基于LabVIEW的温室大棚远程智能监控系统设计.pdf

第42卷第1期 2021年1月 自 动 化 仪 表 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 42 No 1 Jan 2021 收稿日期 2020 05 21 作者简介 刘玉芹 1974 女 博士 讲师 主要从事测控技术 生物特征识别与图像处理等方向的研究 E mail liuyuq2001 126 com 基于LabVIEW的温室大棚远程智能监控系统设计 刘玉芹1 徐海华2 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 摘 要 为提高温室大棚种植效率 减少管理成本 设计了智能控制系统 用于对大棚内温度 土壤湿度 光照等环境因素进行控制 该系统以LabVIEW作为主控软件 结合相关的器件和外围电路 使种植户在计算机上远程监控大棚内农作物的生长情况 并采用比例 积分微分 PID 控制算法 实现对温室大棚内的温度值 湿度值 光强值的有效自动控制 在系统的前面板上输入农作物种类和生长 阶段 系统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 从而保证大棚内的温度 湿度 光照被控制在合适的范围内 同时 在前面板上设置了自动 手动切换控制按钮 保证系统能够在自动或者手动控制下工作 系统在试验室条件下进行了验证 参 数误差最大为8 7 效果不理想 但对控制精度要求不高的温室大棚 冷链物流 养殖业等领域 该系统仍具有一定的借鉴意义 关键词 LabVIEW 温室大棚 远程监控 自动 手动切换 PID算法 信号调理电路 自动生成 智能控制 中图分类号 TH70 文献标志码 A DOI 10 16086 j cnki issn1000 0380 2020050044 Design of Remote Intelligence Monitoring System Based on LabVIEW for the Greenhouse LIU Yuqin1 XU Haihua2 1 School of Mechanical Engineering Jiangsu University Zhenjiang 212013 China 2 School of Software Shandong University Jinan 250101 China Abstract In order to improve the efficiency of greenhouse cultivation and reduce management costs an intelligent control system is designed to control the temperature the soil moisture the light intensity and other environmental factors in the greenhouse The system allows the growers to monitor the crop growth in the greenhouse environments remotely on the computer and adopts proportional integral differential PID algorithm to realize the automatic and effective control for the temperature the soil moisture the light intensity in the greenhouse based on LabVIEW software and associated devices Greenhouse Remote monitoring Automatic manual switch PID algorithm Signal conditioning circuits Automatically generate Intelligent control 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 第1期 基于LabVIEW的温室大棚远程智能监控系统设计 刘玉芹 等 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 Fig 1 Overall design scheme 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 Fig 2 Signal conditioning circuit for Pt100 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 Fig 3 Block diagram for temperature control 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 78 自 动 化 仪 表第42卷 图4 湿度控制框图 Fig 4 Block diagram for humidity control 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 Fig 5 Light signal conditioning circuit 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 Fig 6 Block diagram for light control 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 Fig 7 Flow chart for main program 图8 子程序流程图 Fig 8 Flow chart for subprogram 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 88 第1期 基于LabVIEW的温室大棚远程智能监控系统设计 刘玉芹 等 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 Tab 1 The most suitable growing condition for typical crops 植物生长阶段温度 湿度 光照 kLux 花生阶段一12 15 40 60 5 8 阶段二22 24 50 60 5 8 阶段三26 30 45 55 5 8 茄子阶段一25 30 65 75 7 10 阶段二25 30 60 80 7 10 阶段三26 33 70 80 7 10 番茄阶段一25 30 65 80 7 12 阶段二20 25 60 80 7 12 阶段三20 30 75 85 7 12 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 Tab 2 Test data 参数单位花生茄子番茄 温度设定 23 0 30 0 25 0 室温 33 0 34 0 35 0 控制后温度 25 0 28 0 27 0 误差率 8 7 6 7 8 0 设定湿度 55 0 70 0 75 0 土壤湿度 45 0 60 0 63 0 控制后湿度 59 0 74 0 79 0 误差率 7 3 5 7 5 3 设定光照度kLux 7 0 8 5 10 0 室内光照度kLux 10 5 15 0 16 0 控制后光照度kLux 6 6 8 9 9 5 误差率 5 7 4 7 5 0 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 参考文献 1 张宝峰 杨雷 朱均超 等 温室大棚温湿度智能监控系统的设 计与实现 J 自动化仪表 2017 38 10 82 85 2 续文敏 韩芳芳 赵岩 等 基于物联网的农业温室大棚多参数 监控平台设计 J 自动化仪表 2019 40 3 50 54 3 程力 郭晓金 谭洋 智能农业大棚环境远程监控系统的设计与 实现 J 中国农机化学报 2019 40 6 173 178 4 张凯 周陬 郭栋 LabVIEW 虚拟仪器工程设计与开发 M 北 京 国防工业出版社 2004 5 崔显柏 基于物联网的温室大棚智能栽培技术 J 湖北农机 化 2018 4 19 20 6 梁金鑫 刘海英 王兰超 等 基于51单片机的智能大棚卷帘机 控制系统 J 齐鲁工业大学学报 2019 33 6 69 73 7 郑忠俊 邓金权 甘辉 一种温湿度计算机自动控制系统 J 计 算机应用 2002 22 1 76 77 8 王桂莲 王佩圣 温室大棚番茄栽培技术及常见病害与防治对 策 J 现代园艺 2019 24 14 16 9 唐林林 蔬菜大棚的智能监控系统的设计与实现 D 济南 山 东大学 2010 10 杨振江 孙占彪 王曙梅 等 智能仪器与数据采集系统中的新 器件及应用 M 西安 西安电子科技大学出版社 2001 98