基于LabVIEW的温室大棚远程智能监控系统设计

刘玉芹，徐海华

(1.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.山东大学软件学院，山东 济南 250101)

0 引言

在农业生产中，温室大棚种植技术在全国不断推广，温室大棚的数量不断增加。随着温室大棚的广泛应用，如何提高种植户的生产效率、减少管理成本，引起了人们的关注。国内学者纷纷提出了各种温室大棚智能控制系统设计方案[1-3]。所谓温室大棚智能控制，就是通过先进科学技术,调节农作物生长所需的各种环境条件,如温度、土壤湿度、光照等环境参数,从而使农作物处于最佳的生长环境,以提高生产效率。因为我国温室大棚自动控制技术发展较晚，且我国农民的文化水平大多不高，所以需要设计一种易操作、易理解的控制系统。针对这一问题，本文设计了基于LabVIEW的温室大棚远程智能监控系统[4]。

该智能监控系统以LabVIEW作为主控软件，结合传感器技术[5]、测控技术及计算机技术，实现温室大棚环境控制和管理的智能化和科学化[6]；利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，使系统具有友好的人机交互界面，让用户操作更加简单、便捷。系统具有较好的实用价值和应用前景。

1 系统总体设计

本设计系统硬件主要包括计算机、摄像头、温度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器、卷帘升降模块、电磁阀通断模块、通风模块、数据采集卡。计算机采用LabVIEW软件平台对温室环境进行实时监测显示,并进行数据处理、存储及智能控制等。总体设计方案如图1所示。

图1 总体设计方案

安装在大棚内的摄像头经USB端口与计算机连接，拍摄的图像显示在LabVIEW前面板上，使用户可以直接看到大棚内的情况。温度传感器和光敏传感器安装在大棚内、土壤湿度传感器插在土壤里。所有传感器采集的数据经过数据采集卡输入计算机，它们的动态曲线显示在前面板，传感数据被实时显示。系统前面板还设有自动/手动切换按钮。当前面板设为自动时，LabVIEW将读入的温度值、湿度值以及光照值等进行处理，通过数据采集卡的数字量输出端口送给相应的执行机构，完成控制这些参数的目的；当前面板设为手动时，可以在前面板上手工设定输出值，实现手动控制。

此外，LabVIEW的前面板上设有农作物类型和生长阶段的选项框，在对应的选项框中输入农作物名称和生长阶段，系统会自动生成此时最适合该农作物生长的湿度、温度、光照参数值，使得系统更具可操作性。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括计算机、传感器、数据采集卡、摄像头、步进电机(包含驱动模块)、电磁阀等。

2.1 温度量的信号调理与控制

温度是关乎农作物生长、发育的重要因素之一，适宜的温度[7]有利于农作物的光合作用产物积累。本系统采用热电阻Pt100来检测温度。Pt100的信号调理电路如图2所示。

图2 Pt100的信号调理电路

通过温度传感器采集大棚内的温度，由数据采集卡进行A/D转换。LabVIEW控件对转换后的数字量进行采集、处理，向数据采集卡输出合适的控制量，从而控制与通风口相连的步进电机。通过调节通风口的开闭，调节温室内的温度。温度控制框图如图3所示。

图3 温度控制框图

2.2 湿度量的获取与控制

土壤湿度对农作物根部的水分吸收、矿物质营养的输送起到了至关重要的作用，同时也影响病菌的繁殖。适宜的湿度能使农作物生长得更好。本系统采用可以直接插在土壤里的湿度传感器(YL-69)测量湿度，其表面采用镀镍处理，加宽的感应面积，提高导电性能，防止接触土壤生锈。

传感器模块输出信号通过数据采集卡与计算机的USB口相连。LabVIEW控件对监测数据进行分析决策，通过输出高低电平控制继电器实现电磁阀的开关，从而控制灌溉设备开闭，及时调整土壤湿度值。湿度控制框图如图4所示。

图4 湿度控制框图

2.3 光照量的信号调理与控制

光照不仅是农作物种子发芽的必要条件，而且是农作物进行光合作用必不可少的条件。因此在温室大棚内，必须将光照强度控制在一定范围内，否则光照太强或者太弱都会影响农作物的正常生长。

本系统采用HA2003光照传感器，然后利用光电转换模块，将光照强度值转化为电压值。光照信号调理电路如图5所示。

图5 光照信号调理电路

光照传感器对大棚内的光照信息进行采集，同样经过数据采集卡，在计算机上显示，并通过LabVIEW界面设定范围对其进行分析、决策。通过对卷帘上步进电机的控制，实现卷帘的卷起与放下，从而使得大棚内的光照强度稳定在适应农作物生长的范围[8-9]。光照控制框图如图6所示。

图6 光照控制框图

2.4 视频监控

及时了解大棚内的各种农作物的生长情况以及各项指标参数，可以使农户作出快速、准确的决策，迅速调节农作物各个指标的参数设定值；同时，也可以记录参数变化。

安装在大棚内的摄像头与计算机相连，用户直接在LabVIEW的前面板上通过观看摄像头实时采集的图像了解大棚内农作物的生长情况，不用进入大棚内就可以判断是否需要进行除草、施肥等工作，为用户节约了大量的时间和精力。

3 系统软件设计

LabVIEW软件是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言[10]，类似于C语言和BASIC开发环境，它使用图形化编程语言G编写程序。主程序流程和子程序流程分别如图7、图8所示。

图7 主程序流程图

图8 子程序流程图

程序开始运行时，摄像头对大棚内作物的生长情况进行监控，在选择农作物类型和生长阶段后，系统自动生成温度、湿度、光照的设定值。对于温度和光照，传感器采集的温度值和光照值经过数据采集卡转换，与设定值比较，确定电机的正反转。系统采用比例积分微分(proportional integral differential,PID)控制，输出不同占空比值的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)控制电机的转速，实现通风机构的稳定开闭和卷帘机构的稳定升降。对于湿度，当采集到的湿度小于设定值，打开电磁阀进行灌溉；反之，则无动作。

4 试验结果与分析

首先，收集一些植物在不同阶段的生长指标；然后，设定大棚内的各个参数值，并对其进行比较。典型农作物的最适合生长条件如表1所示。

表1 典型农作物的最适合生长条件

试验数据的获得是在作物实际生长环境条件下进行的，传感器测量范围为:温度0～100 ℃；湿度20%～90%；光照0～20 kLux。这些测量范围完全满足正常大棚需要。取各个作物的第二生长阶段进行测试，将所得测量值与控制值进行比对。

测试数据如表2所示。

表2 测试数据

由表1和表2中的数据可知:经过本系统控制后，大棚内各项指标基本上能回到适宜农作物正常生长的范围内。

5 结论

本文设计的智能温室监控系统以LabVIEW为开发平台，通过以“软”代“硬”的方式，充分利用LabVIEW的软件资源和计算机系统的硬件资源，实现了适用于各种条件下的温室大棚的控制和管理。系统设有自动和手动两种控制模式，使得在启动过程或者特殊条件下，系统都能较好地运行。同时，因LabVIEW的友好人机界面，便于操作人员使用温室大棚监控系统，体现了LabVIEW在实际应用中的优势。另外，本系统创造性地把各种农作物的各个阶段生长指标参数以模块的形式置入系统，通过系统界面进行自动选择，提高了系统在实用方面的可靠性，在实际应用中具有良好的推广性。