基于LabVIEW的大棚温度监测报警系统

2014-02-06郭海燕夏桂萍吴璟玥

浙江农业科学 2014年11期

关键词：串口报警大棚

尚海，郭海燕，夏桂萍，吴璟玥，夏志

（南京农业大学工学院，江苏南京 210031）

基于LabVIEW的大棚温度监测报警系统

尚海，郭海燕*，夏桂萍，吴璟玥，夏志

（南京农业大学工学院，江苏南京 210031）

为实现对农业大棚温度环境的实时监测，并降低成本，设计了一个实时多点温度监测系统。系统由STM 32控制温度采集与传输，利用LabVIEW开发上位机，实现对多点信号的同步处理与分析，并实时显示各大棚近段时间的环境状况，利用事件结构编程，显示并保存报警数据。实验结果表明，系统可以准确地监测大棚温度，并提供可靠的人机交互。

温度；LabVIEW；实时监测；报警

在环境较恶劣地区以及反季节作物生产中，农业大棚发挥着重要作用。大棚内的温度变化对农产品的质量和产量都有重要影响，因此对大棚内温度进行实时监测就显得非常重要。虽然目前对大棚温度的监测日益智能化，但是所应用的大部分监测系统抗干扰能力较弱，易出错；而且人工方式仍是主流，对人力财力的要求较高，而且时效性差，当大棚数量较多时，成本更高。随着智能系统的飞速发展，大棚温度多点自动采集监测系统的研发逐渐成为新的研究热点［1-3］。本研究设计了一套农业大棚温度检测系统［4-5］，系统稳定性高，造价低，能够实现多点同时采集处理，并能及时显示与保存采集信息，使得农业生产者可以便捷、准确地了解各大棚温度状况。现将该系统的主要情况介绍如下。

1 系统总体结构与工作过程

系统总体由以STM32微处理器为控制中心的温度采集模块和以LabVIEW虚拟仪器开发的数据处理软件组成（图1）。下位机由1个STM32微处理器控制4个传感器协调工作。系统工作流程如图2所示。

2 下位机设计

2.1 DS18B20数字温度传感器

DS18B20是一种内部只有一条总线的数字传感器［6］，体积小，易于安装；多个DS18B20能够在一根总线下实现对环境温度的采集与传输，比较适合在大棚里多点放置。传感器的功耗较低，所需供电电压仅为3.3～5 V，易于实现；且抗干扰能力较强，适合在环境复杂的大棚中应用。DS18B20具有9～12位A/D，能够精确采集的温度范围为55～125℃，温度采取数字量输出，测量的最小分辨率可达0.062 5℃，因此适用于对精确度要求较高的测温系统。

2.2 STM32单片机

单片机是协调各硬件模块工作的控制中心，在本装置中选用STM32F103。STM32F103是STM32增强型单片机，以哈佛结构的32位Cortex-M3精简指令集为内核，时钟频率高达72 MHz，芯片内部集成度高［7］。STM32F103适宜的工作范围为-40～105℃，在大棚这种较复杂的环境中也可以正常工作。单片机与上位机采用RS232协议串口通信。STM32与MAX232采集电路原理图如图3所示。

图3 采集电路的原理

3 上位机LabVIEW模块化设计

3.1 串口通信模块

在LabVIEW仪器I/O串口目录下，提供了所有串行所需要的函数。利用这些函数可以非常方便地完成串口数据传递。串口通信中，需要调用的函数有VISA串口配置、VISA写入、VISA读取、VISA资源名［8］。

为了避免读数据时，缓冲区内字节数不足，系统超时现象，使用“Bytes at Port”串口属性节点。LabVIEW读取数据时将会把缓冲区的所有数据读出。串口通信模块程序如图4所示。

3.2 信号预处理模块

为提高精度，DS18B20采用12位的A/D转换。然而单片机在发送时，每次只能传输8位，即一个字节，且为字符串形式。因此，上位机就必须先对下位机发送的数据流进行转换与整数拼接，以恢复原来数据。信号预处理模块LabVIEW程序如图5所示。

图4 串口的通信模块

图5 数据转换与拼接模块

3.3 报警与存储回放模块

作为上位机的核心模块，需将下位机传输的不同结点数据分离，分别保存；实时更新各结点温度，并判断结点当前温度状况，触发温度超出设定范围结点的报警装置，并保存报警记录，以备后用。

考虑到需要处理多路相同性质的数据，本系统通过设计并调用子vi的方式处理实现多路处理，并且方便日后的拓展。报警子vi如图6所示。

温度报警与存储回放之间通过事件结构连接两者为多对一的关系。报警的存储回放模块LabVIEW程序如图7所示。

图6 报警判断显示子vi

4 试验验证

对所设计的基于LabVIEW的温度监控报警系统开展模拟试验验证。若在一个相对封闭的环境下，系统采集数据稳定、可靠，则可将该系统移植于温室大棚中，用于监控温室大棚中温度的变化。试验采用500 mm×400 mm×300 mm的长方体塑料箱进行模拟，箱内不均匀地放置5个白炽灯泡。将3路传感器放到箱内，1路传感器置于箱外，接通白炽灯，开启监测系统，监测箱体温度变化过程。试验的前面板界面如图8所示，试验结果如图8-9所示。结果表明，系统能够正确采集到实验箱的温度数据，并将其正确存储，且系统稳定性良好。