基于LabVIEW的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陳冠文 王立達(dá) 韓成浩

(吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長春 130118)

引言

我國作為一個(gè)農(nóng)耕強(qiáng)國，對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)品的需求量是非常巨大的。在以往的農(nóng)業(yè)大棚農(nóng)作物生產(chǎn)過程中，農(nóng)民大多數(shù)使用空氣溫度計(jì)和空氣濕度計(jì)來測(cè)量環(huán)境溫度，并且通過人工升溫降溫及通風(fēng)來改善農(nóng)業(yè)大棚中的溫度以及濕度。當(dāng)前我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)多采取人工巡檢方法，由監(jiān)測(cè)人員攜帶傳感器在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、錄入觀測(cè)數(shù)據(jù)，該方法工作效率低、成本費(fèi)用高、耗費(fèi)了大批人力物力，如不能及時(shí)作出調(diào)整，還會(huì)一定程度影響農(nóng)作物產(chǎn)品的生產(chǎn)量和質(zhì)量。故可以在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大棚中通過傳感器采集農(nóng)作物生產(chǎn)過程中的基本重要參數(shù)，而后對(duì)重要參數(shù)進(jìn)加以信息處理，將這些數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，通過互聯(lián)網(wǎng)讓農(nóng)村生產(chǎn)管理人員實(shí)時(shí)查看農(nóng)業(yè)大棚中的各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)，并及時(shí)作出適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)調(diào)控，如此才能促進(jìn)科學(xué)合理栽培，提升農(nóng)產(chǎn)品綜合經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品數(shù)量。

本文利用LabVIEW操作簡單、圖形化編程以及極強(qiáng)的圖形化分析、處理能力等優(yōu)點(diǎn)，采用溫濕度傳感器和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)既可以通過數(shù)字和波形2種方式呈現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)還可將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值加以對(duì)比，從而觸發(fā)報(bào)警，并能將接收到的溫、濕度數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)保存在用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)庫Access中。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過采用溫濕度傳感器DHT11來檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚的作物溫度和相對(duì)濕度，DHT11溫濕度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。傳感器DHT11的數(shù)據(jù)傳輸引腳通過與單片機(jī)的I/O引腳互連，再通過hex文件燒錄過程，單片機(jī)就能夠讀取DHT11所采集到的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至串口；LabVIEW[1]再利用串口讀出溫、濕度數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)溫、濕度數(shù)據(jù)信息的記錄與儲(chǔ)存。

單片機(jī)STC8A8K32S4將采集到的數(shù)據(jù)上傳至串口，而STC8A8K32S4單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串行口為全雙工的串行通訊口，有4種工作方法，即8位同步移位寄存器應(yīng)用；波特率可變的10位數(shù)UART；將波特率設(shè)置固定為2種的11位UART；將波特率設(shè)定為可變的11位UART。當(dāng)與上位機(jī)通信時(shí)，本設(shè)計(jì)采用波特率可變的10位數(shù)UART來實(shí)現(xiàn)通信，即波特率倍增位置1，波特率設(shè)定4800bps，晶振選擇12MHz。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

1.2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 STC8A8K32S4單片機(jī)

STC8A8K64S4系列單片機(jī)是2016年推出的寬電壓工作范圍的1T單片機(jī)，該系列單片機(jī)工作電壓為2.0～5.5V，相比STC15系列增加了I2C接口，并且ADC增加3個(gè)引腳(AVcc、Agnd、AVref)提高采集精度，STC8也是目前主推的MCU系列之一。其具有4路串口，9個(gè)定時(shí)器(5個(gè)普通定時(shí)器，4個(gè)CCP定時(shí)器)，12路PWM(8路15位帶死區(qū)控制PWM，4路10位CCP的PWM)，15路12位ADC，1路I2C串行總線等。具有內(nèi)部晶振(可軟件配置)，無需搭建復(fù)位電路。而且STC單片機(jī)具有在應(yīng)用編程，便于后期調(diào)試安裝；含有10個(gè)AD、內(nèi)部EEPROM，可以在1T/機(jī)器周期之中工作，速度是傳統(tǒng)51單片機(jī)的8～12倍，價(jià)格也較便宜。

1.2.2 DHT11溫濕度傳感器

溫濕度傳感器選擇通常會(huì)有2種方案[2]。使用DS18B20溫度傳感器和HS1101電容式濕度傳感器，DS18B20溫度傳感器是一個(gè)具有單獨(dú)接線口接線方式的傳感器，測(cè)量的溫度范圍是-55.5～125.5℃，使用HS1101電容式濕度傳感器，測(cè)量的濕度范圍是0%～95%RH；直接利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其內(nèi)部集成了NTC元件來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，具有電阻式元件來測(cè)量濕度，溫度工作范圍在0～55℃，測(cè)量的濕度范圍是25%～95%RH。經(jīng)過2個(gè)方案的對(duì)比與分析，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具有數(shù)字可靠性和長期穩(wěn)定性，而且還更為方便和簡行。DHT11把采集到的溫濕度數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)形式傳送給單片機(jī)引腳進(jìn)行處理，能夠滿足大部分農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)控制范圍。

1.2.3 0.96OLED顯示模塊

通常來說，單片機(jī)獲取到傳感器發(fā)出的溫濕度數(shù)據(jù)，將對(duì)其進(jìn)行簡單處理，直接通過顯示模塊把數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，考慮到數(shù)據(jù)直觀的呈現(xiàn)方式，溫度、濕度的數(shù)據(jù)是可以分開顯示的，這里采取0.96OLED顯示模塊，整體厚度低于1mm，只占到LCD屏幕的1/3，便于攜帶，有著良好穩(wěn)定性和抗震性；基本不存在較高的可視化問題，即便是在較高分辨率情況下，畫面依然保持清晰，沒有出現(xiàn)失真情況；響應(yīng)時(shí)間僅僅是LCD的1‰，顯示運(yùn)動(dòng)畫面不會(huì)出現(xiàn)任何拖影問題；整個(gè)顯示屏適用工況良好，可以在極端情況下適用，甚至可以在-40℃環(huán)境正常工作，整體工藝非常簡便，且有著良好經(jīng)濟(jì)性，性價(jià)比非常高。

1.3 系統(tǒng)軟件控制方法

由于溫濕度控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因此利用閉環(huán)系統(tǒng)控制手段，也就是PID控制法[3]。事實(shí)上，PID控制法具有如下特征：工作原理非常簡單，便于操作應(yīng)用，有著良好的適應(yīng)性特征，整個(gè)PID算法具有完整科學(xué)合理的參數(shù)整定和設(shè)計(jì)方式，方便操作掌控處理；絕大部分工業(yè)回路中關(guān)于控制響應(yīng)速度和精度要求并不高，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性非?？粗?，為此采取PID控制法是個(gè)不錯(cuò)的選擇，具有良好的性價(jià)比。

PID控制子程序?qū)儆谡麄€(gè)系統(tǒng)控制重點(diǎn)內(nèi)容，主要功能是結(jié)合預(yù)設(shè)基本參數(shù)和測(cè)量值開展比較、運(yùn)算分析，控制各種執(zhí)行電路的工作，可以符合溫室大棚與濕度參數(shù)范圍，處于固定范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)。對(duì)于程序初始化處理過程，單片機(jī)需要對(duì)PID程序進(jìn)行初始化，獲取溫濕度數(shù)據(jù)，再結(jié)合PID控制對(duì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，找出前后差距，最后利用算法對(duì)其進(jìn)行校正，確保整個(gè)參數(shù)在控制范圍之中。

1.4 上位機(jī)LabVIEW設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)采用虛擬儀器LabVIEW對(duì)溫度和濕度數(shù)據(jù)信息的讀取、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，主要有串口通信模塊、溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警模塊[4]、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。上位機(jī)流程圖如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

1.4.1 串口通信模塊設(shè)計(jì)

為方便進(jìn)行遠(yuǎn)程操控可將農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)[5]發(fā)送到用戶電腦，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此將LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)開發(fā)串口通信程序，本設(shè)計(jì)中用到了VISA驅(qū)動(dòng)。VISA標(biāo)準(zhǔn)是中國新一代儀表I/O標(biāo)準(zhǔn)，是全球行業(yè)內(nèi)通用規(guī)范，VISA具有和儀器硬件接口及具體計(jì)算機(jī)無關(guān)的特性，也就是VISA標(biāo)準(zhǔn)具有面向儀器作用，而并非直觀面向端口總線。啟動(dòng)串口后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的格式，接著使用VISA寫入將數(shù)據(jù)傳輸至下位機(jī)；下位機(jī)接收到上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)后，將采集到的數(shù)據(jù)信息反饋給上位機(jī)。串口部分的程序框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 串口部分程序框圖

1.4.2 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

要得到溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)信息，工程設(shè)計(jì)Check函數(shù)，初始化DHT11的端口，并檢查DHT11能否正常連線，如果連線正確無誤，則設(shè)置DATA引腳成輸入；工程設(shè)計(jì)Read函數(shù)，使用while循環(huán)調(diào)節(jié)DATA電平的變化，從而實(shí)現(xiàn)在DHT11中直接讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可選擇將農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的實(shí)際溫濕度與給定適合農(nóng)作物生長的溫濕度數(shù)值范圍進(jìn)行比較，當(dāng)大棚中溫度超過預(yù)設(shè)溫度時(shí)，將啟動(dòng)冷卻裝置；在大棚溫度較低情況下，將加熱使溫度回升，可人工進(jìn)行選擇添加。

1.4.3 溫度報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

在串口接收區(qū)內(nèi)建立局部變量，因?yàn)榻邮諈^(qū)內(nèi)的主要數(shù)據(jù)類型是字符串，因此要求利用字符串實(shí)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)/指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”，將下位機(jī)傳輸?shù)膶?shí)際溫度值轉(zhuǎn)化為雙精度的數(shù)據(jù)類型，然后通過在前面板上手動(dòng)輸入高溫閾值和低溫閾值實(shí)現(xiàn)溫度判斷，得到溫度數(shù)值后，需要分析當(dāng)前溫度是否超過警戒線，超過溫度預(yù)警值后，要進(jìn)行報(bào)警指示。以上算法將能夠直接添加到判斷循環(huán)里面，但為了確保整個(gè)程序可讀性，可以將其放置到VI里面。當(dāng)實(shí)際環(huán)境溫度高于設(shè)定的高溫閾值，或低于設(shè)定的低溫閾值[6]時(shí)，前面板上的警報(bào)燈變成紅色，從而產(chǎn)生溫度報(bào)警，將實(shí)時(shí)環(huán)境溫度在波形圖表中顯示出來。溫度報(bào)警模塊的程序框圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 溫度報(bào)警部分程序框圖

1.4.4 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

Access是一種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)工具軟件系統(tǒng)[7]。Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)工作時(shí)，將采用關(guān)聯(lián)式管理兄臺(tái)功能管理，利用對(duì)全部信息和數(shù)據(jù)內(nèi)部關(guān)系處理，再對(duì)各類數(shù)據(jù)開展調(diào)用、處理即可。整個(gè)實(shí)際處理過程，具有良好的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、整合處理的作用，可以提高數(shù)據(jù)整合效率。

關(guān)于Access數(shù)據(jù)庫，其屬于桌面數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，能夠根據(jù)自身運(yùn)行系統(tǒng)開發(fā)出有效系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出專業(yè)性數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，將其作為前端研發(fā)工具，與其余數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)良好處理。關(guān)于整個(gè)桌面數(shù)據(jù)處理，專業(yè)應(yīng)用程序在整個(gè)運(yùn)行處理中能夠結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫自身操作方式進(jìn)行處理，而此后能夠獲取到對(duì)應(yīng)的開發(fā)結(jié)果，將其與其余數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)協(xié)同處理，利用整個(gè)方法來建立起系統(tǒng)中相應(yīng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，便可以獲取到綜合性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。因?yàn)锳ccess數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)簡單且便于處理，因此在訪問過程中無需經(jīng)過多步操作。

本設(shè)計(jì)采用的是UDL連接的方法訪問Access數(shù)據(jù)庫。建立數(shù)據(jù)庫，對(duì)NI License Activator進(jìn)行配置，在數(shù)據(jù)源處填寫Access數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)位置和文件名測(cè)試連接，將.udl形式的文件保存，就能構(gòu)成LabVIEW與Access數(shù)據(jù)庫之間的連接。具體操作步驟：安裝LabSQL，根據(jù)LabVIEW的實(shí)際安裝路徑將LabSQL工具包放到如下安裝路徑中；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工具包主要使用ADO Connection Create.vi，ADO Connection Open.vi建立數(shù)據(jù)庫的連接，SQL Execute.vi中采取INSERT INTO語句直接將日期、時(shí)間、接收溫度添加到數(shù)據(jù)庫中；OLEDB連接字符串格式：Provider=Microsoft Office 12.0 Access Database Engine OLE DB Provider；Data Source(其中，Provider表示數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)程序，Data Source表示數(shù)據(jù)庫的名稱)。

1.4.5 模擬信號(hào)采集

數(shù)據(jù)采集是利用計(jì)算機(jī)對(duì)電壓、電流、溫度、壓力等物理、電子現(xiàn)象開展處理。整個(gè)設(shè)計(jì)過程利用LabVIEW軟件中DAQmx驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)編譯處理，整個(gè)編程處理步驟如下。

資源配置、時(shí)間設(shè)定、數(shù)據(jù)采集以及讀寫操作，釋放內(nèi)存。假如采取聯(lián)系信號(hào)采集，也就是要求在while循環(huán)中添加“讀/寫操作”，整個(gè)信號(hào)采集方式將為差分方式，各信號(hào)將含有2位AI通道來實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接，利用信號(hào)正負(fù)兩側(cè)對(duì)應(yīng)AI(n)和AI(n+8)。若采取AI0通道充當(dāng)信號(hào)連接，事實(shí)上真實(shí)端口是AI0(信號(hào)正端)與AI8(信號(hào)負(fù)端)，時(shí)鐘設(shè)定表示對(duì)采樣頻率和采樣方式進(jìn)行設(shè)置。

通常情況下，讀寫操作過程中VI屬于多態(tài)VI，對(duì)應(yīng)下拉選項(xiàng)李曼將含有多個(gè)選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)配置，譬如單通道單采樣、多通道N采樣等，能夠結(jié)合具體需求制定需要采用的通道數(shù)和具體各通道的讀寫點(diǎn)數(shù)。

釋放資源為優(yōu)質(zhì)線程中不可獲取部分，在實(shí)現(xiàn)讀寫操作之后，可以把線程中各硬件資源進(jìn)行釋放，有助于對(duì)其資源反復(fù)使用，從而增強(qiáng)效率。模擬信號(hào)連續(xù)采樣流程如圖5所示。

圖5 模擬信號(hào)連續(xù)采集

1.4.6 上位機(jī)前面板

設(shè)計(jì)Labview前面板，對(duì)于串口收發(fā)取主要功能是實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)傳輸、顯示、報(bào)警，溫度波形圖實(shí)時(shí)顯示實(shí)際溫度，與高、低溫閾值溫度進(jìn)行比對(duì)，上位機(jī)前面板如圖6所示。

圖6 上位機(jī)前面板

2 系統(tǒng)調(diào)試

完成農(nóng)業(yè)大棚溫濕度采集系統(tǒng)的各設(shè)計(jì)模塊搭建后[8]，將系統(tǒng)放入測(cè)試環(huán)境中。系統(tǒng)將溫濕度傳感器DHT11所采集到的溫、濕度傳輸至單片機(jī)引腳，單片機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通訊，將溫、濕度數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)當(dāng)中，實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)溫度波形圖如圖7所示，能進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警且將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于用戶設(shè)定的Access數(shù)據(jù)庫中，如圖8所示。

圖7 溫度顯示界面

圖8 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚溫、濕度監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，下位機(jī)將以STC8A8K32S4單片機(jī)和DHT11溫濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)，能夠直接在LabVIEW前面板上進(jìn)行溫、濕度數(shù)據(jù)和波形圖顯示，溫、濕度數(shù)值超出或不足于預(yù)先設(shè)定值時(shí)，能夠使用報(bào)警指示燈進(jìn)行報(bào)警，且所得數(shù)據(jù)信息均保存在用戶自建的Access數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚，以改善目前農(nóng)村農(nóng)業(yè)設(shè)施的信息化、智能化、自動(dòng)化水平不高的狀況，用戶也能夠隨時(shí)使用電腦查看當(dāng)前農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的溫、濕度數(shù)據(jù)信息，為我國農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一種科學(xué)方法。