环境 控制的要求。但它们成本较高，价格昂贵，而且系统整体抗干扰性差，功耗高， 调节能力有限。特别是在浙江夏季高温高湿的环境中容易发生死机复位等现象， 给生产和收益带来负面影响B “。总体来说，近年来我国智能温室环境测控技术有很大的发展，但自行开

6、发的测控系统技术水平和调控能力与发达国家还有一定差距。主要表现在：一是缺少温室结构的标准化体系，不同的结构和发备给控制系统的研制带柬了一定的困难； 二是大部分只实现了单因子的简单控制功能， 多冈子综合控制能力差：三是软件 控制策略方面很少与我国气候特点相结合。因此，实现设施设备的标准化、系列 化，利用各种先进技术开发与当地的气候条件相适应的温室环境多因子智能综合 测控系统是目前国内温室测控技术的发展方向。2虚拟仪器技术和LabVIEW虚拟仪器是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求来定义和设计测试功 能的仪器系统。它建立在有限的硬件基础上，由用户利用软件编程技术实现仪器 的各种功能。随着计算机

7、技术的飞速发展，计算机与传统的仪器仪表结合成为一种趋势，其强大的功能是传统仪器所无法比拟的（表1-1）。比较项目虚拟仪器传统仪器灵活性开放性、灵活，可与计 算机技术保持持冋步 发展封闭性、仪器间相互配合较差升级的自由度系统升级方便、可通过 网络下载升级硬件升级成本较咼且 必须上门服务性能价格比价格低廉价格昂贵仪器功能用户自定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能与外设互连连接方便可与网络及功能单一只限连接有周边设备连接限的独立设备开发维护费用开发维护费用降至最低开发维护费用较高技术更新周期技术更新周期短技术更新周期长表1.1虚拟仪器与传统仪器比较完整的虚拟仪器系统一般可分为5个层次：仪器模块、硬件接

8、口、I ,0接口、 仪器驱动程序和测试系统软件。根据数掘采集部分和计算机的不同通讯方式，各 种数据采集和仪器控制硬件可以分为以 DA(板卡和信号调理组成的PC DA(测试 系统，以GPIB PxI、VxI、各种串口总线和工业现场总线等标准总线仪器组成的 总线测试系统。虚拟仪器测试系统的软件主要分为：仪器面板控制软件、数据分 析处理软件、仪器驱动软件和通用I /0接口软件。在虚拟仪器系统中用灵活强大 的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试 信号的产生和测量特征的分析，使仪器中的一些硬件甚至整件仪器从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能，真正实现“

9、软件就是仪器” 的理念。LabvlEw(1abomtory virtual jn slrume nt engin eeri ng workbe nch)是美国国家仪器公司(National Instmments ， NI)推出一种基于“图形”方式的集成化 程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。灵活强大的G语言提供了一个直觉式的环境.与测量紧密结合。在这个平台上，各种领域的专业工 程师和科学家们通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立高 水平的应用程序。LabvIEw针对测试测量和过程控制领域，提供了大量的仪器面板中的控制对 象，如表头、旋钮、图表等，同时提供了大量的

10、函数库供调用。LabVIEw支持多种系统平台，提供程序调试功能，可以在源代码中设置断点，在数据流连线上设 置探针。LabVIEw具有实时性。支持数据采集板和GPIB串口设备、VxI仪器、PIC、 工业现场总线以及用户特殊的板卡，免费提供世界各大厂商的600多种GPIB仪器、 串口仪器、vxI仪器、cAMMAC备的驱动程序。它提供DLL库接口和cIN代码调用 来使用户有能力在L曲VIEw平台上使用其它软件平台(如C)编译的模块。目前，LabVIEw在道路车辆、航空航天、生物医学、工业控制、电子电信、 能源水利等各方面都有广泛的应用。基于以上对我国温室测控技术的分析，本文作为基于嵌入式技术低成本适

11、用性设施农业环境测控系统的管理控制部分的其中套上位机系统，以LabvIEw为软件平台，进行温室环境测控系统的设计。1 通过单片机与Pc机的串行通讯，实现温室环境参数的采集，保存，显示 以及对温室执行机构的自动控制。2 提供各参数设置界面，包括目标值设置，设备参数设置，报警参数设置等，与实际温室结构和种植作物相结合， 使用农艺专家的知识库作为参考，实现 环境参数的即时设定，更有效地对温室进行自动监控。3提供自动控制、手动控制和现场控制三种方式，用户可以根据需要选择。4在数据库中建立历史数据库表，目标值数据库表和专家知识库表等，实 现对数据库记录的添加、检索、删除等功能。5 实现网络化远程界面控制

12、。3温室测控系统总体方案3.1测控系统设计要求建立基于虚拟仪器环境LabVIEW勺温室环境智能测控系统，应该体现出以下 特点：1一个温室环境测控系统可以控制多个环境参数和对象设备，不同的对象 和设备均有不同的要求，而且也会不断更新。所以要求系统设计尽量标准化、模 块化，有一定的通用性，不必改动太多就能适应新情况。如采用通用总线结构， 留出足够的上、下位机通信通道，便于扩展。2 运用测控方面的先进技术，选用价格合理的设备，结合课题应用智能传 感器，嵌入式系统，网络技术等提高系统性价比，缩短丌发周期。同时要求操作 和维护方便，人机界面友好。3 要求系统运行稳定可靠，将自动控制和手动控制、现场控制相

13、结合，当 自动控制系统出现故障时，使用其他控制方式，温室仍可进行的生产操作。3.2测控系统设计方案本文测控系统由上位PC机和下位单片机PICI6F873A和PICI6F877A组成，主要 的设计任务是上位机的测控系统软件。在工作过程中，传感器对温室环境因子进 行监测，下位机可独立完成数据采集和信号预处理，经串行通信传给上位机，或者接受上位机的命令，对继电器或电磁阀等驱动设备进行丌关操作，控制现场天窗、风机、补光灯等执行机构。上位机以虚拟仪器 LabvIEw为软件平台，开发温 室环境监测控制系统，实现对环境参数的采集、存储、显示、打印等功能，设置 作物和环境参数的上下限，并通过控制策略调节环境。

14、整套系统不问断循环使用， 实现对温室环境的自动实时监测和控制。整个测控系统的框图如图3 1所示：图31系统结构框图4温室测控系统软件设计和管理4. 1测控系统软件开发环境LabVIEW在基于文本的编程语言中，程序的执行依赖于文本所描述的指令，而LabvIEw 使用G语言图形化编程，是用数据流编程方法来描述程序的执行，执行顺序是依 方块图问数据的传递来决定的。本文的温室环境测控系统就是建立在LabVIEW勺平台上。LabvIEw的程序由前面板和流程图两部分组成。在计算机显示屏幕上利用 LabVIEW!供的功能库和开发工具库产生一个交互式图形化的用户界面称为前面 板(From Pallel)，即仪

15、器的虚拟面板。前面板包括旋钮，按钮，图形，图表和 其他的控制与显示对象。用户可以使用这些图标启动程序、 使用鼠标或键盘向面 板输入数据，显示测试计算结果和测试曲线。流程图 (Block Diagram)包括虚拟 仪器程序的图形源代码，由端口、节点、图框和连线构成。其中端口用柬与程序 前面板的控制器和指示器传递数据，节点用来实现函数和功能的调用，图框用来 实现结构化程序命令，而连线则代表程序执行过程中的数据流。在流程图中利用图形化编程语言+编制程序框图，完成算术和逻辑运算，构成一个VI(VirtualI nstmme nt)，与前面板相对应。LabvIEw开发环境具有一系列优点，从流程图式的编程

16、，不需预先编译就存 在语法检测和调试过程使用的数据探针，到其丰富的函数、数值分析、信号处理 和设备驱动等功能，都为人称道。LabvIEw具有结构化和模块化的特点。结构化 是指LabW EW勺程序完全支持顺序结构、循环结构和条件结构三种标准结构，模 块化是指它的每一个vI都可以作为顶层程序，也可必作为其他程序的子程序被调 用。4. 2测控系统软件总体设计系统软件由主要功能模块、数据库管理和网络远程控制三部分组成。 其中系 统功能包括了数据采集显示、参数设置、设备控制、历史曲线报表和系统帮助五 大模块。除了系统帮助外，其他模块都涉及数据库的操作，包括数据库表格的建 立，记录的添加，查询检索等。系统

17、软件框图如图 4-1所示。图41系统软件结构框图4. 3测控系统软件主要功能模块4. 3. 1运行主界面系统在LabVIEW勺环境下运行。开始运行时，首先出现欢迎界面 （图42） 点击“进入系统”后就可直接进入主程序界面。主程序界面包括菜单栏，温室状态模拟显示，室内参数峪测显示，室外气象站米集显示，设备运仃状态显示，报方式选择以及系统时间几个部分，女口图4-2系统欢迎界面警信息显示，控制 图4-3所示。图4-3系统运行主界面菜单栏用来选择系统的功能，包括温室选择，数据采集，参数设置，历史报 表曲线和系统帮助几个模块。室内参数监测和室外气象站分别用来表示室内传感 器采集到的室内温度、湿度、光照度

18、、 cO,浓度，土壤湿度，营养液ECffi pH值, 以及室外气象站采集到的大气温度、湿度、太阳辐射强度、风速、风力、风向和 南量，用表盘或滑动控件进行显示。设备运行状态用束显示温室内各执行机构的 运行情况，当灯点亮时为开。报警信息用来显示温度、湿度、光照度、cO,浓度和营养液ECS是否超过设定的报警上限或下限。 当超限时，红灯点亮，系统发出 蜂鸣声，用来提醒系统管理者注意。温室状态模拟显示用来动态地显示温室内相关设备的运行情况。如当需要打开外遮阴时，代表外遮阴幕的控件就会显示拉丌的效果：需要打开加热管时，加热管就会显示红色，而阀门变成绿色表示处于畅通状念。控制方式包括自动控制、 手动控制和现

19、场控制，用户可以根据需要选择。系统时间用来标定与校准系统运 行时间。4. 3. 2LabVIEW中的串口相关函数在串口通信中，将Pc机的串口驱动后，LabVIEW中有封装好的串口函数模板 可以调用，包括串口初始化函数、串口读函数、串口写函数、结束串口读写函数 和串口中断函数（图44） o其中，串口初始化函数用来设置串口的各种参数， 如 串口号，波特率，数据位，奇偶校验位，停止位，握手信号类型等。图4-4串口相关函数4. 3 . 3数据采集显示流程在数据采集模块中，用LabvIEw将串口初始化后，根据串口通信协议与单片机进行通信，实现温度、湿度、光照的数据采集（图4 5） o图4-5数据采集流程

20、图采集到的数据传到三个参数的全局变量， 以便其他子程序调用。通过全局变 量与数据库的连接，将温度、湿度和光照度保存到数据库的数据表中，然后显示 在主程序面板的室内参数监测模块中。4. 3. 4参数设置模块在进行数据采集前，首先要对温室内的参数进行设置，爿能达到控制的目的。 参数设置模块一般都有默认值，选取温室控制中的基本设置，一般用户不需要修 改。如果温室控制有具体特殊的要求，则可以由相应的温室环境或农艺专家进行 设置。在主程序菜单栏中选择参数设置。 其中当前设置又包括采样间隔设置参数 设置（图46）。弹出的子菜单包括当前设置和知识库设参数目标值设置，设备参数设置和报警图4 6参数设置菜单4.

21、 3. 4采样间隔设置图46参数设置菜单采样间隔设置包括与单片机通信过程中， Pc机读取串口 缓存中数据的时问间隔设置以及数据保存在数据表中的时间轴设置。 其前面板与 后面板如图47和图4. 8所示。图4-7采样间隔设置前面板图4-8采样间隔设置流程图4. 3 . 5参数目标值设置对于不同的作物，环境参数有不同的要求。即使是剥同一种作物，在不同的 生长阶段，在一年中不同的月份，在一天中不同的时阳 J,对周围环境的要求都 不同。各环境参数除需要实时监测外， 还需要进行范围的设定。目标值设置是根 据季节的不同，把一天分为四个不同的时问段。每个时间段都有不同的目标参数。 用户可以根据这个参数，设置设

22、备的开关上下限值，控制执行机构来凋节温室内 环境的变化。程序运行时，首先要求设置季节开始日期（图49），根据当年的情况随时修 正。然后把不同季节中的每一天分成四个不同的时间段，可以根据季节的变化任意调整，并分别对应每一时问段的温度、湿度、光照度和 Ca浓度参数，作为控制 环境的目标值（图4. 10）。程序会在数据库中分别建立四个季节的数据表，用来 存放不同时间段的目标值，以便调用参考（图411）。图4-9选择季节开始日期图4-10设定不同时间段的目标值图4-11目标参数设置流程图4. 3. 6设备参数设置温室内执行设备的开关是用来调节温室环境的。什么时候开，什么时候关， 开多少角度多大幅度为宜

23、，是温室中环境参数的控制逻辑思想。对于现代化温室 这样一个受环境和生物等多种因子共同制约的复杂系统来说，依靠人工操作或者传统的机械控制来整合各子系统几乎是不可能的，而依靠各单一环境因子控制系 统来控制各子系统也不能很好地实现各子系统协调运行和最优控制，所以现在研究较多的就是温室内多参数多态组合的控制策略，使温度、湿度、光照度和C0,浓度得到优化控制。用于温室中的控制算法，包括神经网络模型和PID控制算法，模糊控制算法， 能量平衡方程和积温控制策略等。 模糊控制属于智能控制，是自动化领域中较为 活跃的一种控制。它的主要特点是将对象与控制模糊化、离散化、语言化。传统的精确控制需要准确的对象描述，在

24、数学建模时常常要做很多假设，使模型的可信度降低。在我们现实生活中，有一些用常规控制办法难以控制的对象， 而有经验的操作人员进行手动控制，却往往可以收到令人满意的效果。在操作人 员的控制经验中，“开大”、“关小”、“关的很小”这些表示某些动作的概念都具有模糊性，这些规则的形式F是模糊条件的语句的形式，可以用模糊数 学的方法描述过程变量和控制作用的这些模糊概念及它们之恻的关系，又可以根掘这种模糊关系及某时刻过程变量的检测值（需化成模糊量），用模糊逻辑推理的 方法得出此时刻的控制量。所以，模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模 型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用

25、计算机来实现的一种智能控制。它不需要建立被控对象的数学模型，系统的鲁棒 性强，适合于非线性、时变、滞后系统的控制。因此，对温室环境系统采用模糊 控制非常合适。在LabVIEw中，可以选购专门的控制策略工具包，对温室环境测控系统进行 控制策略的调整。本系统最主要是实现系统的各项功能，所以控制参数都简化为 单纯的开关量控制。即当采集到的某个环境参数超过设定的目标值，或不能满足温室环境控制要求时，用简单的开启或关闭温室内的执行机构来完成对环境的调 控。这些参数限值的设定，部分来自丽水农科所温室项目的要求， 部分来自专家 的知识库以及操作人员的温室管理经验。设备参数设置界面图如图4-12所示。图4-1

26、2设备参数设置界面把温度作为主控因素，关系着遮阴保温系统，自然通风系统和降温系统等执行设各开关。空气湿度和土壤湿度以及营养液电导率关系着灌溉系统的控制，同时辅以补光、补气等设备进行环境因子的综合调控。以外遮阴为例，当温度达到设定的外遮阴温度上限时，测控系统就会发信号给驱动执行机构的下位单片机 PICI6F877A，去打开外遮阴；而当温度达到设定的外遮阴温度 F限时，测控系统 就会发信号要求关闭外遮阴。上下限的设定避免了执行设备的频繁开关。 设备参 数设置流程图如图4-13所示。图4-13设备参数设置流程图4. 3. 7报警参数设置在温室环境控制的过程中，有时候会出现某个环境因素特别偏高或偏低，

27、 比 如华东地区的夏季，没有及时进行降温措施会产生温度特别高的现象。或者某些 设备出现故障，自动控制无法及时开启设备，导致某些环境参数值超标。这时候 就需要系统具有自动报警功能，及时提醒系统管理者环境参数超标，以便及时检 查相关设备和控制。报警参数的设置包括报警上限，报警下限，确认时间和持续时削。当采集到 的室内环境参数高于上限或低于下限持续一段时涮后，系统就需要在主程序面板 上点亮报警灯，并发出报警音。报警参数设置的前面板和流程图如图 4-14和图 4-15所示。图4 14报警参数设置界面图4 一 15报警参数设置流程图4. 3. 8知识库设置根据对温度的不同要求，园艺作物可以分为丽 4寒性

28、、半耐寒性和不州寒三 类根据对水分的要求和吸收能力， 可以分耐旱作物、漏生作物和中生作物；根据 对光照强度的要求，可以分为喜光作物，喜阴作物和中性作物；根掘对光周期的 反应，可以分为作物分为长日照作物，短闩照作物和中同照作物。由于各地气候 条件的差异，即便是在温室这样一个可控的环境中栽种， 各地的温室栽培作物也 大不相同。不同的作物有各自的品种、产地、生长阶段等特性，并且它们所需的 环境条件也大不相同。温室作物知识库作为个农艺专家建立的作物信息数据库，给温室环境控制 的操作者以建议。用户可以自己新增作物记录，也可以调用数据库中的知识库表 格，查看不同作物在不同生长阶段所需的环境参数，更准确地设

29、置设各控制的相 关参数。关于知识库的设计将在本章数据库的小节中涉及。图416和图4-17分别表示了作物知识库设置的前面板和流程圈。图4-16作物知识库设置界面图4-16作物知识库设置界面图4-17作物知识库设置流程图5总结设施农业是农业现代化的一个重要标志。 建造温室的目的是模拟一个适于生 物生长的气候条件，创造一个人工气候环境，以消除对作物生长不利的环境因素 来促进作物生长，使其部分或全部克服外界气候的制约， 从而缩短农作物的生长 周期，提高作物的产量，获得可观的经济效益。为了使温室的温度、湿度、光照 度和c 口浓度更广泛地适合农作物的生长，我们就必须对温室的环境因子实施 有效的监测和控制。

30、本文作为基于嵌入式技术低成本适用性设施农业环境测控系统管理控制部 分的上位机系统之一，以LabvIEw为软件平台，主要进行了温室测控管理系统的 设计。全文总结如下：1 温度、湿度、光照度和cq浓度是影响温室内作物生长最主要的环境因子。测 控系统的硬件部分需要选择采集这些环境因子适合的传感器和调节温室内环 境的相关执行机构。2 虚拟仪器与传统仪器相比，开发和维护费用低，技术更新周期短，软件在仪 器中起着关键作用，在开放性、灵活性方面与计算机同步，可重复使用和配置。 本文在LabVIEw虚拟仪器开发平台的基础上，设计了温室环境监测控制系统软 件。3. 系统通过下位单片机与上位 Pc机的串行通信，将

31、传感器采集到的温室环境参数经单片机处理后导入LabvIEw，实现了数据的采集、保存、显示和对温室执行 机构的控制以调节温室环境，同时实现了各参数的设置和历史曲线的读取。4. 结合数据库技术，将LabvIEw与Micros on Access数据库相连，实现了强大的数据管理功能，在数据库中建立历史数据库表，目标值数薪j库表和专家知识 库表等，实现对数据库记录的添加、检索、删除等功能。5. 实现网络化远程界面控制，利用LabVIEw的web Publishing工具将测控系统界面发布在w曲页面上，使得远程客户端可以通过浏览器实现对现场温室的监 测和控制，实现真正意义上的虚拟仪器。6. 整个系统操作

32、界面友好，开发维护方便。采用模块化的结构设计，对软件进 行一定的功能扩展后，也可用于储藏保鲜、组织培养等其他环境的监测与控制， 具有较强的通用性和适应性。虚拟仪器技术的出现为测控系统的研制开辟了一条新的途径。 温室测控管理系统 的设计实现，能方便直观地对温室环境进行全自动综合智能测控， 对实现设施农 业工厂化生产和现代农业有着重要意义。6.展望随着虚拟仪器技术和测控技术的不断发展， 温室内环境测控技术也不断发展和变 化，其功能必将大大拓展。本文对温室环境测控技术的研究结果， 有待在实践中 加以验证、应用及进一步完善。本文系统在以下几个方面还可以进一步完善：1. 影响温室环境的因素复杂多变，需要

33、进一步分析和综合温室环境各个参数之 间的相互联系、相互影响，完善专家系统，选择最适合的温室环境控制方式，增 加控制的级数，更有效实现温室内的环境调节，提高作物种植的智能化决策水平。2. 结合计算机技术及现场总线和网络通信技术，进一步实现多机通信，实现对 多个温室的智能化、网络化控制管理。3. 结合具体的作物试验，在实践中应用本文研究丌发的系统，进一步增强系统 的可靠性和可扩展性，并逐步完善。版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理。版权为潘宏亮个人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures, and desig n. Cop