虛擬儀器技術(shù)在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究MATLAB仿真分析

■ 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉方

1. 概述

溫室生產(chǎn)是在人為地創(chuàng)造作物生長(zhǎng)所需的最佳環(huán)境條件，通過科學(xué)的經(jīng)營(yíng)管理，獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。溫室生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，溫室環(huán)境控制是通過改變溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照和CO2濃度等環(huán)境因子來獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件，從而提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。但是，溫室環(huán)境控制在所有室內(nèi)環(huán)境控制中是最困難的，除了要監(jiān)控溫度、濕度外，還需兼顧土壤水分、光照度、CO2濃度、EC值、pH值等。另外，溫室環(huán)境控制的對(duì)象種類繁多，在不同生長(zhǎng)階段的需求也各不相同，而且受能源、資金、勞動(dòng)力等資源的限制及市場(chǎng)與天氣變化的影響，溫室環(huán)境控制必須在極有效率的狀態(tài)下進(jìn)行。因此，要建立一個(gè)好的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，就必須要有一個(gè)好的系統(tǒng)控制方案。

基于虛擬儀器技術(shù)的溫室控制系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬儀器技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從而完成對(duì)溫室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與分析，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制及歷史數(shù)據(jù)處理等功能。

2. 溫室控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)總體方案

溫室控制系統(tǒng)整體由信號(hào)檢測(cè)部分、數(shù)據(jù)采集部分、計(jì)算機(jī)控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分組成。

在溫室控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集及測(cè)量部分通過各種高性能傳感器對(duì)外界氣候環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，對(duì)溫室內(nèi)的溫度、空氣濕度、光照、CO2含量等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過信號(hào)調(diào)理把信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，調(diào)制解調(diào)等，然后將測(cè)量結(jié)果通過虛擬儀器，也即數(shù)據(jù)采集卡送至個(gè)人計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)控制要求輸出結(jié)果并對(duì)整個(gè)溫室進(jìn)行綜合控制。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程為：

被測(cè)對(duì)象→傳感器→信號(hào)調(diào)理→數(shù)據(jù)采集卡→計(jì)算機(jī)→執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

在溫室控制系統(tǒng)中，信號(hào)檢測(cè)部分主要是通過各類傳感器來測(cè)量各個(gè)環(huán)境參數(shù)，它們對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境因子進(jìn)行采集并把數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)采集卡。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是溫室測(cè)控系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它通過各種高性能傳感器對(duì)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度進(jìn)行測(cè)量，把測(cè)得的這些非電量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓或電流等電信號(hào)，并且由于測(cè)得的電信號(hào)比較小，需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理把信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，調(diào)制解調(diào)等，之后才能通過數(shù)據(jù)采集卡送至計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)控制部分接收數(shù)據(jù)采集部分傳送的各環(huán)境參數(shù)的數(shù)字信號(hào)，結(jié)合相關(guān)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相對(duì)精確結(jié)果并對(duì)整個(gè)溫室進(jìn)行綜合控制。同時(shí)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的輸出通道進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的適調(diào)電路。而執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分接受計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，使溫室環(huán)境參數(shù)達(dá)到最理想的狀態(tài)。

因此，對(duì)于整個(gè)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)而言，其主要包括兩個(gè)方面：①環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)；②環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

從目前國(guó)內(nèi)外溫室控制技術(shù)的現(xiàn)狀來看，溫室控制系統(tǒng)中大部分采用PLC或單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制。而本文是采用虛擬儀器來作為整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的控制模式來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，具體是通過其軟件平臺(tái)LabVIEW來實(shí)現(xiàn)的。

虛擬儀器的軟件包括儀器驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序和前面板程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序主要用來初始化虛擬儀器，設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持在正常的工作狀態(tài)。應(yīng)用程序主要用來對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用戶就是通過編制應(yīng)用程序來定義虛擬儀器功能的。

數(shù)據(jù)采集硬件有多種多樣的形式，它的選擇要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合并考慮到開發(fā)系統(tǒng)所現(xiàn)有的技術(shù)資源，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集硬件采用NI公司開發(fā)的USB—6009數(shù)據(jù)采集卡，可以同時(shí)滿足這兩方面的要求。另外，硬件驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用軟件對(duì)硬件的編程接口，它包含著待定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞。而整個(gè)數(shù)據(jù)采集所采用的開發(fā)環(huán)境是LabVIEW7.0，且采用基于NI—DAQmx的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因?yàn)镈AQmx系統(tǒng)不僅能對(duì)硬件進(jìn)行各種必要的設(shè)置和測(cè)試，然后調(diào)用DAQmx數(shù)據(jù)采集函數(shù)編寫程序外，它還提供了通過數(shù)據(jù)采集助手DAQ Assistant快速進(jìn)行交互式的硬件設(shè)置和自動(dòng)生成數(shù)據(jù)采集程序圖形代碼的方法。

測(cè)試系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括模擬信號(hào)輸入輸出和數(shù)字信號(hào)輸入輸出，我們把這些都?xì)w于數(shù)據(jù)采集DAQ---Da t a Acquisition。因此，基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)為：傳感器→信號(hào)調(diào)理器→數(shù)據(jù)采集設(shè)備→計(jì)算機(jī)。即中間環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備是完全由虛擬儀器來承擔(dān)完成的。由此，測(cè)出整個(gè)溫室內(nèi)部各環(huán)境參數(shù)的實(shí)際值，與設(shè)定值相比較，給出判斷并送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)以執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而使整個(gè)溫室系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境達(dá)到最佳。

3 虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)的意義與前景

3.1溫室控制系統(tǒng)中采用虛擬儀器技術(shù)的意義

溫室控制系統(tǒng)中采用虛擬儀器技術(shù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)測(cè)試中采用的多參數(shù)分別用單個(gè)儀器檢測(cè)、數(shù)據(jù)單獨(dú)匯總處理的方式，或基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)相比，其意義主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、在系統(tǒng)軟件方面，采用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)和模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取、采集信息的實(shí)時(shí)顯示、控制信號(hào)的準(zhǔn)確輸出及數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，并且可實(shí)現(xiàn)多通道采集，減少了人為干預(yù)，增加了測(cè)控過程的穩(wěn)定性，避免人為的讀數(shù)誤差和計(jì)算誤差。

2、可以實(shí)時(shí)顯示不同的參數(shù)曲線變化及其歷史曲線變化，從而可以方便地進(jìn)行比較分析。

3、在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以按照使用人員指定的方式輸出多種報(bào)警。如：聲光報(bào)警、鳴笛報(bào)警等。

4、所有的數(shù)據(jù)采集都可以記錄到計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)可以按照使用人員的要求定時(shí)自動(dòng)備份、打印、歸檔等。

5、溫室控制系統(tǒng)中使用虛擬儀器，改變了設(shè)計(jì)者的工作方式，幫助他們迅速開發(fā)和測(cè)試原始的樣機(jī)，同時(shí)能夠更迅捷更完滿地測(cè)試產(chǎn)品。最終提高了產(chǎn)品質(zhì)量，且能迅速投放市場(chǎng)。綜合起來，虛擬儀器的使用節(jié)省了時(shí)間，節(jié)省了資金，收到了好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2應(yīng)用前景

虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢(shì)在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活，目前，它已廣泛應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)中以進(jìn)行測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而隨著各種新技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景也越來越廣闊，主要表現(xiàn)在：

1、虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用大大提高了檢測(cè)控制的精度，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性、可靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

2、虛擬儀器技術(shù)將會(huì)向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，并且越來越大眾化和小型化。因此，開放式的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)將使溫室測(cè)控系統(tǒng)走上標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化和模塊化的道路。

3、溫室控制系統(tǒng)中，運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以微機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測(cè)試平臺(tái)，可代替常規(guī)的儀器、儀表，不僅滿足測(cè)控系統(tǒng)的需要，而且大大提高了設(shè)備利用率，降低了實(shí)驗(yàn)的成本。

4、可以結(jié)合具體的作物試驗(yàn)，在實(shí)踐中應(yīng)用所開發(fā)的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，并逐步完善。

4.結(jié)語

溫室控制系統(tǒng)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。而虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)開辟了新一代溫室測(cè)控系統(tǒng)的方向?；谔摂M儀器技術(shù)的溫室測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，能方便直觀地對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行全自動(dòng)綜合智能監(jiān)控，對(duì)實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有著重要意義。

[1]鄧焱，王磊等主編.LABVIEW7.1測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，200 4.

[2]張凱等主編.LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，200 4.