基于LabVIEW温室环境信息监测分析自教学系统设计*

杨景发 王 志 张建飞 李俊辉

(河北大学物理科学与技术学院 河北 保定 071002)

安烁羽

(河北大学中央兰开夏传媒与创意学院 河北 保定 071000)

马红超 刘高赛

(河北大学物理科学与技术学院 河北 保定 071002)

基于LabVIEW温室环境信息监测分析自教学系统设计*

杨景发 王 志 张建飞 李俊辉

(河北大学物理科学与技术学院 河北 保定 071002)

安烁羽

(河北大学中央兰开夏传媒与创意学院 河北 保定 071000)

马红超 刘高赛

(河北大学物理科学与技术学院 河北 保定 071002)

设计的基于LabVIEW和CAI实现温室环境信息监测分析的自教学系统，由设计原理、设计步骤组成的CAI课件单元和温室环境信息监测分析VI单元组成，监测分析单元以数字时钟为时间坐标，通过TCP/IP协议和串口与单片机进行通讯，实现对温室环境温度、湿度、CO2浓度数据的实时采集、多方式(指针、数字、曲线)显示、储存、分析处理和索引.

LabVIEW 虚拟仪器 温室 串口 TCP/IP

1 引言

温室种植已成为农村新的经济增长点，温室环境信息的实时、智能、远程监控，已成为科技工作者竞相研究的热点.计算机技术与传感技术、数据传输、互联网技术的结合，可以实现远程数据的实时采集、处理与显示.LabVIEW是一种程序开发环境软件，具有图形化G语言编程、框图式程序、库函数丰富等优点，用户可以方便地根据自己的需要开发虚拟仪器，而虚拟仪器已成为高校实验仪器不可或缺部分，虚拟仿真实验已成为一种新的实验模式[1～4].本设计即是利用LabVIEW编写上位机软件，与单片机和数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、显示和分析系统，对温室中的温度、湿度、CO2浓度进行监测，同时增加了一个由设计原理、设计步骤组成的CAI课件单元，具备了“教”与“学”功能，从而形成一种自教学系统.

2 系统的组成概述

系统由数据采集处理单元、通讯单元和LabVIEW监测自教学平台等部分组成，系统原理结构框图如图1所示.采集处理单元包括单片机、实时时钟、LCD显示器、键盘，以及温湿度/CO2浓度传感器等，单片机的型号为STC89C54RD+，温湿度传感器的型号为DHT21，CO2浓度传感器型号为TGS4161，设计接口电路，在程序软件控制下，将采集得到数字信号输送到单片机进行预处理.

图1 系统原理框图

3 温室环境信息监测分析平台的程序设计

3.1 数据通讯

系统提供了通过VISA和TCP函数，实现串行和网络与上位机的通信，并将接收到的实时数据以表格形式储存.

(1)串行数据通信程序设计

LabVIEW中用于串行通讯的节点实际上是VISA节点，LabVIEW提供了强大的VISA函数库，常用的串口通讯函数包括VISA CSP，VISA Write，VISA Read，VISA Close，实现串口配置、写入、读取、关闭以及串口缓冲区的检测和设置[5～7].

首先用VISA CSP对串口进行初始化，确保上位机与单片机串口参数设置一致，设定波特率9 600，数据位为8，停止位为1，校验位none；利用VISA Write将温湿度等报警阈值发送至“写入缓冲区”，自动格式化并发送至单片机；利用VISA Read从“读取缓冲区”读出字符串数据，上位机的串口通信基本程序框图如图2所示.

图2 串口通信基本程序框图

(2)TCP通信的程序设计

LabVIEW中，采用TCP节点实现网络通信.采用TCP Open Connection节点对TCP侦听端口进行初始化，确保上位机TCP侦听端口的IP地址和端口参数与GSM一致；利用TCP Write节点将温湿度等报警阈值传送至网络；为确保信号有效传输，采用两个TCP Read节点接收数据，第一个节点接收数据的长度，第二个节点接收采集到的数据；上位机的TCP通信基本程序框图如图3所示.

图3 TCP通信基本程序框图

3.2 实时数据处理程序设计

下面以CO2的数据处理为例进行介绍，其他(温度、湿度)数据处理方式与其相同.

(1)数据多方式显示

首先将接收到的字符串信息强制转换为双精度数值型数据，依据接收顺序将温度、湿度、CO2浓度分别送入数值、指针进行显示(图4)，并与对应的设置阈值比较进行报警指示；采用波形子vi(图5)对其进行波形、点图显示.

图4 实时数据显示程序框图

图5 波形子vi程序框图

(2)数值数据和波形保存

采用Excel子vi(图6)对其进行分立储存；采用“写入表格函数”对温度、湿度、CO2浓度数据以表格形式进行保存，用于历史数据的查询和处理(图7)；采用“写入波形至文件”函数实现对实时波形的保存(图8).

图6 EXCEL子vi程序框图

图7 实时数据保存程序框图

图8 实时数据图形保存程序框图

3.3 历史数据处理程序设计

(1)分立历史数据查询和波形复原

采用表格文件读取函数将采集数据时所分立保存的数据读出并送到数组控件进行显示(图9)；采用读取波形文件函数读取保存的波形文件数据送至波形图控件进行显示(图10).

图9 历史记录查询程序框图

图10 历史波形显示程序框图

(2)数据筛选和处理

首先利用表格文件读取函数将温度、湿度、CO2浓度同时保存的文件数据读出与“开始时间”和“截止时间”进行比较，将处于该时间区间的数据筛选出来送“数据查找结果”数组控件显示，然后按列索引将温度、湿度、CO2浓度分别索引出来，进行求平均、最大值、最小值运算并送数值控件显示(图11).

4 自教学平台的程序设计

设计一个由设计原理、设计步骤组成的CAI课件单元，使其具备“教”与“学”功能，从而形成一种自教学系统.采用一个图片窗和两个字符串控件为显示控件，在程序后面板添加讲解文字及图片，实现图片自动居中和自适应缩放；利用一个“选择”数值控件和两个布尔控件，实现课件内容的上下翻页(图12).

图12 自教学平台的程序框图

5 前面板设计

自教学系统的前面板由“温室环境监测分析平台”和“自教学平台”两个选项卡组成.其中“温室环境监测分析平台”由系统时间、参数设置、环境信息及数据保存处理4部分组成[8～10]，如图13所示.系统时间显示当前的“年/月/日”和“时/分/秒”；参数设置包括“网络/串口参数”设置和“阈值”设置，以及“网络/串口”的选择与数据传输的“开/关”；环境信息包括环境数据直观的“数值”显示、形象的“指针”指示和连续的“曲线”描绘；数据保存包括“存储路径、波形图保存”；数据处理由“历史记录”主选项卡体现，分为“温度/湿度/CO2所有记录”“时间段选择查询”“数据分析”和“历史波形图显示”6个子选项卡.

图13 温室环境监测分析平台前面板组成

“自教学平台”选项卡的前面板由“标题栏”“图片显示窗口”“文字提示窗口”以及两个前后翻页按钮组成，如图14所示，用于展示LabVIEW电子教案以及设计原理和设计要点，体现“教”与“学”功能.

图14 自教学平台前面板组成

6 结束语

本文针对单片机技术、无线传感网络技术和CAI平台，基于LabVIEW开发了温室环境信息监测分析自教学系统，成功实现了LabVIEW对网络/串口数据的采集、传输、多方式显示、存储和处理，同时提供了自学习功能，具有前面板布局合理、操作方便，后台程序运行稳定、扩展性强等特点，改变应用环境，更换采集传感器，具有良好的灵活性，应用前景广阔.

1 胡仁喜,王恒海,齐东明,等.LabVIEW8.2.1虚拟仪器实例指导教程.北京:机械工业出版社,2008

2 杨乐平,李海涛.LabvIEW程序设计与应用.北京:电子工业出版社,2003

3 梅加化.基于LabVIEW的虚拟实验教学系统的研究：[学位论文].安徽：合肥工业大学，2012.1～20

4 许丽川，宋翔宇，唐凯飞，等.基于LabVIEW的电机实验自助平台设计.实验室研究与探索，2015，34(9)：79～135

5 任丽丽,张志杰.基于LabVIEW的串口数据采集系统.微计算机信息,2008,24(3):56～57

6 陈真,王延江,王钊.基于LabVIEW的远程数据采集系统开发.仪表技术与传感器，2006(6):27～28

7 贾照丽,张俊,张少红.基于LabVIEW的远程网络数据采集与分析.通信技术，2012,45(8):62～64

8 唐丽婵,齐亮,王庆东,等.基于LabVIEW的无线远程温度监控系统.上海电气技术，2009,2(1):20～24

9 吴强.基于LabVIEW的远程多路测温系统的设计与实现：[学位论文]. 武汉: 华东师范大学,2008

10魏丽静,杨景发,赵双双,等.温室环境信息智能无线监控系统设计.农机化研究,2013,35(11):159～163

The Self-Instructional System Design Based on Monitoring and Analysis of LabView Greenhouse Environmental Information

Yang Jingfa Wang Zhi Zhang Jianfei Li Junhui

(College of Physics Science & Technology of Hebei University, Baoding, Hebei 071002)

An Shuoyu

(HBU-UCLan School of Media Communication and Creative Industries, Baoding, Hebei 071000)

Ma Hongchao Liu Gaosai

(College of Physics Science & Technology of Hebei University, Baoding, Hebei 071002)

The self-instructional system design consists of CAI courseware unit including design principles and steps and VI unit on greenhouse environmental information monitoring and analysis. The self-instructional system design is based on LabVIEW and CAI to achieve greenhouse environment information monitoring and analysis. Monitoring and Analysis Unit takes digital clock as the time coordinate and communicates with serial port and SCM via TCP / IP protocol to achieve the real-time acquisition of greenhouse environment temperature, humidity and CO2concentration data , multimode display(pointer, digital, curve), storage, analytical processing and indexing.

LabVIEW; virtual instrument; greenhouse; serial port; TCP/IP

*大学生创新创业训练计划项目，项目编号：201610075026；高等教育教学改革研究与实践项目(2016).

杨景发(1964- )，男，高级实验师，主要从事实验技术、设施农业、红外技术应用方面研究.

2016-12-29)