水稻育秧大棚环境多点监控系统的设计——基于LabVIEW软件

刘传岐，梁春英，张艺萌，张汉林

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

黑龙江垦区位于我国富饶的黑土地上，是我国重要的三大垦区之一，其中水稻生产影响着垦区的发展和粮食储备问题[1]。水稻生产主要包括浸种催芽、育秧和本田种植3个阶段，稻苗的生长与育秧环境有着直接的关系[2]。由于黑龙江处于我国北方寒冷地区，因此良好的水稻育秧环境对北方水稻秧苗的长势起着至关重要的作用。黑龙江水稻育秧多数采用钢结构塑料大棚育秧方式，一般塑料大棚内部空间较大，育秧棚内的小气候温度环境分布较不均衡[3]。所以，以往单点采集温湿度作为控制育秧棚内环境的依据较不准确，且运用传统的采集方式布置多节点温湿度数据采集布线麻烦，多数据传输不稳定[4]。为了改善传统监控系统，更好调控育秧棚内环境，设计出一套针对北方水稻育秧大棚温湿度环境多数据采集节点的监控系统显得极其重要。

本设计采用LabVIEW作为上位机软件多数据分析显示，实现良好的人机交互功能，使农户更详细、具体地对大棚内各区域温湿度环境进行实时监控。与以往水稻育秧大棚监控系统相比较，数据采集部分采用无线模块传输，减少了棚内布线，数据传输稳定可靠，且能够更详细、准确地体现育秧棚内温湿度环境信息，为水稻育秧环境的模拟、预测等提供数据支持。

1 系统设计方案

系统由传感器模块、数据采集模块、数据处理模块、控制模块和计算机组成。数据采集模块将各传感器信号采集并经过无线模块传给数据处理模块进行数据整理、分析，数据处理模块与PC机之间通过串口实现数据的传输，控制模块根据上位机输出信号做出响应。数据采集、处理及控制部分均以单片机为核心。系统总体流程图如图1所示。

图1 系统总体设计图

1.1 硬件结构设计

水稻育秧棚内共设有12个温湿度传感器，外部1个光照传感器和1个温湿度传感器，如图2所示。棚内每3个传感器、1个单片机和1个无线模块组成1组采集电路，每组采集电路均由5V电源供电，单片机作为核心部分完成数据的流动。控制电路部分主要由单片机进行数值超限指令的接收及自动或手动对卷帘电机启停的控制。

图2 系统硬件结构框图

1.2 单片机的选用

单片机采用STC15系列STC15W4K58S4，具有8通道，高速10位A/D转换器，低功耗，高速可靠，重点是强抗干扰性。本系统数据采集点较多，数据转换及流量大，且大棚内温度较高，因此选用此单片机达到系统要求。

1.3 无线通讯模块

温湿度采集的数据传输及通信选用AS62-T20无线串口模块，通信距离3km内均有效，同样具有低功耗及强抗干扰性，工作温度最高可达85℃，适合在温室内高温情况下稳定工作。在数据传输过程中，具有可连续传输、不限制数据包大小及传输速度快等优点，多通道传输扩频通信技术使大量数据传输不丢包。无线模块电路图如图3所示。

图3 无线模块电路图Fig.3 Wireless module circuit diagram

1.4 温湿度传感器

在温湿度传感器模块选用中，摒弃了常用的DHT11型号的温湿度传感期模块，其测量精度只能到个位，造成数据误差较大。由于本系统布置测量点较多，使用工业型传感器价格昂贵，综合考虑选用以DHT22为基础的AM2302温湿度传感器模块，该传感器工作电压低，运行长期稳定，精度达0.1且误差在0.3～-0.5℃之间，同时多点采集大大减少了成本。温度传感器电路图如图4所示。

图4 温湿度传感器电路图Fig.4 Temperature and humidity sensor circuit diagram

2 软件设计

软件的设计在保持系统正常运行中有着至关重要的作用，为保证软件设计能够与系统硬件完美配合，将系统的整体软件设计模块化，针对每个模块进行程序设计，如图5所示。本系统主要涉及采集、显示及控制三大部分：数据采集部分包括对采集信号的转换、采集间隔的设定及无线传输的程序编辑；显示部分主要有数据数据分析、历史数据检索和曲线表达等的程序编辑；控制部分主要包括温度采集数值的超限判定、指令传输和电机启动程序编辑。软件部分流程图如图5所示。

3 上位机系统开发

3.1 虚拟仪器技术

虚拟仪器就是将模块化的硬件部分高效、灵活地结合软件部分，多数应用在测量、测控及各领域的自动化方面。虚拟仪器技术现已广泛应用在自动灌溉、水果分拣及精密播种等农业生产中[5]。常用LabVIEW软件作为上位机进行开发，LabVIEW采用图形化G语言进行语言编辑，大大减少了用C#、Java等由单词构成的编程语句开发系统的时间，同时LabVIEW软件系统还有显示界面清晰明了、系统维护简单及与外部设备连接通讯快速稳定等优点[6]。

3.2 系统上位机实现的功能

1)将采集到的育秧棚内温湿度信息清晰地实时显示在计算机上，并对系统硬件进行简单控制，达到人机界面友好交互的目的；

2)将采集到数据显示的同时进行数据的整理存储，以便用户可随时查看历史数据；

3)针对温湿度多点采集数据进行简单处理分析，能够清楚地了解到各节点温湿度变化曲线，以便农户对育秧棚环境状况的简单判断；

4)根据数据判断，当棚中央几个采集节点平均温度超出设置的温度上下限一段时间后提醒用户，用户可根据系统数据做出举措；

5)实现用户在远程计算机的界面监控功能。

图5 系统软件程序流程图

3.3 系统监控界面

连续运行程序，点击开始采集按钮，实时显示育秧棚内各点温湿度情况，以及棚外温湿度和棚外光照强度数值，如图6所示。

图6 上位机监控界面

同时，用户可根据水稻育秧不同时期内所需的温湿度环境不同，来设计不同的温度报警上下限值。当棚中央节点平均温度超出设置范围一段时间时，报警灯亮，且引发计算机发出生响声通知，用户可做出相应的卷帘起落措施调节棚内温湿度。系统还可显示大棚内各截面平均温度变化曲线图，用户也可随时查看存储的历史数据，并可查看历史温度曲线图供用户对环境情况分析提供参考。

3.4 数据存储与Web远程发布

由于系统数据采集量大，为方便用户查看和分析历史数据，采用LabVIEW专用的LabSQL工具包(无需SQL语言)即可快速、方便地建立与数据库的连接，实现了历史数据存储、查询和历史数据曲线显示等功能。该系统通过LabVIEW自有的Web发布功能(见图7)，在运行的计算机上配置需要发布的VI,启动Web服务器，生成html文件。远程客户端计算机无需安装LabVIEW软件，像浏览网页一样查看和控制该大棚内监控系统，从而实现远程多客户端的访问。

4 实验分析

将该系统置于长106m、宽13m、高3.5m南北走向的水稻育秧大棚内测试，天气晴，西风3m/s。采集节点均选择离地面20cm处略高于水稻秧苗的作物区(见图8)，以3×4网格形式分布在育秧棚内。5月份水稻育秧棚内外温度均比较高，在上位机界面电机开启卷帘按钮，选取大棚卷帘卷起后每隔1h的温度数据，得到大棚内各节点不同时刻温度数据，如表1所示。

图7 Web发布网页设置

图8 大棚内温湿度测量点分布图

将大棚内各采集节点按横向和纵向分类，把每一截面上采集节点温度数据取平均值且与外界温度做对比，结果如图9和图10所示。

表1 各节点不同时刻温度数据Table 1 Each section different time temperature data ℃

图9 大棚横向各截面平均温度

图10 大棚纵向各截面平均温度

由以上图表可以看出：大棚内温度整体分布比较均匀，棚内温度与外界温度变化趋势一致，全天温度最高值出现在14:00附近。靠近大棚卷帘的温度比中间温度低，且迎风侧温度低于背风侧温度，靠近两侧门的温度略高于中间温度。按照同样的方法分析棚内作物区各采集节点湿度数据，湿度分布情况则相反，温度高的地方湿度较低。

5 结论

本设计将传感器技术、无线通信技术、单片机技术和虚拟仪器技术相结合，建立一套完整的水稻育秧大棚环境多点采集系统。试验表明：系统反应灵敏，运行可靠，数据不丢包，实现了对育秧大棚内环境详细具体的监测，依照数据的统计、查看、分析，以及温度上下限预警提示调控卷帘，实现秧苗生长环境的通风和换气。