基于LabWindows／CVI的温室环境因子监控系统

2012-10-09任玉灿李长欢钱秀萍刘丽娟王新明马晓欣

河北建筑工程学院学报 2012年1期

任玉灿李长欢钱秀萍刘丽娟王新明马晓欣

（1.河北建筑工程学院，河北张家口075000；2.天津住宅集团建设工程总承包有限公司，天津030000）

0 前言

在温室内作物的各个生长时期，影响作物生长的参数很多，有温度、湿度、光照强度、CO2浓度、土壤水分、土壤营养、有害气体浓度等，其中温度、湿度、光照强度和CO2浓度是作物生长、发育最基本的要素.温度、湿度、光照强度和CO2浓度是表征植物生长的近地面空气层的环境因子，它们对植物的生长发育从不同的方面产生着作用.

在温室内，我们对温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度，这四项环境因子分别进行监测，对得到的环境参数信息进行分析和处理，从而得到合理的控制方案，以促进作物的生长、提高产品的产量和品质，抑制和减轻病虫害的发生.

1 虚拟仪器技术

虚拟仪器（virtual instrument）实际基于计算机的仪器.计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的重要方向.虚拟仪器技术是计算机系统和仪器系统技术革命的产物，它在测试测量与控制领域中占有重要的地位，并正在成为当今世界流行的仪器构成方案.

LabWindows／CVI是一个完全的ANSI C开发环境，用于仪器控制、自动检测、数据处理的应用软件.它以ANSI C为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和显示的测控专业工具有机结合起来.

本系统的搭建以LabWindows／CVI为软件开发平台，结合我国现阶段温室发展的主要特点及温室内环境因子对作物产量和品质的重要性，采用了虚拟仪器的设计思想，以LabWindows／CVI为软件基础，采用C语言，模拟实际仪器的面板设计出用户界面中的面板，是传统仪器的面板和软件界面的融合.

2 监控系统功能模块

基于LabWindows／CVI的温室环境因子监控系统的基本思想是将硬件模块软件化.主要实现数据采集、控制计算、数据查询等功能.

系统由多个模块组成，每个模块都有自己独立的功能，模块与模块之间通过控件来进行相互关联.系统功能模块图如图1所示.

对采集、控制与查询的管理，主要是通过对整个系统的采集、控制、历史数据查询等界面进行管理，完成对采集、控制、数据查询等信息的管理.同时，设置采样周期的设定和监测参数的选择功能.

图1 系统软件功能模块

图2 数据采集与控制管理模块状态转换

参数的选择和设定主要包括采集参数（温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度）的选择、采样速率的设定；数据采集、控制与数据查询功能的实现分别由采集、控制和数据查询三个控件来控制，如图2所示.

2.1 数据采集与显示模块

数据采集与显示模块，实现对温室环境参数数据的采集、显示、超限报警等功能.

2.1.1 采集与显示功能

通过“采集”、“停止”和“显示”控件，实现对数据的采集与停止的控制并对采集的参数进行数字、指针和动态曲线的显示.

2.1.2 参数设置和报警

在采集参数设置区域，设置参数控制的高低两个指标，超过极限指标时报警灯亮显示.

另外，设置传感器参数标定区域，可以在满足数据采集卡输入信号范围的条件下，对传感器进行自由选择.

数据采集主要流程图如图3所示.

图3 数据采集流程图

2.2 控制模块

控制模块包含两部分，自动控制部分和手动控制部分，可以根据需要进行选择.

温度和湿度控制采用上限和下限的控制策略，通过对报警指示灯的状态判断来对输出信号进行控制.在自动控制模式下，报警指示灯亮，则输出控制信号，对参数进行调控，报警指示灯灭则停止信号输出，执行机构停止动作.通过上限和下限控制，就可以把参数控制在用户所要求的范围之内.在手动控制模式下，通过对开关的手动打开和闭合来控制执行机构电路的通和断.

2.3 数据查询模块

监控系统不但要实现采集参数的动态显示功能，同时为了实现数据文件的离线分析，数据的管理是必不可少的.该模块可以实现对历史数据进行查询，即将保存的采样数据重新以波形和文本的方式显示出来，并对历史数据进行极值、平均值的计算.

3 系统抗干扰技术

各种形式的干扰最终会反映在检测系统的微机模块中，导致数据采集误差加大、控制状态失灵、存储数据发生篡改以及程序运行失常等后果.为了提高检测系统的可靠性，采用软件措施来克服某些软件干扰.采用去极值平均滤波的方法，对采集的数据进行软件滤波，再将滤波后的数据进行分析和判断.利用软件滤波可充分体现用软件代替硬件的特点.以保证从数据采集卡采集的信息充分接近传感器检测到的信息，提高系统的精确度.

4 结束语

本系统利用虚拟仪器（VI）技术，建立以PC机为核心，在传感器、数据采集板等硬件基础上，利用虚拟仪器开发平台LabWindows／CVI强有力的测试功能和良好的图形化用户操作界面，对温室内的温度、湿度、光照强度和CO2浓度等参数进行检测，并作出相应的判断，根据需要对参数值进行控制.该系统存在如下优点：

（1）交互性强

本系统通过友好的操作界面，使系统和用户之间有强大的交互能力，用户可以通过鼠标对控件进行操作，来控制系统的开和断，同时还可以对控制方式进行选择.

（2）灵活性好

用户可以根据需要进行参数的设定和选择.

（3）直观性好

用户可以随时观察到采集的适时数据和参数的动态变化趋势.

（4）开放性（可二次开发）

由于LabWindows／CVI的强大的函数库资源，TCP／IP函数库，支持TCP／IP协议、Datasocket库，若今后对系统进行网络化开发，则可以应用Datasocket技术，使网络中的不同计算机之间应用程序的数据进行交换，以实现测控系统的网络化.

（5）便于维护

以软件代替硬件，大大减少了硬件的采用，使系统避免了由硬件带来的一些不利因素，便于维护和管理.

（6）历史数据查询

可以对历史数据以各种形式给以充分的再现，为将来对作物的生长环境的研究提供充分的理论基础，同时为了便于观察，还设置了指针和捕捉功能，可以对数据进行准确的观察.