基于LabVIEW和DAQmx的温室温度监控系统实验平台设计

张亚莉， 马瑞峻， 朱其科， 王鹏程

(1. 华南农业大学 a. 工程学院; b. 设备处， 广东 广州 510642；2. 阿克苏诺贝尔中国有限公司， 广东 佛山 528000)



基于LabVIEW和DAQmx的温室温度监控系统实验平台设计

张亚莉1a， 马瑞峻1a， 朱其科2， 王鹏程1b

(1. 华南农业大学 a. 工程学院; b. 设备处， 广东 广州 510642；2. 阿克苏诺贝尔中国有限公司， 广东 佛山 528000)

采用LabVIEW、 DAQmx以及PCI-6251多功能数据采集卡和BNC2120接线终端，设计了一套实时温室温度监测系统。通过加热钨灯和制冷排气扇作为执行部件，并采用热电偶作为感温元件，设计了模拟温室箱，完成了基于LabVIEW和DAQmx的温室温度监控系统实验平台的设计。系统通过热电偶对模拟温室箱内的温度进行实时采集，并根据用户要求控制执行机构对目标环境温度进行实时控制，从而实现对温度的实时采集、显示和控制等功能。结果表明，设计的温室温度监控系统实验平台能够实现对温度的实时监测与控制，以及对历史温度变化趋势的可视化显示的设计要求。

LabVIEW； DAQmx； 虚拟仪器； 温度监控； 热电偶； 数据采集

0 引 言

温度是重要的温室环境参数之一，精准的温度监控系统决定着植物的生长[1]。目前的温度监控系统大都使用传统温度测量仪器，其功能大多都是由硬件或固化的软件来实现[2-3]，用户无法随意改变其结构和功能。而虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来突破传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制，通过交互式图形界面实现温度监控，并且很容易和其他控制处理器系统相结合开发监测系统[4-6]。

NI公司的DAQmx包含新型VI函数及用于控制测量仪器的发展工具的最新NI-DAQ驱动。在LabVIEW 环境下使用DAQmx硬件驱动不但可以简化数据采集系统的程序设计，而且由于其能够方便地被C++、VC++以及LabWindows/CVI等多种编程语言程序调用，因此也为应用其他开发语言的工程师提供了方便[4]。在温度监控领域，随着现代测试技术的不断发展，以LabVIEW为软件平台的虚拟仪器测量技术正在现代测控领域占据越来越重要的位置[7-10]。

本研究采用虚拟仪器技术，基于LabVIEW软件和DAQmx驱动，完成了对模拟温室内的温度实时监控系统教学实验平台的研究和设计。该监控系统和实验平台不但可作为一般教学演示使用，而且在此基础上可进一步开发多点温度监控系统[1,11]和温室参数的远程监控系统等[12-14]。

1 总体设计方案

本研究设计的温室温度监控系统包括PCI-6251数据采集卡、BNC2120实验箱、K型热电偶，模拟温室(用于验证试验)、继电器模块和台式计算机(用以安装LabVIEW软件、DAQ驱动和数据采集卡PCI-6251)。

总体设计是采用前端热电偶作为感温传感元件，将被测环境的物理信号(温度)转换为电压或电流等模拟信号，通过数据采集卡(含信号调理电路)对信号进行处理(滤波、放大、线性化、A/D转换)，将模拟信号转换为计算机系统可以处理的数字信号。通过在计算机系统内安装的虚拟仪器软件对采集的信号数据进行所需的各种分析、显示和处理，存储结果，并根据目标温度进行判断并实时控制执行机构动作，实现模拟温室内温度的实时监控。本研究设计的温度实时监控系统总体设计思路见图1。

2 硬件装置设计

2.1 温度采集模块

热电偶是一种构造简单的测温传感器，但其可靠性高，使用也很方便，在工业上和实验室内应用广泛[8,15]。该装置的测温元件采用分度号为K的镍铬-镍铝热电偶，数据采集选用PCI-6251多功能数据采集板卡和BNC-2120实验箱。热电偶产生的电压信号可直接被PCI-6251多功能数据板卡采集，同时BNC-2120实验箱作为温度采集和控制的接线终端，其外壳有屏蔽功能，并且内置集成电路温度传感器可进行冷端温度补偿(CJC)。

图1 温室温度监控系统实验平台总体设计

热电偶利用热电效应进行测温，PCI-6251数据采集卡可提供16路模拟信号输入，BNC-2120用于输入输出(I/O)接线连接。将热电偶插头插入BNC-2120实验箱上的热电偶输入端子，把通道AI0的BNC接头上方的拨动开关置于右侧，则AI0即测量监控系统的面板温度以用于热电偶测温的冷端补偿。通过连接热电偶、PCI-6251数据采集卡和BNC-2120实验箱，此硬件通道可以实现温度的数据采集。

2.2 温度控制模块

温度控制模块由两块5 V控制220 V的继电器通过自行设计的接线盒连接工作设备热钨灯和排气扇。接线盒具有屏蔽外接电信号干扰的功能，并且设计有输入信号、输入电源和两个输出信号接线口，方便连接、拆卸和移动。

开发的LabVIEW程序根据目标温度与实际温度信号的实时比较和判断，发送高低电平到BNC2120的数字输出控制端口来控制继电器的吸合动作。

2.3 模拟温室箱

模拟温室箱是一个自行设计和制作的立体保温木箱，规格70 cm×70 cm×70 cm(见图2)。其前面板分成两部分，一部分可通过活页打开；另一部分装有一块有机玻璃板，可方便进行实验的观察。模拟温室箱配备有一制冷排气扇和一个加热钨灯，制冷排气扇的输入功率38 W，加热钨灯的输入功率500 W。热电偶通过模拟温室中央的小孔通过一条细木杆固定在温室内部热钨灯和风扇之间的适当位置。设计的温室温度监控系统通过程序的运行和继电器模块的控制，使制冷排气扇和加热钨灯配合工作，实现模拟温室内温度的监控。

以上几大模块连接到计算机组成温度监控的整体硬件装置，以实现基于LabVIEW和DAQmx的模拟温室的温度采集与控制。

图2 温室温度监控系统的组成

3 软件程序的设计

本软件系统以LabVIEW2010作为开发平台，对模拟温室内的温度数据进行采集、分析、保存和处理。为了确保监控系统对温度的采集和控制，软件程序的整体设计采用了层叠式的顺序结构，使各帧框图按层叠顺序依次执行。

温度监控系统的程序流程图见图3。

图3 温室温度监控系统流程图

3.1 温度的采集和控制

温度的实时采集和控制任务有两种方式：① 采用LabVIEW虚拟仪器套件自带的DAQ助手实现；② 采用DAQ mx数据采集VI(子函数)进行编程实现[4]。DAQ 助手是一个配置了通道、任务和刻度信息等数据采集功能函数的有机集合的图形化界面，以使其使用起来比较方便、简单，但同时也丧失了一些功能性和灵活性，而且，DAQ 助手归根结底还是利用若干DAQmx VI 函数的有机集合实现的[16]。因此，本研究选用了DAQmx的底层函数来实现温室温度监控系统的设计。

采用DAQ mx数据采集VI进行编程要首先创建配置虚拟通道，然后开始创建任务，进行输入端口的读取或输出端口的写入等。其中,由于温度的采集和控制部分需要多次执行，因此将温度采集和温度控制创建为LabVIEW子程序(SubVI)，不但能使设计的监控系统程序简洁明了，也易于调试和理解。

3.2 温度大小的比较

使用布尔型(True/False)CASE 结构来进行温度大小判断，相应的布尔值匹配对应相应的真假条件结构，进而对控制排气扇或热钨灯的继电器开关实施控制。当目标温度值大于采集温度值时，即布尔值为真，排气扇不工作，钨灯进行加热工作；反之，即布尔值为假，排气扇进行降温工作，钨灯不工作。

3.3 软件的显示界面

LabVIEW程序的前面板，即软件系统的显示界面(用户界面)是虚拟仪器的重要组成部分(见图4)。仪器参数的设置、测试结果和显示等功能都是通过软件编程实现，因此要求系统软件的界面简单直接，具备相关操作和显示控件，方便用户操作和易于观察系统工作状况。

在前面板中采用了信号指示灯来显示系统加热和降温的工作进程。由于图形显示控件波形图表(chart)可以在某一坐标系中，实时、逐点地显示出被测物理量的变化趋势，例如,显示一个实时变化的波形或曲线，因此在软件系统的设计中，模拟温室内的目标温度值和实时检测的温度值以及两者的误差ei均采用了波形图表来进行实时的反映。

任何基于计算机的检测与控制系统都应该留有安全出口，因此本系统的前面板上还设置了停止按钮，用户可以按照当前需要，随时按下按钮以停止整个温室监控系统的运行。

图4 用户界面

3.4 软件的主程序

通过以上系统程序各个模块的设计，以及模拟温室目标温度监控的要求，可将各模块的程序按层叠式顺序结构设计出软件的主程序，软件系统的程序框图见图5。

在层叠式顺序结构中，第1帧实现系统初始化，并获得被测温室内部初始的温度值；第2帧通过采样和循环设置，按照用户定义的采样间隔，实现温度的实时采集，并进行判断目标温度与测量的温度的大小，以控制制冷风扇和加热钨灯的工作，实现模拟温室温度的实时监控；第3帧,当系统按照预设时间运行完毕或当系统检测到用户按下停止按键之后，制冷风扇和热钨灯全部停止工作。

图5 系统程序框图

4 测试与实验分析

为实现和验证温度监控系统的各项功能，使用LabVIEW 软件编写程序按照图6曲线完成各阶段温度采集和控制功能。首先要求检测某时刻模拟温室箱内的温度，再根据检测到的温度与曲线中的该时刻目标温度值进行比较和判断，然后根据判断结果输出控制信号到BNC2120 的数字I/O口，即，当温度大于目标温度，打开制冷风扇降温；反之，打开加热钨灯升温，最终实现图6所示260 s的检测与控制过程。

图6 目标温度曲线

4.1 目标温度的计算

目标温度曲线上任一时刻的目标温度值计算公式：

(1)

式中:Td为目标温度值(℃)；T1为某时间阶段起始时的目标温度值(℃)；T2为某时间阶段结束时的目标温度值(℃)；t1为某时间阶段的起始时间(s)；t2为某时间阶段的结束时间(s)；t为时间(s)。

由图6及式(1)可知，在每一时间阶段内的每一时刻的目标温度值函数。在程序设计中，结合LabVIEW 2010软件子函数的数值型CASE结构在不同时间区间的应用，可通过公式节点来进行相关的目标温度值计算程序的设计。

4.2 温度的控制误差

由于在整个温度的采集和控制过程中，存在诸多方面的误差，因此，可在程序中设计温度控制误差，方便了解整个过程的误差大小，以更好地改进系统。

温度监控系统的控制误差

(2)

式中:N为测量点数；Tm为温度测量值(℃)。

4.3 系统运行测试

按顺序连接好系统的各个硬件设备，并使用带冷端补偿热电偶的方法进行温度检测。

打开软件程序，将采样间隔设置为1 000，点击开始运行程序，观察程序的运行，细心观察目标与采样温度对比的波形图表、执行机构工作指示灯的亮灭，以及实际执行机构的工作情况，查看系统是否运行正确。此外，还应观察温度控制误差ei的波形图表，查看系统在运行过程中是否存在异常或过大的控制误差。若有问题，应立刻按下停止键，终止系统工作，并进行相应的调试；程序运行结束后，观察和保存相关的实验数据。

4.4 实验结果分析

在温度较低的温度监控中，目标温度曲线与实际温度采集曲线的拟合程度较好；温度超过80℃时，无论是温度上升、恒温还是降温阶段，其目标温度曲线与实际温度采集曲线的拟合偏差都非常大，此时加热钨灯也占去了大部分的工作时间，但其实际温度还是偏小于目标控制温度，且其温度也处于波动状态，而不是处于上升状态，当然，此时的ei非常大(见图7)。

(a) 目标与采样温度对比 (b) 温度的控制误差ei

图7 温度监控系统实验结果

在温度上升的监控中，目标曲线与实际采集曲线的拟合程度非常好，其实时控制误差ei也较小。在高温恒温控制阶段目标曲线与实际采集曲线的拟合程度一般，实际温度曲线相对目标温度曲线较为吻合，但其波动较大。温度下降和恒温阶段，两曲线的拟合程度也较好，此时的实时控制温度ei也较小。

整个实验的控制过程，加热钨灯和制冷排气扇的工作时间接近1∶1。由式(2)计算得知温度监控系统的控制误差为1.6℃，控制效果较好。

从以上的结果分析推测影响温度监控的因素，主要是硬件设备和软件程序两大因素。首先，在温室的温度监控过程中，必须保证温室内制冷风扇等降温设施和加热钨灯等升温设施功率相匹配，否则易导致较大的控制误差。另外,在系统软件的程序设计上，由于温度监控的采样率不可能无限扩大，在此实验中选用了1 s的采样间隔，在实际设施农业生产中采样间隔还会更大，因此导致温度控制过程有波动，从而也增大了温度控制的误差。

5 结 语

本研究基于LabVIEW软件和DAQmx硬件驱动，采用了PCI-6251多功能数据采集卡和BNC-2120实验箱、台式计算机及其I/O接口、热电偶和继电器模块以及相应的执行机构制冷风扇和热钨灯等硬件设备，设计了一个温室温度监控系统实验平台，完成了硬件设备的相关配置和设计，并利用LabVIEW软件进行编程实现对模拟温室箱内温度的实时监控，包括温度数据的实时采集、控制、显示、分析和存储等，达到了预期温度监控装置研究的要求。

试验结果表明，设计开发的温度监控系统能够实时采集目标环境的温度，并根据用户要求通过加热和降温等执行机构对目标环境的温度进行实时控制，控制误差较小(1.6℃)，控制精度好。

设计的模拟温室箱以及温度实时监控系统实验平台，可为研究和开发基于虚拟仪器技术的温室多种环境参数以及远程监控装备和系统提供有益的参考。

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·专题研讨—虚拟仿真实验(37)·

Design of a Experimental Platform for Temperature Monitoring System Based on LabVIEW and DAQmx

ZHANGYa-li1a,MARui-jun1a,ZHUQi-ke2,WANGPeng-cheng1b

(1a. College of Engineering; 1b. Equipment Administration Office, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Akzo Nobe China, Foshan 528000, China)

In order to achieve temperature monitoring through a graphical interface interactively, and to develop temperature monitoring system which should be easy to combine with other control systems used in greenhouses, a temperature monitoring system was researched. The virtual instrument application software LabVIEW was used as development platform. The system employed DAQmx, the newest data acquisition driver, NI PCI-6251 multifunction data acquisition board and BNC2120 wiring terminal. A heated tungsten lamp and a cooling fan were equipped as executive components, and a thermocouple was taken as the temperature sensor to complete the temperature measure. Real-time temperature monitoring was achieved through triggering executive devices based on the comparison between the measured temperature with the thermocouple and the users pre-defined target temperature. Friendly user interface was developed by using LabVIEW, the measured and target temperature curve could be displayed, as well as the error. Verification tests in laboratory indicated that the designed system is capable of monitoring and control temperature with a relative high precision. The temperature monitoring system designed in this study provides a useful reference for developing virtual instrument technology of greenhouses.

LabVIEW; DAQmx; virtual instrument; temperature monitoring; thermocouple; data acquisition

2015-12-31

国家自然科学基金资助项目(31471418)

张亚莉(1975-)，女，山东菏泽人，博士，讲师，现主要从事农情信息快速检测方法及传感器系统研究。

Tel.: 020-85280783; E-mail: ylzhang@scau.edu.cn

马瑞峻(1970-)，男，内蒙古包头人，副教授，现主要从事农业机械化及其自动化研究。

Tel.: 020-85280783; E-mail: maruijun_mrj@163.com

S 126

A

1006-7167(2016)09-0063-04