基于LabWindows／CVI的溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)

任玉燦 李長歡 錢秀萍 劉麗娟 王新明 馬曉欣

（1.河北建筑工程學院，河北 張家口075000；2.天津住宅集團建設工程總承包有限公司，天津030000）

0 前 言

在溫室內(nèi)作物的各個生長時期，影響作物生長的參數(shù)很多，有溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、土壤水分、土壤營養(yǎng)、有害氣體濃度等，其中溫度、濕度、光照強度和CO2濃度是作物生長、發(fā)育最基本的要素.溫度、濕度、光照強度和CO2濃度是表征植物生長的近地面空氣層的環(huán)境因子，它們對植物的生長發(fā)育從不同的方面產(chǎn)生著作用.

在溫室內(nèi)，我們對溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度，這四項環(huán)境因子分別進行監(jiān)測，對得到的環(huán)境參數(shù)信息進行分析和處理，從而得到合理的控制方案，以促進作物的生長、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)，抑制和減輕病蟲害的發(fā)生.

1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器（virtual instrument）實際基于計算機的儀器.計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的重要方向.虛擬儀器技術(shù)是計算機系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術(shù)革命的產(chǎn)物，它在測試測量與控制領(lǐng)域中占有重要的地位，并正在成為當今世界流行的儀器構(gòu)成方案.

LabWindows／CVI是一個完全的ANSI C開發(fā)環(huán)境，用于儀器控制、自動檢測、數(shù)據(jù)處理的應用軟件.它以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具有機結(jié)合起來.

本系統(tǒng)的搭建以LabWindows／CVI為軟件開發(fā)平臺，結(jié)合我國現(xiàn)階段溫室發(fā)展的主要特點及溫室內(nèi)環(huán)境因子對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要性，采用了虛擬儀器的設計思想，以LabWindows／CVI為軟件基礎，采用C語言，模擬實際儀器的面板設計出用戶界面中的面板，是傳統(tǒng)儀器的面板和軟件界面的融合.

2 監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

基于LabWindows／CVI的溫室環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)的基本思想是將硬件模塊軟件化.主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制計算、數(shù)據(jù)查詢等功能.

系統(tǒng)由多個模塊組成，每個模塊都有自己獨立的功能，模塊與模塊之間通過控件來進行相互關(guān)聯(lián).系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示.

對采集、控制與查詢的管理，主要是通過對整個系統(tǒng)的采集、控制、歷史數(shù)據(jù)查詢等界面進行管理，完成對采集、控制、數(shù)據(jù)查詢等信息的管理.同時，設置采樣周期的設定和監(jiān)測參數(shù)的選擇功能.

圖1 系統(tǒng)軟件功能模塊

圖2 數(shù)據(jù)采集與控制管理模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換

參數(shù)的選擇和設定主要包括采集參數(shù)（溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度）的選擇、采樣速率的設定；數(shù)據(jù)采集、控制與數(shù)據(jù)查詢功能的實現(xiàn)分別由采集、控制和數(shù)據(jù)查詢?nèi)齻€控件來控制，如圖2所示.

2.1 數(shù)據(jù)采集與顯示模塊

數(shù)據(jù)采集與顯示模塊，實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、顯示、超限報警等功能.

2.1.1 采集與顯示功能

通過“采集”、“停止”和“顯示”控件，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集與停止的控制并對采集的參數(shù)進行數(shù)字、指針和動態(tài)曲線的顯示.

2.1.2 參數(shù)設置和報警

在采集參數(shù)設置區(qū)域，設置參數(shù)控制的高低兩個指標，超過極限指標時報警燈亮顯示.

另外，設置傳感器參數(shù)標定區(qū)域，可以在滿足數(shù)據(jù)采集卡輸入信號范圍的條件下，對傳感器進行自由選擇.

數(shù)據(jù)采集主要流程圖如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.2 控制模塊

控制模塊包含兩部分，自動控制部分和手動控制部分，可以根據(jù)需要進行選擇.

溫度和濕度控制采用上限和下限的控制策略，通過對報警指示燈的狀態(tài)判斷來對輸出信號進行控制.在自動控制模式下，報警指示燈亮，則輸出控制信號，對參數(shù)進行調(diào)控，報警指示燈滅則停止信號輸出，執(zhí)行機構(gòu)停止動作.通過上限和下限控制，就可以把參數(shù)控制在用戶所要求的范圍之內(nèi).在手動控制模式下，通過對開關(guān)的手動打開和閉合來控制執(zhí)行機構(gòu)電路的通和斷.

2.3 數(shù)據(jù)查詢模塊

監(jiān)控系統(tǒng)不但要實現(xiàn)采集參數(shù)的動態(tài)顯示功能，同時為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的離線分析，數(shù)據(jù)的管理是必不可少的.該模塊可以實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)進行查詢，即將保存的采樣數(shù)據(jù)重新以波形和文本的方式顯示出來，并對歷史數(shù)據(jù)進行極值、平均值的計算.

3 系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

各種形式的干擾最終會反映在檢測系統(tǒng)的微機模塊中，導致數(shù)據(jù)采集誤差加大、控制狀態(tài)失靈、存儲數(shù)據(jù)發(fā)生篡改以及程序運行失常等后果.為了提高檢測系統(tǒng)的可靠性，采用軟件措施來克服某些軟件干擾.采用去極值平均濾波的方法，對采集的數(shù)據(jù)進行軟件濾波，再將濾波后的數(shù)據(jù)進行分析和判斷.利用軟件濾波可充分體現(xiàn)用軟件代替硬件的特點.以保證從數(shù)據(jù)采集卡采集的信息充分接近傳感器檢測到的信息，提高系統(tǒng)的精確度.

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用虛擬儀器（VI）技術(shù)，建立以PC機為核心，在傳感器、數(shù)據(jù)采集板等硬件基礎上，利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows／CVI強有力的測試功能和良好的圖形化用戶操作界面，對溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強度和CO2濃度等參數(shù)進行檢測，并作出相應的判斷，根據(jù)需要對參數(shù)值進行控制.該系統(tǒng)存在如下優(yōu)點：

（1）交互性強

本系統(tǒng)通過友好的操作界面，使系統(tǒng)和用戶之間有強大的交互能力，用戶可以通過鼠標對控件進行操作，來控制系統(tǒng)的開和斷，同時還可以對控制方式進行選擇.

（2）靈活性好

用戶可以根據(jù)需要進行參數(shù)的設定和選擇.

（3）直觀性好

用戶可以隨時觀察到采集的適時數(shù)據(jù)和參數(shù)的動態(tài)變化趨勢.

（4）開放性（可二次開發(fā)）

由于LabWindows／CVI的強大的函數(shù)庫資源，TCP／IP函數(shù)庫，支持TCP／IP協(xié)議、Datasocket庫，若今后對系統(tǒng)進行網(wǎng)絡化開發(fā)，則可以應用Datasocket技術(shù)，使網(wǎng)絡中的不同計算機之間應用程序的數(shù)據(jù)進行交換，以實現(xiàn)測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化.

（5）便于維護

以軟件代替硬件，大大減少了硬件的采用，使系統(tǒng)避免了由硬件帶來的一些不利因素，便于維護和管理.

（6）歷史數(shù)據(jù)查詢

可以對歷史數(shù)據(jù)以各種形式給以充分的再現(xiàn)，為將來對作物的生長環(huán)境的研究提供充分的理論基礎，同時為了便于觀察，還設置了指針和捕捉功能，可以對數(shù)據(jù)進行準確的觀察.

［1］周麗娟.系列化華東型塑料連棟溫室環(huán)境檢測控制系統(tǒng)的研究.杭州：浙江大學，2004.2

［2］梁銀麗，張成娥.冠層溫度—氣溫差與作物水分虧缺關(guān)系的研究.生態(tài)農(nóng)業(yè)研究，2000，8（1）：24～26

［3］National Instrument Corporation.LabWindows／CVI User Manual，2005

［4］王建新，楊世鳳，隋美麗主編.LabWindows／CVI測試技術(shù)及工程應用.北京：化學工業(yè)出版社，2006.8

［5］羅錦，孟晨，蘇振中.動態(tài)鏈接庫技術(shù)在虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)建中的應用.上海：計算機工程，2003，29（3）：176～177

［6］宋宇輝.LabWindows／CVI逐步深入與開發(fā)實例.北京：機械工業(yè)出版社，2003

［7］周林等編著.數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù).西安：西安電子科技大學出版社，2005.7