溫室環(huán)境計算機測控系統(tǒng)研究

1、溫室環(huán)境計算機測控系統(tǒng)研究指導教師：錢東平 霍曉靜 唐 娟 呂長飛學生：馬 超摘 要 本文采用虛擬儀器技術(shù)，將傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合起來，進行了溫室環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計。硬件上采用溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器和二氧化碳濃度傳感器檢測各環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的自動采集；利用遮陽幕、二氧化碳發(fā)生器、微灌系統(tǒng)等實現(xiàn)了溫室環(huán)境的智能調(diào)節(jié)。軟件上基于LabWindows/CVI虛擬儀器開發(fā)平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和系統(tǒng)的控制。 關(guān)鍵詞 溫室 虛擬儀器 數(shù)據(jù)采集 LabWindows/CVIAbstract This literary grace uses the virtua

2、l instrumentation technique, combined with the sensor technique and the computer technique, proceeding the greenhouse environment monitors hardware and software designs of the control system. On the hardware, with the temperature sensor, the humidity sensor ,the light-shines sensor and the carbon se

3、nsor ,examining each environment parameter, realizes the environment parameter collect automatically; Make use of to hide the act of sun , carbon dioxide occurrence machine, tiny irrigate system etc. realizes the environmental intelligence in greenhouse regulates. On the software according to LabWin

4、dows/ CVI virtual instrument development terrace, realizes the data collections, handles with the control of the system.Key words Greenhouse environment; Virtual instrumentation; The data collections; LabWindows/CVI1概述 世界發(fā)達國家如荷蘭、美國、英國等大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)研制成功對溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、氣體交換、滴灌、營養(yǎng)液循環(huán)等實現(xiàn)計算機自動控制的現(xiàn)代化高科技溫室，

5、甚至于育苗、移栽、清洗、包裝等也是實現(xiàn)了機械化、自動化。此外，遙感技術(shù)（Wireless Technology）、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Transfer Control Protocel-Internet Protocol/TCP-IP)、控制局域網(wǎng)（Ctroller area network）也逐漸應(yīng)用于溫室的管理與控制中。目前，美國已將全球定位系統(tǒng)、遙感遙測等高新技術(shù)應(yīng)用于溫室生產(chǎn)，由82%的溫室使用計算機進行控制，有67%的農(nóng)戶使用計算機，其中27%的農(nóng)戶還用于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。英國的智能溫室系統(tǒng)，西班牙和奧地利的遙控溫室系統(tǒng)都是計算機控制的成功應(yīng)用，另外，德國已將3S技術(shù)（地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)

6、GPS和遙感技術(shù)RS）應(yīng)用于溫室。2 系統(tǒng)總體方案2.1 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器的概念首先由美國國家儀器公司（National Instruments Corporation 簡稱NI）于1986提出。虛擬儀器由用戶自己定義，這就意味著我們可以自由組合計算機平臺、硬件、軟件以及各種完成應(yīng)用系統(tǒng)所需的附件，而這種靈活性在傳統(tǒng)儀器上是達不到的。虛擬儀器系統(tǒng)包括GPIB(IEEE 488.2)、VXIbus、插入式數(shù)據(jù)圖像采集板、串行通信與網(wǎng)絡(luò)等四類I/O接口，其中GPIB是目前使用最為廣泛的儀器接口。其構(gòu)成方案如圖21所示。DAQ板卡DAQ盒信號調(diào)理測控對象GPIB接口卡GPIB儀器VXI儀器串行儀

7、器PLC現(xiàn)場總線（Fieldbus）設(shè)備其它計算機外圍設(shè)備虛擬儀器軟件開發(fā)平臺PC圖2-1 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成方案 2.2 系統(tǒng)主要環(huán)境因子的特征影響生物生長發(fā)育的主要環(huán)境條件包括：光照（光照強度、光照時數(shù)、光質(zhì)），溫度，濕度，氣體等環(huán)境條件。2.2.1 光照環(huán)境植物的生命活動與光照密不可分，光照是植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。 1）光照強度溫室內(nèi)的光照強度一般比自然光弱，不同的覆蓋材料造成溫室內(nèi)的光照強度差別較大，塑料溫室大棚的平均透光率約為50%, 全光玻璃溫室的透光率約為60%,最大可達70%,光照強度可通過遮陽幕,有條件的可采用補光系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。2) 光照時數(shù) 光照時數(shù)因溫室類型而異,其中全面

8、透光無覆蓋的溫室的光照時數(shù)露地基本相同。在寒冷的季節(jié),為了防止保溫而覆蓋在溫室天面的蒲席、草氈,其揭蓋時間直接影響溫室內(nèi)受光時數(shù)。3) 光質(zhì) 溫室內(nèi)的光質(zhì)與自然光不同,主要與覆蓋材料,如塑料薄膜、硬質(zhì)塑料板材、玻璃等的性質(zhì)有關(guān),透過的光質(zhì)與覆蓋材料的組成成分、顏色等有直接關(guān)系,所以必須根據(jù)室內(nèi)種植植物的品種,選擇有利于該作物生長發(fā)育的覆蓋材料。2.2.2 溫度環(huán)境溫度是影響植物生長發(fā)育的最重要的環(huán)境因子,它影響著植物體內(nèi)的生理變化,是植物生命活動的基本要素。室內(nèi)的調(diào)節(jié)包括保溫、加溫和降溫。2.2.3 濕度環(huán)境濕度分空氣濕度和土壤濕度兩方面。室內(nèi)濕度的大小是水分多少的反映,直接影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量

9、和品質(zhì)?？諝鉂穸鹊恼{(diào)節(jié)主要根據(jù)植物生長的濕度要求進行除濕和加濕。空氣除濕的方法有:通風換氣、加溫除濕和控制灌溉量?？諝饧訚竦姆椒ㄓ?噴霧加濕、濕簾加濕等。土壤的濕度調(diào)節(jié)主要是調(diào)節(jié)灌溉量。2.2.4氣體環(huán)境二氧化碳濃度的調(diào)節(jié)和控制：在半封閉或全封閉的溫室內(nèi),作物不斷的從空氣中吸收二氧化碳,而外界大氣中二氧化碳又不能及時補充,造成溫室內(nèi)的二氧化碳濃度很低,無法充分滿足作物的生長需要.調(diào)節(jié)二氧化碳濃度主要采取通風換氣和人為補充二氧化碳濃度的方法。2.3 系統(tǒng)硬件總體方案結(jié)構(gòu)對于溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計，主要包括兩方面： 環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計； 環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2 數(shù)據(jù)采集板溫

10、度傳感器光照傳感器CO2濃度傳感器繼電器或電磁閥執(zhí)行機構(gòu)濕度傳感器遮陽幕降溫加濕升溫除濕CO2 儲氣罐計算機控制中心打印機鍵盤控制報警裝置天窗側(cè)窗 圖2-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3 測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件部分：1) 計算機 是整個測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、控制決策的中心。2) 信號檢測部分 指傳感器，它們進行溫室內(nèi)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)的采集并傳送給數(shù)據(jù)采集板。3) 數(shù)據(jù)采集部分 指數(shù)據(jù)采集板及其配套設(shè)備，將采集到的數(shù)據(jù)進行A/D 轉(zhuǎn)換，傳送進入計算機，進行進一步的分析處理；再將計算機輸出的控制結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換，輸出給控制部分。4) 執(zhí)行機構(gòu) 根據(jù)控制結(jié)果進行相應(yīng)的動作，最終達到使溫室環(huán)境參數(shù)達到

11、最理想的狀態(tài)。3.1 系統(tǒng)計算機的選用 普通PC機，要求配置具有較高的運行速度和較快的數(shù)據(jù)處理能力，以便進行及時的數(shù)據(jù)運算和實時控制；具有較大的硬盤存儲空間，用于存儲檢測的數(shù)據(jù)，以便進行分析和查詢，能保證系統(tǒng)的正常運行。3.2 傳感器的選用3.2.1溫度傳感器 本系統(tǒng)采用的是JWSL型熱電阻溫度傳感變送器，其感溫元件為靈敏度高、線性好的PT1000鉑電阻。鉑電阻具有電阻率高，在使用的溫度范圍050內(nèi)，材料的物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點。3.2.2 濕度傳感器本系統(tǒng)中濕度傳感器采用的是JWSL型高分子濕敏電容式濕度傳感變送器，可測量20100%RH，它具有線性好、精度高、響應(yīng)時間快、使用溫度范圍寬、

12、壽命長等優(yōu)點。其濕敏元件為HS15型日產(chǎn)高分子感濕探頭，可連續(xù)高濕使用，抗結(jié)露，常溫下使用不需溫度補償。3.2.3照度傳感器本系統(tǒng)選擇了 ZD-VB型照度變送器對光照進行測量。其工作原理：采用光電二極管將光照強度轉(zhuǎn)換為電流信號，在經(jīng)運算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。3.2.4 二氧化碳濃度傳感器本系統(tǒng)選用芬蘭生產(chǎn)的GMW22型紅外二氧化碳氣敏傳感器，此傳感器具有精度高、選擇性好、濃度檢測范圍大（可檢測02000ppm）濃度等特點。3.3 數(shù)據(jù)采集板 LabWindows/CVI軟件獲取數(shù)據(jù)的方法是通過對I/O接口設(shè)備的驅(qū)動完成的。虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口設(shè)備主要是數(shù)據(jù)采集板。本系統(tǒng)選擇了美國NI

13、公司生產(chǎn)的插入式數(shù)據(jù)采集板PCI6024E。4 執(zhí)行機構(gòu)溫室的環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)包括：1）幕簾保濕與遮陰系統(tǒng)夏季晴天可根據(jù)作物的光照需求關(guān)閉進行遮陰與降溫；冬季夜間可以關(guān)閉保溫。其保溫原理：冬季夜間溫室的熱量散失主要是通過頂棚和天溝輻射散熱，造成溫室頂部溫度低，底下空氣溫度高。當保溫遮陰幕關(guān)閉后，可以阻隔溫室內(nèi)空氣對流，使熱空氣留在溫室內(nèi)花卉生長的空間，另外，保溫濕簾能有效的反射夜間溫室內(nèi)的紅外輻射，防止熱量通過輻射形式散失。 2）熱水采暖系統(tǒng) 在溫室供暖時，一般采用的都是熱水采暖系統(tǒng)。采暖期間，熱負荷大時2臺水泵全開，較小時只開1臺。根據(jù)市內(nèi)實際溫度與要求的溫度的差通過三向閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水溫度，避

14、免冬季通過換氣體調(diào)節(jié)溫度而浪費能量。3）二氧化碳控制系統(tǒng) 當二氧化碳的含量低于一定值時打開二氧化碳儲氣罐增施氣肥。4）微灌系統(tǒng) 由補償型滴灌帶、過濾器、電磁閥和控制器組成。當土壤水分不足時，可以及時補充水分。5）自然通風系統(tǒng) 自然通風系統(tǒng)由天窗和側(cè)窗組成，自然通風系統(tǒng)的作用原理包括熱壓作用和風壓作用，前者是利用溫差而產(chǎn)生的室內(nèi)外的壓力差形成熱壓條件而通風換氣。后者是利用風吹向建筑物時，迎風面形成正壓，背風面形成負壓，形成風壓作用而自然通風。自然通風系統(tǒng)主要用于春季、秋季等氣溫不很高的季節(jié)的換氣和通風。6）濕簾降溫系統(tǒng) 強制通風濕簾降溫系統(tǒng)由風機和濕簾窗組成。主要用于夏季，室外處于高溫，自然通風

15、系統(tǒng)不能起到降溫作用時的降溫。相對于噴霧排風法，濕簾降溫系統(tǒng)具有不易產(chǎn)生病蟲害，降溫效果好，成本低等特點。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 軟件系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)采用了中文Windows98/2000/ XP操作系統(tǒng)作為軟件的運行環(huán)境，開發(fā)工具選用了美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)軟件LabWindows/CVI，該系統(tǒng)給用戶提供良好的軟件環(huán)境，便于操作，同時使系統(tǒng)的軟硬件資源得到充分利用。LabWindows/CVI(C for Virtual Instrumentation)是一個用CC+語言構(gòu)建儀器系統(tǒng)的交互式軟件開發(fā)環(huán)境，其目的就是使用戶易于開發(fā)和調(diào)試虛擬儀器系統(tǒng)。LabWindows/CVI使用

16、單一的開發(fā)環(huán)境，可以通過模塊化方式對C語言進行編輯、編譯、連接和調(diào)試。4.3 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計系統(tǒng)軟件由六大模塊組成：參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析和處理模塊、控制輸出模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置控制參數(shù)設(shè)置溫度信號濕度信號照度信號濃度信號均值去除法信號濾波處理降溫加濕信號二氧化碳加濃升溫除濕信號報警信號數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)存儲打印輸出參數(shù)設(shè)置模塊數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊控制輸出模塊數(shù)據(jù)管理模塊系統(tǒng)軟件主體圖4-2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖4.4 系統(tǒng)主要功能模塊軟件主要完成了信號檢測與采集數(shù)據(jù)的處理。4.4.1參數(shù)設(shè)置模塊操作人員在進入測控系統(tǒng)的開始，就要首先驗明身份。如果密碼錯誤，則禁止進入系統(tǒng)

17、。由于不同的作物在不同的生長時期對環(huán)境參數(shù)的要求不同，同一作物在不同發(fā)育期也對環(huán)境要求不同，所以把環(huán)境參數(shù)作為控制參數(shù)向數(shù)據(jù)實時采集控制模塊中發(fā)送，能夠更好的滿足生物生長所需環(huán)境。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能主要用于設(shè)定人為要求的環(huán)境因子的適宜數(shù)值。系統(tǒng)中默認的可向數(shù)據(jù)實時采集控制模塊發(fā)送的控制參數(shù)有溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度等環(huán)境參數(shù)。該窗口的界面如圖4-4 圖4-3 用戶密碼檢驗 圖4-4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置4.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)同步采集、波形實時顯示以及數(shù)據(jù)存儲功能。以動態(tài)曲線或表格的形式顯示環(huán)境因子參數(shù)的實時變化，同時根據(jù)設(shè)定的報警值，進行報警，完成溫室環(huán)境實時監(jiān)

18、測。 信號采集的任務(wù)就是將傳感器采集的電壓信號通過各采集通道輸入到計算機中，最后再實時的顯示出來。被采集的信號能否再實現(xiàn)真實信號，與采樣方式的選擇和采樣時間的確定有很大關(guān)系。本系統(tǒng)選用實時采樣方式。圖4-5 數(shù)據(jù)采集/存儲界面4.4.3數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理就是從原始數(shù)據(jù)中產(chǎn)生信息的過程。在計算機測控系統(tǒng)中，模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量送入計算機，此數(shù)字量在進行顯示、報警和控制之前，還必須根據(jù)需要進行一些加工處理，如：數(shù)字濾波、標度變換、數(shù)值計算、邏輯判斷等，以滿足系統(tǒng)的不同需要。4.4.4 控制輸出模塊 本系統(tǒng)的控制部分主要是實現(xiàn)溫室內(nèi)各環(huán)境因子的調(diào)控。根據(jù)計算機的數(shù)據(jù)顯示和報警信號，可以在執(zhí)行機構(gòu)界面進行操作以滿足作物適宜的生長環(huán)境。圖4-6 執(zhí)行機構(gòu)界面4.4.4數(shù)據(jù)管理模塊本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲是以天為單位的。將采集到的24小時的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以文件的形式進行數(shù)據(jù)的存儲，存儲的數(shù)據(jù)文件以數(shù)據(jù)采集的日期作為文件的名稱，數(shù)據(jù)采集的時間和數(shù)據(jù)作為文件存儲的內(nèi)容，這樣可以方便的滿足對文件的操作。同時