天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 李 璐

基于L a b Wi n d o w s/C V I的溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)研究

天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 李 璐

溫室農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，通過人工創(chuàng)造適合農(nóng)作物生長的環(huán)境來保證農(nóng)作物不受季節(jié)、天氣的影響，獲得優(yōu)質(zhì)、高效的農(nóng)業(yè)產(chǎn)物。本系統(tǒng)中引入美國NI公司的虛擬儀器平臺LabWindows/ CVI作為溫室環(huán)境監(jiān)測的理想開發(fā)平臺，使用ICC AVR的單片機(jī)的開發(fā)環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。選用433射頻通訊的無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

溫室環(huán)境監(jiān)測；LabWindows/CVI；虛擬儀器

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)進(jìn)行溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到溫室內(nèi)的環(huán)境因子數(shù)相對較多，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可操作性、可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性[1]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以下位 PC 機(jī)為核心，配合檢測環(huán)境因子的傳感器、單片機(jī)、顯示模塊、鍵盤模塊、報(bào)警模塊等，通過無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的無線通信，上位機(jī)選用虛擬儀器開發(fā)平臺 LabWindows/CVI 實(shí)現(xiàn)圖形化人機(jī)交互界面。工作人員可直接對上位機(jī)進(jìn)行操控，達(dá)到對溫室環(huán)境因子的監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、報(bào)警、設(shè)備查詢等功能，下位機(jī)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集、預(yù)處理和存儲，實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)[2]。

選用433MHz 射頻通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無線傳輸。傳感器采集到相應(yīng)的環(huán)境信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、濾波后，通過下位機(jī)無線發(fā)送模塊直接將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)試發(fā)送給上位機(jī)的無線接收模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。

圖1-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1-1 Structure diagram of system

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)選用ATMEL公司生產(chǎn)的 ATmega64作為下位機(jī)，是一款能耗少、性能強(qiáng)的8位AVR微處理器。

系統(tǒng)通過對溫室環(huán)境中空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度和CO2濃度等多個(gè)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，選用的傳感器分別是智能溫度傳感器 DS18B20 來檢測空氣溫度和土壤溫度，干濕球法來監(jiān)測空氣濕度，選用 TS-V1 土壤濕度傳感器檢測土壤含含水量，通過GZD-V1-15 光照度傳感器檢監(jiān)測溫室的光照強(qiáng)度，IRM300 紅外模組檢測溫室內(nèi)二氧化碳的濃度。

采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號傳送給下位機(jī)，利用LCD液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。

系統(tǒng)外圍芯片的時(shí)鐘芯片選用D S1302，液晶顯示模塊選用DM240128B ，數(shù)碼顯示驅(qū)動和鍵盤控制芯片 CH452 來實(shí)現(xiàn)鍵盤功能。在整個(gè)硬件的系統(tǒng)中，A/D 轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、時(shí)鐘芯片以及鍵盤控制模塊均可集成在單片機(jī)系統(tǒng)上。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫室監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分由兩部分組成：上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)使用 AVR 單片機(jī)進(jìn)行編程控制[3]，下位機(jī)程序運(yùn)行前需對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過對數(shù)據(jù)采集、鍵盤控制、液晶顯示以及無線傳輸?shù)饶K設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸和溫室環(huán)境的監(jiān)測功能[4]。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)選用美國NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺 LabWindows/CVI，采用C語言作為編程語言，通過回調(diào)函數(shù)、事件驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)編程的功能，方法較簡單，是進(jìn)行溫室環(huán)境監(jiān)測的理想開發(fā)平臺[5]。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)遵循四個(gè)原則：通用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可擴(kuò)展性，通過對人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、通信方式的選擇、數(shù)據(jù)顯示方式以及設(shè)備狀態(tài)查詢等多個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)際操作、報(bào)警、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲等功能[6]。

4.結(jié)論

基于LabWindows/CVI的溫室監(jiān)測系統(tǒng)是一種資源節(jié)約型的高效農(nóng)業(yè)技術(shù)，系統(tǒng)采用分散控制，集中管理的模式，能夠進(jìn)行24小時(shí)不間斷數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超出閾值范圍上位機(jī)和下位機(jī)可同時(shí)報(bào)警。

[1]王麗斌．基于虛擬儀器技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[D]．昆明理工大學(xué),2012．

[2]于輝,紀(jì)建偉,李征明,鄒秋瀅,李欽夫．北方溫室微環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J]．農(nóng)業(yè)工程,2012(12):20-24．

[3]李圖江．基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究[J]．硅谷,2014(17):26-26．

[4]徐晶晶．基于LabVIEW的道路硬度檢測系統(tǒng)的研究[D]．天津科技大學(xué),2014．

[5]王瑜．基于Labwindows/CVI的無線多路溫濕度測控系統(tǒng)研究[J]．西安航空學(xué)院學(xué)報(bào),2017．

[6]王源．關(guān)于虛擬儀器在測控系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]．電子測試,2017,(06): 89+85．

李璐（1988－），女，漢，山東人，碩士，助教，現(xiàn)供職于天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，研究方向：智能化自動化系統(tǒng)與裝置。