基于LabVIEW的农业大棚温湿度监测系统

陈冠文 王立达 韩成浩

(吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林 长春 130118)

引言

我国作为一个农耕强国，对农作物产品的需求量是非常巨大的。在以往的农业大棚农作物生产过程中，农民大多数使用空气温度计和空气湿度计来测量环境温度，并且通过人工升温降温及通风来改善农业大棚中的温度以及湿度。当前我国传统的农业大棚温湿度监测技术多采取人工巡检方法，由监测人员携带传感器在现场监测、录入观测数据，该方法工作效率低、成本费用高、耗费了大批人力物力，如不能及时作出调整，还会一定程度影响农作物产品的生产量和质量。故可以在现代化农业大棚中通过传感器采集农作物生产过程中的基本重要参数，而后对重要参数进加以信息处理，将这些数据上传至互联网，通过互联网让农村生产管理人员实时查看农业大棚中的各项相关数据及参数，并及时作出适当的生产调控，如此才能促进科学合理栽培，提升农产品综合经济效益和产品数量。

本文利用LabVIEW操作简单、图形化编程以及极强的图形化分析、处理能力等优点，采用温湿度传感器和单片机技术，设计一种基于LabVIEW的农业大棚温湿度监测系统。系统既可以通过数字和波形2种方式呈现测量数据，同时还可将采集到的数据与设定的阈值加以对比，从而触发报警，并能将接收到的温、湿度数据信息实时保存在用户设定的数据库Access中。

1 系统总体结构设计

1.1 系统设计

本系统设计通过采用温湿度传感器DHT11来检测农业大棚的作物温度和相对湿度，DHT11温湿度传感器测量的数据准确度能够满足现代农业生产要求。传感器DHT11的数据传输引脚通过与单片机的I/O引脚互连，再通过hex文件烧录过程，单片机就能够读取DHT11所采集到的数据，并将其发送至串口；LabVIEW[1]再利用串口读出温、湿度数据，最终实现对温、湿度数据信息的记录与储存。

单片机STC8A8K32S4将采集到的数据上传至串口，而STC8A8K32S4单片机实现串行口为全双工的串行通讯口，有4种工作方法，即8位同步移位寄存器应用；波特率可变的10位数UART；将波特率设置固定为2种的11位UART；将波特率设定为可变的11位UART。当与上位机通信时，本设计采用波特率可变的10位数UART来实现通信，即波特率倍增位置1，波特率设定4800bps，晶振选择12MHz。系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计图

1.2 下位机硬件设计

1.2.1 STC8A8K32S4单片机

STC8A8K64S4系列单片机是2016年推出的宽电压工作范围的1T单片机，该系列单片机工作电压为2.0～5.5V，相比STC15系列增加了I2C接口，并且ADC增加3个引脚(AVcc、Agnd、AVref)提高采集精度，STC8也是目前主推的MCU系列之一。其具有4路串口，9个定时器(5个普通定时器，4个CCP定时器)，12路PWM(8路15位带死区控制PWM，4路10位CCP的PWM)，15路12位ADC，1路I2C串行总线等。具有内部晶振(可软件配置)，无需搭建复位电路。而且STC单片机具有在应用编程，便于后期调试安装；含有10个AD、内部EEPROM，可以在1T/机器周期之中工作，速度是传统51单片机的8～12倍，价格也较便宜。

1.2.2 DHT11温湿度传感器

温湿度传感器选择通常会有2种方案[2]。使用DS18B20温度传感器和HS1101电容式湿度传感器，DS18B20温度传感器是一个具有单独接线口接线方式的传感器，测量的温度范围是-55.5～125.5℃，使用HS1101电容式湿度传感器，测量的湿度范围是0%～95%RH；直接利用DHT11数字温湿度传感器，其内部集成了NTC元件来实现温度测量，具有电阻式元件来测量湿度，温度工作范围在0～55℃，测量的湿度范围是25%～95%RH。经过2个方案的对比与分析，DHT11数字温湿度传感器具有数字可靠性和长期稳定性，而且还更为方便和简行。DHT11把采集到的温湿度数据以数字信号形式传送给单片机引脚进行处理，能够满足大部分农业大棚温湿度监测控制范围。

1.2.3 0.96OLED显示模块

通常来说，单片机获取到传感器发出的温湿度数据，将对其进行简单处理，直接通过显示模块把数据进行实时呈现，考虑到数据直观的呈现方式，温度、湿度的数据是可以分开显示的，这里采取0.96OLED显示模块，整体厚度低于1mm，只占到LCD屏幕的1/3，便于携带，有着良好稳定性和抗震性；基本不存在较高的可视化问题，即便是在较高分辨率情况下，画面依然保持清晰，没有出现失真情况；响应时间仅仅是LCD的1‰，显示运动画面不会出现任何拖影问题；整个显示屏适用工况良好，可以在极端情况下适用，甚至可以在-40℃环境正常工作，整体工艺非常简便，且有着良好经济性，性价比非常高。

1.3 系统软件控制方法

由于温湿度控制系统是一个闭环系统，因此利用闭环系统控制手段，也就是PID控制法[3]。事实上，PID控制法具有如下特征：工作原理非常简单，便于操作应用，有着良好的适应性特征，整个PID算法具有完整科学合理的参数整定和设计方式，方便操作掌控处理；绝大部分工业回路中关于控制响应速度和精度要求并不高，但对整个系统的稳定性和可靠性非常看重，为此采取PID控制法是个不错的选择，具有良好的性价比。

PID控制子程序属于整个系统控制重点内容，主要功能是结合预设基本参数和测量值开展比较、运算分析，控制各种执行电路的工作，可以符合温室大棚与湿度参数范围，处于固定范围内进行波动。对于程序初始化处理过程，单片机需要对PID程序进行初始化，获取温湿度数据，再结合PID控制对参数进行预设，找出前后差距，最后利用算法对其进行校正，确保整个参数在控制范围之中。

1.4 上位机LabVIEW设计

上位机设计采用虚拟仪器LabVIEW对温度和湿度数据信息的读取、转换和存储，主要有串口通信模块、温湿度监测模块、报警模块[4]、数据存储模块等。上位机流程图如图2所示。

图2 设计流程图

1.4.1 串口通信模块设计

为方便进行远程操控可将农业大棚内采集到的温湿度数据[5]发送到用户电脑，以便实时监测，因此将LabVIEW作为开发平台开发串口通信程序，本设计中用到了VISA驱动。VISA标准是中国新一代仪表I/O标准，是全球行业内通用规范，VISA具有和仪器硬件接口及具体计算机无关的特性，也就是VISA标准具有面向仪器作用，而并非直观面向端口总线。启动串口后，将数据转换为相对应的格式，接着使用VISA写入将数据传输至下位机；下位机接收到上位机传来的数据后，将采集到的数据信息反馈给上位机。串口部分的程序框图设计如图3所示。

图3 串口部分程序框图

1.4.2 温湿度检测模块设计

要得到温湿度传感器DHT11的数据信息，工程设计Check函数，初始化DHT11的端口，并检查DHT11能否正常连线，如果连线正确无误，则设置DATA引脚成输入；工程设计Read函数，使用while循环调节DATA电平的变化，从而实现在DHT11中直接读取数据。读取数据后对数据进行预处理，可选择将农业大棚内的实际温湿度与给定适合农作物生长的温湿度数值范围进行比较，当大棚中温度超过预设温度时，将启动冷却装置；在大棚温度较低情况下，将加热使温度回升，可人工进行选择添加。

1.4.3 温度报警模块设计

在串口接收区内建立局部变量，因为接收区内的主要数据类型是字符串，因此要求利用字符串实现“分数/指数字符串至数值转换”，将下位机传输的实际温度值转化为双精度的数据类型，然后通过在前面板上手动输入高温阈值和低温阈值实现温度判断，得到温度数值后，需要分析当前温度是否超过警戒线，超过温度预警值后，要进行报警指示。以上算法将能够直接添加到判断循环里面，但为了确保整个程序可读性，可以将其放置到VI里面。当实际环境温度高于设定的高温阈值，或低于设定的低温阈值[6]时，前面板上的警报灯变成红色，从而产生温度报警，将实时环境温度在波形图表中显示出来。温度报警模块的程序框图设计如图4所示。

图4 温度报警部分程序框图

1.4.4 数据库存储模块设计

Access是一种数据库系统应用的开发工具软件系统[7]。Access数据库系统工作时，将采用关联式管理兄台功能管理，利用对全部信息和数据内部关系处理，再对各类数据开展调用、处理即可。整个实际处理过程，具有良好的数据协调、整合处理的作用，可以提高数据整合效率。

关于Access数据库，其属于桌面数据库系统，在实际开发设计过程中，能够根据自身运行系统开发出有效系统，设计出专业性数据库应用程序，将其作为前端研发工具，与其余数据库实现良好处理。关于整个桌面数据处理，专业应用程序在整个运行处理中能够结合Access数据库自身操作方式进行处理，而此后能够获取到对应的开发结果，将其与其余数据库实现协同处理，利用整个方法来建立起系统中相应关系型数据库系统，便可以获取到综合性数据库管理系统。因为Access数据库结构简单且便于处理，因此在访问过程中无需经过多步操作。

本设计采用的是UDL连接的方法访问Access数据库。建立数据库，对NI License Activator进行配置，在数据源处填写Access数据库的存储位置和文件名测试连接，将.udl形式的文件保存，就能构成LabVIEW与Access数据库之间的连接。具体操作步骤：安装LabSQL，根据LabVIEW的实际安装路径将LabSQL工具包放到如下安装路径中；数据存储工具包主要使用ADO Connection Create.vi，ADO Connection Open.vi建立数据库的连接，SQL Execute.vi中采取INSERT INTO语句直接将日期、时间、接收温度添加到数据库中；OLEDB连接字符串格式：Provider=Microsoft Office 12.0 Access Database Engine OLE DB Provider；Data Source(其中，Provider表示数据库驱动程序，Data Source表示数据库的名称)。

1.4.5 模拟信号采集

数据采集是利用计算机对电压、电流、温度、压力等物理、电子现象开展处理。整个设计过程利用LabVIEW软件中DAQmx驱动实现对模拟信号编译处理，整个编程处理步骤如下。

资源配置、时间设定、数据采集以及读写操作，释放内存。假如采取联系信号采集，也就是要求在while循环中添加“读/写操作”，整个信号采集方式将为差分方式，各信号将含有2位AI通道来实现信号连接，利用信号正负两侧对应AI(n)和AI(n+8)。若采取AI0通道充当信号连接，事实上真实端口是AI0(信号正端)与AI8(信号负端)，时钟设定表示对采样频率和采样方式进行设置。

通常情况下，读写操作过程中VI属于多态VI，对应下拉选项李曼将含有多个选项来实现配置，譬如单通道单采样、多通道N采样等，能够结合具体需求制定需要采用的通道数和具体各通道的读写点数。

释放资源为优质线程中不可获取部分，在实现读写操作之后，可以把线程中各硬件资源进行释放，有助于对其资源反复使用，从而增强效率。模拟信号连续采样流程如图5所示。

图5 模拟信号连续采集

1.4.6 上位机前面板

设计Labview前面板，对于串口收发取主要功能是实现温湿度数据传输、显示、报警，温度波形图实时显示实际温度，与高、低温阈值温度进行比对，上位机前面板如图6所示。

图6 上位机前面板

2 系统调试

完成农业大棚温湿度采集系统的各设计模块搭建后[8]，将系统放入测试环境中。系统将温湿度传感器DHT11所采集到的温、湿度传输至单片机引脚，单片机通过USB转串口芯片CH340G与上位机实现串口通讯，将温、湿度数据传送到上位机当中，实时温度数据与实时温度波形图如图7所示，能进行自动报警且将测量数据存储于用户设定的Access数据库中，如图8所示。

图7 温度显示界面

图8 数据库存储界面

3 结论

本文设计了一种基于LabVIEW的现代农业大棚温、湿度监测管理系统，下位机将以STC8A8K32S4单片机和DHT11温湿度传感器来实现，能够直接在LabVIEW前面板上进行温、湿度数据和波形图显示，温、湿度数值超出或不足于预先设定值时，能够使用报警指示灯进行报警，且所得数据信息均保存在用户自建的Access数据库当中，该监测系统可广泛应用于农业大棚，以改善目前农村农业设施的信息化、智能化、自动化水平不高的状况，用户也能够随时使用电脑查看当前农业大棚内部的温、湿度数据信息，为我国农业大棚的温湿度采集及监测系统提供了一种科学方法。