溫室環(huán)境計算機測控系統(tǒng)研究

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：馬超摘要本文文采用虛虛擬儀器器技術，將將傳感器器技術和和計算機機技術結結合起來來，進行行了溫室室環(huán)境監(jiān)監(jiān)測控制制系統(tǒng)的的硬件及及軟件設設計。硬硬件上采采用溫度度傳感器器、濕度度傳感器器、光照照傳感器器和二氧氧化碳濃濃度傳感感器檢測測各環(huán)境境參數(shù)，實實現(xiàn)了環(huán)環(huán)境參數(shù)數(shù)的自動動采集；；利用遮遮陽幕、二二氧化碳碳發(fā)生器器、微灌灌系統(tǒng)等等實現(xiàn)了了溫室環(huán)環(huán)境的智智能調節(jié)節(jié)。軟件件上基于于LabbWinndowws/CCVI虛虛擬儀器器開發(fā)平平臺，實實現(xiàn)了數(shù)數(shù)據(jù)的采采集、處處理和系系統(tǒng)的控控制。關鍵詞溫室虛擬擬儀器數(shù)據(jù)據(jù)采集LaabWiindoows//CVIIAbstrracttThiislliteerarryggracceuusessthhevvirttuallinnstrrumeentaatioonttechhniqque,,coombiineddwiiththeeseensoorttechhniqqueanddthheccompputeerttechhniqque,,prroceeediingtheegrreennhouuseenvviroonmeentmonnitoorsharrdwaareanddsooftwwareedeesiggnsoftheecoontrrolsysstemm.OOnttheharrdwaare,,witthtthetemmperratuuresennsorr,thhehhumiidittyssenssor,thhellighht-sshinnessennsorranndtthecarrbonnseensoor,,exaaminninggeaachenvviroonmeentparrameeterr,rreallizeesttheenvviroonmeentparrameeterrcoolleectauttomaaticcallly;Makkeuuseoftohiddettheacttoffsuun,,caarboonddioxxideeocccurrrenncemacchinne,tinnyiirriigattessysttemetcc.rreallizeesttheenvviroonmeentaaliinteelliigennceingreeenhhousserreguulattes..OnnthhessofttwarreaaccoordiingtoLabbWinndowws/CVIIviirtuualinsstruumenntddeveeloppmennttterrracee,rreallizeestthedattaccolllecttionns,hanndleeswwithhthhecconttrolloffthhessysttem..KeywworddsGreeenhoouseeennvirronmmentt;Viirtuualinsstruumenntattionn;Theddataacoolleectiionss;LLabWWinddowss/CVVI1概述世世界發(fā)達達國家如如荷蘭、美美國、英英國等大大力發(fā)展展集約化化的溫室室產(chǎn)業(yè)，已已經(jīng)研制制成功對對溫室內內溫度、濕濕度、光光照、氣氣體交換換、滴灌灌、營養(yǎng)養(yǎng)液循環(huán)環(huán)等實現(xiàn)現(xiàn)計算機機自動控控制的現(xiàn)現(xiàn)代化高高科技溫溫室，甚甚至于育育苗、移移栽、清清洗、包包裝等也也是實現(xiàn)現(xiàn)了機械械化、自自動化。此此外，遙遙感技術術（WiirellesssTeechnnoloogy）、網(wǎng)網(wǎng)絡技術術(TrranssferrCoontrrolProotoccel--IntternnetProotoccol//TCPP-IPP)、控控制局域域網(wǎng)（CCtroolleeraareaaneetwoork）也也逐漸應應用于溫溫室的管管理與控控制中。目目前，美美國已將將全球定定位系統(tǒng)統(tǒng)、遙感感遙測等等高新技技術應用用于溫室室生產(chǎn)，由由82%%的溫室室使用計計算機進進行控制制，有667%的的農(nóng)戶使使用計算算機，其其中277%的農(nóng)農(nóng)戶還用用于網(wǎng)絡絡技術。英英國的智智能溫室室系統(tǒng)，西西班牙和和奧地利利的遙控控溫室系系統(tǒng)都是是計算機機控制的的成功應應用，另另外，德德國已將將3S技術（地地理信息息系統(tǒng)GGIS、全全球定位位系統(tǒng)GGPS和和遙感技技術RSS）應用用于溫室室。2系統(tǒng)總總體方案案2.1虛虛擬儀器器技術虛擬儀器的的概念首首先由美美國國家家儀器公公司（NNatiionaalIInsttrummenttsCCorpporaatioon簡簡稱NII）于119866提出。虛虛擬儀器器由用戶戶自己定定義，這這就意味味著我們們可以自自由組合合計算機機平臺、硬硬件、軟軟件以及及各種完完成應用用系統(tǒng)所所需的附附件，而而這種靈靈活性在在傳統(tǒng)儀儀器上是是達不到到的。虛擬儀器系系統(tǒng)包括括GPIIB(IIEEEE4888.22)、VVXIbbus、插插入式數(shù)數(shù)據(jù)／圖圖像采集集板、串串行通信信與網(wǎng)絡絡等四類類I/OO接口，其中GPIB是目前使用最為廣泛的儀器接口。其構成方案案如圖22–1所示示。DAQ板卡／DAQ盒DAQ板卡／DAQ盒信號調理測控對象GPIB接口卡GPIB儀器VXI儀器串行儀器／PLC現(xiàn)場總線（Fieldbus）設備其它計算機外圍設備虛擬儀器軟件開發(fā)平臺PC圖2-1虛擬儀器系統(tǒng)的構成方案2.2系系統(tǒng)主要要環(huán)境因因子的特特征影響生物生生長發(fā)育育的主要要環(huán)境條條件包括括：光照照（光照照強度、光光照時數(shù)數(shù)、光質質），溫溫度，濕濕度，氣氣體等環(huán)環(huán)境條件件。2.2.11光照照環(huán)境植物的生命命活動與與光照密密不可分分，光照照是植物物賴以生生存的物物質基礎礎。1）光照強強度溫室內的光光照強度度一般比比自然光光弱，不不同的覆覆蓋材料料造成溫溫室內的的光照強強度差別別較大，塑塑料溫室室大棚的的平均透透光率約約為500%,全光玻玻璃溫室室的透光光率約為為60%%,最大大可達770%,,光照強強度可通通過遮陽陽幕,有有條件的的可采用用補光系系統(tǒng)來調調節(jié)。2)光照照時數(shù)光照時時數(shù)因溫溫室類型型而異,,其中全全面透光光無覆蓋蓋的溫室室的光照照時數(shù)露露地基本本相同。在在寒冷的的季節(jié),,為了防防止保溫溫而覆蓋蓋在溫室室天面的的蒲席、草草氈,其其揭蓋時時間直接接影響溫溫室內受受光時數(shù)數(shù)。3)光質質溫室內內的光質質與自然然光不同同,主要要與覆蓋蓋材料,,如塑料料薄膜、硬硬質塑料料板材、玻玻璃等的的性質有有關,透透過的光光質與覆覆蓋材料料的組成成成分、顏顏色等有有直接關關系,所所以必須須根據(jù)室室內種植植植物的的品種,,選擇有有利于該該作物生生長發(fā)育育的覆蓋蓋材料。2.2.22溫度度環(huán)境溫度是影響響植物生生長發(fā)育育的最重重要的環(huán)環(huán)境因子子,它影影響著植植物體內內的生理理變化,,是植物物生命活活動的基基本要素素。室內內的調節(jié)節(jié)包括保保溫、加加溫和降降溫。2.2.33濕度度環(huán)境濕度分空氣氣濕度和和土壤濕濕度兩方方面。室室內濕度度的大小小是水分分多少的的反映,,直接影影響著農(nóng)農(nóng)作物的的產(chǎn)量和和品質?？湛諝鉂穸榷鹊恼{節(jié)節(jié)主要根根據(jù)植物物生長的的濕度要要求進行行除濕和和加濕?？湛諝獬凉駶竦姆椒ǚㄓ?通通風換氣氣、加溫溫除濕和和控制灌灌溉量?？湛諝饧訚駶竦姆椒ǚㄓ?噴噴霧加濕濕、濕簾簾加濕等等。土壤壤的濕度度調節(jié)主主要是調調節(jié)灌溉溉量。2.2.44氣體環(huán)環(huán)境二氧化碳濃濃度的調調節(jié)和控控制：在在半封閉閉或全封封閉的溫溫室內,,作物不不斷的從從空氣中中吸收二二氧化碳碳,而外外界大氣氣中二氧氧化碳又又不能及及時補充充,造成成溫室內內的二氧氧化碳濃濃度很低低,無法法充分滿滿足作物物的生長長需要..調節(jié)二二氧化碳碳濃度主主要采取取通風換換氣和人人為補充充二氧化化碳濃度度的方法法。2.3系系統(tǒng)硬件件總體方方案結構構對于溫室環(huán)環(huán)境監(jiān)控控系統(tǒng)的的硬件設設計，主主要包括括兩方面面：=1\*GB3①環(huán)境境參數(shù)檢檢測系統(tǒng)統(tǒng)的設計計；=2\*GB3②環(huán)境境調控系系統(tǒng)的設設計。系系統(tǒng)結構構如圖22-2數(shù)據(jù)采集板溫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窗圖2-2系統(tǒng)統(tǒng)結構框框圖3測控控系統(tǒng)的的硬件設設計系統(tǒng)的硬件件部分：：計算機是整個個測控系系統(tǒng)的數(shù)數(shù)據(jù)采集集、數(shù)據(jù)據(jù)管理、控控制決策策的中心心。信號檢測部部分指傳感感器，它它們進行行溫室內內環(huán)境因因子的數(shù)數(shù)據(jù)的采采集并傳傳送給數(shù)數(shù)據(jù)采集集板。數(shù)據(jù)采集部部分指數(shù)據(jù)據(jù)采集板板及其配配套設備備，將采采集到的的數(shù)據(jù)進進行A//D轉轉換，傳傳送進入入計算機機，進行行進一步步的分析析處理；；再將計計算機輸輸出的控控制結果果通過DD/A轉轉換，輸輸出給控控制部分分。執(zhí)行機構根據(jù)據(jù)控制結結果進行行相應的的動作，最最終達到到使溫室室環(huán)境參參數(shù)達到到最理想想的狀態(tài)態(tài)。3.1系系統(tǒng)計算算機的選選用普通PCC機，要要求配置置具有較較高的運運行速度度和較快快的數(shù)據(jù)據(jù)處理能能力，以以便進行行及時的的數(shù)據(jù)運運算和實實時控制制；具有有較大的的硬盤存存儲空間間，用于于存儲檢檢測的數(shù)數(shù)據(jù)，以以便進行行分析和和查詢，能能保證系系統(tǒng)的正正常運行行。3.2傳傳感器的的選用3.2.11溫度傳傳感器本系統(tǒng)采用用的是JJWSLL型熱電電阻溫度度傳感變變送器，其其感溫元元件為靈靈敏度高高、線性性好的PPT10000鉑鉑電阻。鉑鉑電阻具具有電阻阻率高，在在使用的的溫度范范圍0℃℃～500℃內，材材料的物物理和化化學性質質穩(wěn)定等等優(yōu)點。3.2.22濕度度傳感器器本系統(tǒng)中濕濕度傳感感器采用用的是JJWSLL型高分分子濕敏敏電容式式濕度傳傳感變送送器，可可測量220～1100%%RH，它它具有線線性好、精精度高、響響應時間間快、使使用溫度度范圍寬寬、壽命命長等優(yōu)優(yōu)點。其其濕敏元元件為HHS155型日產(chǎn)產(chǎn)高分子子感濕探探頭，可可連續(xù)高高濕使用用，抗結結露，常常溫下使使用不需需溫度補補償。3.2.33照度傳傳感器本系統(tǒng)選擇擇了ZZD-VVB型照照度變送送器對光光照進行行測量。其其工作原原理：采采用光電電二極管管將光照照強度轉轉換為電電流信號號，在經(jīng)經(jīng)運算放放大器轉轉換為電電壓信號號輸出。3.2.44二氧化化碳濃度度傳感器器本系統(tǒng)選用用芬蘭生生產(chǎn)的GGMW222型紅紅外二氧氧化碳氣氣敏傳感感器，此此傳感器器具有精精度高、選選擇性好好、濃度度檢測范范圍大（可可檢測00~20000pppm）濃濃度等特特點。3.3數(shù)據(jù)據(jù)采集板板LabWiindoows//CVII軟件獲獲取數(shù)據(jù)據(jù)的方法法是通過過對I//O接口口設備的的驅動完完成的。虛虛擬儀器器系統(tǒng)中中，I//O接口口設備主主要是數(shù)數(shù)據(jù)采集集板。本本系統(tǒng)選選擇了美美國NII公司生生產(chǎn)的插插入式數(shù)數(shù)據(jù)采集集板PCCI—60224E。4執(zhí)行機機構溫室的環(huán)境境調控系系統(tǒng)包括括：1）幕簾保保濕與遮遮陰系統(tǒng)統(tǒng)夏季晴天可可根據(jù)作作物的光光照需求求關閉進進行遮陰陰與降溫溫；冬季季夜間可可以關閉閉保溫。其其保溫原原理：冬冬季夜間間溫室的的熱量散散失主要要是通過過頂棚和和天溝輻輻射散熱熱，造成成溫室頂頂部溫度度低，底底下空氣氣溫度高高。當保保溫遮陰陰幕關閉閉后，可可以阻隔隔溫室內內空氣對對流，使使熱空氣氣留在溫溫室內花花卉生長長的空間間，另外外，保溫溫濕簾能能有效的的反射夜夜間溫室室內的紅紅外輻射射，防止止熱量通通過輻射射形式散散失。2）熱水水采暖系系統(tǒng)在溫溫室供暖暖時，一一般采用用的都是是熱水采采暖系統(tǒng)統(tǒng)。采暖暖期間，熱熱負荷大大時2臺水泵全全開，較較小時只只開1臺臺。根據(jù)據(jù)市內實實際溫度度與要求求的溫度度的差通通過三向向閥調節(jié)節(jié)系統(tǒng)的的供水溫溫度，避避免冬季季通過換換氣體調調節(jié)溫度度而浪費費能量。3）二氧化化碳控制制系統(tǒng)當當二氧化化碳的含含量低于于一定值值時打開開二氧化化碳儲氣氣罐增施施氣肥。4）微灌系系統(tǒng)由由補償型型滴灌帶帶、過濾濾器、電電磁閥和和控制器器組成。當當土壤水水分不足足時，可可以及時時補充水水分。5）自然通通風系統(tǒng)統(tǒng)自然然通風系系統(tǒng)由天天窗和側側窗組成成，自然然通風系系統(tǒng)的作作用原理理包括熱熱壓作用用和風壓壓作用，前前者是利利用溫差差而產(chǎn)生生的室內內外的壓壓力差形形成熱壓壓條件而而通風換換氣。后后者是利利用風吹吹向建筑筑物時，迎迎風面形形成正壓壓，背風風面形成成負壓，形形成風壓壓作用而而自然通通風。自自然通風風系統(tǒng)主主要用于于春季、秋秋季等氣氣溫不很很高的季季節(jié)的換換氣和通通風。6）濕簾降降溫系統(tǒng)統(tǒng)強制制通風濕濕簾降溫溫系統(tǒng)由由風機和和濕簾窗窗組成。主主要用于于夏季，室室外處于于高溫，自自然通風風系統(tǒng)不不能起到到降溫作作用時的的降溫。相相對于噴噴霧排風風法，濕濕簾降溫溫系統(tǒng)具具有不易易產(chǎn)生病病蟲害，降降溫效果果好，成成本低等等特點。4系統(tǒng)軟件件設計4.1軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)的開發(fā)發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)采用用了中文文Winndowws988/20000//XPP操作系系統(tǒng)作為為軟件的的運行環(huán)環(huán)境，開開發(fā)工具具選用了了美國NNI公司司推出的的虛擬儀儀器開發(fā)發(fā)軟件LLabWWinddowss/CVVI，該該系統(tǒng)給給用戶提提供良好好的軟件件環(huán)境，便便于操作作，同時時使系統(tǒng)統(tǒng)的軟硬硬件資源源得到充充分利用用。LabWiindoows//CVII(CforrViirtuualInsstruumenntattionn)是一一個用CC／C+++語言言構建儀儀器系統(tǒng)統(tǒng)的交互互式軟件件開發(fā)環(huán)環(huán)境，其其目的就就是使用用戶易于于開發(fā)和和調試虛虛擬儀器器系統(tǒng)。LabWindows/CVI使用單一的開發(fā)環(huán)境，可以通過模塊化方式對C語言進行編輯、編譯、連接和調試。4.3系系統(tǒng)軟件件的總體體設計系統(tǒng)軟件由由六大模模塊組成成：參數(shù)數(shù)設置模模塊、數(shù)數(shù)據(jù)采集集模塊、數(shù)數(shù)據(jù)分析析和處理理模塊、控控制輸出出模塊、數(shù)數(shù)據(jù)管理理模塊。系統(tǒng)參數(shù)設置系統(tǒng)參數(shù)設置控制參數(shù)設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)軟軟件結構構圖4.4系統(tǒng)主主要功能能模塊軟件主要完完成了信信號檢測測與采集集數(shù)據(jù)的的處理。4.4.11參數(shù)設設置模塊塊操作人員在在進入測測控系統(tǒng)統(tǒng)的開始始，就要要首先驗驗明身份份。如果果密碼錯錯誤，則則禁止進進入系統(tǒng)統(tǒng)。由于于不同的的作物在在不同的的生長時時期對環(huán)環(huán)境參數(shù)數(shù)的要求求不同，同同一作物物在不同同發(fā)育期期也對環(huán)環(huán)境要求求不同，所所以把環(huán)環(huán)境參數(shù)數(shù)作為控控制參數(shù)數(shù)向數(shù)據(jù)據(jù)實時采采集控制制模塊中中發(fā)送，能能夠更好好的滿足足生物生生長所需需環(huán)境。系系統(tǒng)參數(shù)數(shù)設置功功能主要要用于設設定人為為要求的的環(huán)境因因子的適適宜數(shù)值值。系統(tǒng)統(tǒng)中默認認的可向向數(shù)據(jù)實實時采集集控制模模塊發(fā)送送的控制制參數(shù)有有溫度、濕濕度、二二氧化碳碳濃度、光光照度等等環(huán)境參參數(shù)。該該窗口的的界面如如圖4--4圖4--3用戶密密碼檢驗驗圖4--4系系統(tǒng)參數(shù)數(shù)設置4.4.22數(shù)數(shù)據(jù)采集集模塊數(shù)據(jù)據(jù)采集模模塊主要要實現(xiàn)多多通道數(shù)數(shù)據(jù)同步步采集、波波形實時時顯示以以及數(shù)據(jù)據(jù)存儲功功能。以以動態(tài)曲曲線或表表格的形形式顯示示環(huán)境因因子參數(shù)數(shù)的實時時變化，同同時根據(jù)據(jù)設定的的報警值值，進行行報警，完完成溫室室環(huán)境實實時監(jiān)測測。信號號采集的的任務就就是將傳傳感器采采集的電電壓信號號通過各各采集通通道輸入入到計算算機中，最最后再實實時的顯顯示出來來。被采采集的信信號能否否再實現(xiàn)現(xiàn)真實信信號，與與采樣方方式的選選擇和采采樣時間間的確定定有很大大關系。本本系統(tǒng)選選用實時時采樣方方式。圖4-5數(shù)據(jù)據(jù)采集//存儲界界面4.4.33數(shù)據(jù)處處理模塊塊數(shù)據(jù)處理就就是從原原始數(shù)據(jù)據(jù)中產(chǎn)生生信息的的過程。在在計算機機測控系系統(tǒng)中，模模擬量經(jīng)經(jīng)A/DD轉換后后變?yōu)閿?shù)數(shù)字量送送入計算算機，此此數(shù)字量量在進行行顯示、報報警和控控制之前前，還必必須根據(jù)據(jù)需要進進行一些些加工處處理，如如：數(shù)字字濾波、標標度變換換、數(shù)值值計算、邏邏輯判斷斷等，以以滿足系系統(tǒng)的不不同需要要。4.4.44控制制輸出模模塊本系統(tǒng)的控控制部分分主要是是實現(xiàn)溫溫室內各各環(huán)境因因子的調調控。根根據(jù)計算算機的數(shù)數(shù)據(jù)顯示示和報警警信號，可可以在執(zhí)執(zhí)行機構構界面進進行操作作以滿足足作物適適宜的生生長環(huán)境境。圖4-6執(zhí)行行機構界界面4.4.44數(shù)據(jù)管管理模塊塊本系統(tǒng)中數(shù)數(shù)據(jù)的存存儲是以以天為單單位的。將將采集到到的244小時的的實時監(jiān)監(jiān)測數(shù)據(jù)據(jù)以文件件的形式式進行數(shù)數(shù)據(jù)的存存儲，存存儲的數(shù)數(shù)據(jù)文件件以數(shù)據(jù)據(jù)采集的的日期作作為文件件的名稱稱，數(shù)據(jù)據(jù)采集的的時間和和數(shù)據(jù)作作為文件件存儲的的內容，這這樣可以以方便的的滿足對對文件的的操作。同同時可以以分