基于Labview的温室大棚智能控制系统的设计

【摘要】为实现温室大棚自动化监控，提高作物产量，本文设计了基于LabView 的温室环境参量监控与远程控制系统。利用LabView 编程，开发友好的人机界面，采用ZigBee 无线通信节点解决繁琐的传感器节点布线问题，结合web通信技术，实现温室大棚控制系统远程internet 浏览器访问。实验表明，本系统可以对多个环境参量准确监控，程序运行稳定可靠，可实现多个远程端口同时访问，符合温室大棚智能化控制要求。

【关键词】温室大棚LabView 远程监控无线组网

一、引言

我国是一个农业大国，人多地少，因此提高单位面积的作物产量是现阶段农业发展急需解决的问题。温室是设施农业的重要组成部分，由于温室不受气候和土壤条件的环境影响，是提高产量的重要措施之一[1- 4]。农作物在成长过程中需要的环境因子很多，适宜的温度、湿度、光照强度以及CO2 浓度是作物实现高产、优质的关键。为加快农作物的生长，达到优质、高产的目的，需对温室的环境进行监测，结合农作物的生长规律，控制温室环境，实现对温室内环境的检测与调控。随着计算机、通信以及传感器技术的飞速发展，现代化温室环境参数监测系统的研究己成为现代农业的一个研究热点[4- 7]，研制一套适合我国国情并且具有独立知识产权的蔬菜温室大棚智能控制系统具有非常重要的经济效益和社会意义。论文结合传感器和通信技术，设计了一种成本较低、集温室大棚环境实时监控与记录于一体的控制系统。

二、硬件电路设计

2.1 传感器节点设计

温室大棚环境监测系统需要采集空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤含水量、空气中二氧化碳浓度和光照强度等六种环境因素的参数，所以需要很多种类的传感器来采集数据。温度传感器电路连接图如图1 所示。

1、温度型节点

温度是提供作物生长的最基本的要素，通过影响酶的活性来可以影响作物的各种生理性活动，对作物生理性改变有着很重要的影响。由于温室大棚温度上限低于150℃，故本设计采用数字式温度传感器，无需校准和标定。

此电路即可以测量空气温度，也可以接保护外壳后测量土壤温度。为消除温度漂移的影响，设计将稳压二极管，热敏电阻，可调电位器接到运放电路，该放大电路负端与电路输出端相连。采用差温控制法控制温度。

2、湿度型节点

土壤的湿度直接决定着农作物在生长过程中的水分供应状况。土壤湿度超过正常范围，作物的光合作用不能正常进行，农作物根系呼吸、生长基本活动受到阻碍，作物的产量和品质下降。本设计采用HS1101 解决湿度测量方案。本设计采用高分子电容式传感器HS1101 和555 定时器组成空气湿度测量电路。本电路在标准环境下无需要校正，具有完全互换性，稳定可靠，响应快。电路连接图如图1 所示。采用555 定时器搭建震荡电路输出方波。方波的频率可表示为：

f= 10.7C1·R2+R3 ! " （1）

式中Cl是湿度传感器电容变化值，R2、R3是定时器外围电阻值。可以看出输出频率和Cl 值成反比关系，通过调整R2和R3的值，可以设定输出方波的频率。

     对于土壤湿度测量，本设计采用SWRZ 型土壤湿度传感器对土壤水分进行定点的长期监测。土壤含水量通过自变量为电压的三次多项式计算得到：

θv=0.0337·ΔV3- 0.0426ΔV2+0.2008ΔV- 0.0041（2）

其中ΔV=VH- VL，单位：v

3、光照强度型节点

光照条件直接影响着作物的生长发育，是作物生长的决定要素之一，尤其是在反季节生产中，直接影响作物的营养生长，对作物叶片的排列方式、形态结构以及生理性状有明显的作用。本文选用的是LT/G光照传感器，可实现对环境光照度的测量，测量上限超过1×106 lux，测量下限低于0.2lux，安装方便，线性度好，抗干扰能力强，可输出电流或者电压信号。

4、二氧化碳浓度型节点

光合作用是绿色植物生命活动的基本特征，是种植的作物生长发育的物质和能量的基础，作物周围空气中CO2 浓度高低直接影响着作物光合作用的效率也就是有机物的合成，进而影响作物果实的品质。对此，我们选择了一种高性价比COZIR 红外二氧化碳传感器。为提供电路的抗干扰能力，本设计将数字电路和模拟电路分隔开，并在连接点处加上磁珠。为除去芯片内部信号对电源的干扰，在每个芯片最靠近电源和地的地方，添加一个0.luF 的电容。为消除瞬间大电流对电路的影响，每8 个芯片配置一个10uF 的充放电电容，保证信号的稳定性。

2.2 无线传输与组网

ZigBee 是一种低成本、低功耗、简化标准的开放式系统互联无线通信技术[8，9]。每种节点都有10 个同类型传感器，并采用拓扑结构组成星型网络，利用ChipconCC2430 射频芯片实现数据的无线传输。本设计将4 个ZigBee模块组建成一个星型的无线传感器网络，网络中有一个FFD 协调器节点，4 个RFD 子节点。当传感器控制芯片收到来自ZigBee无线通信RFD 子节点发送数据的请求标志时，将温度、湿度、CO2 浓度和光照强度数据通过SPI 串行方式发送给RFD 子节点，子节点以无线方式向FFD 主协调器传递数据。主协调器解析接收数据后将信号打包处理通过UART 传输给计算机，上位机软件LabView分析、控制并显示相应环境参数。硬件连接框图如图2 所示。

三、软件设计

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国NI 公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。但是与其他计算机语言不同，LabVIEW使用G语言编写程序，通过图形符号描述程序的行为，易于实现友好的人机交互界面[10- 12]。

3.1 数据解析计算机通过过串口从FFD 协调器接收数据，计算机在对这些数据进行处理前，首先要根据UART 通信协议对数据进行解析。但是由于FFD 传送的是字符型数据，因此提取数据帧之后还需要对数据进行字符- 数值转换。程序框图如图3 所示，为增加程序的可读性，将数据解析过程用子VI 的形式表述，并提供输入输出接口。

3.2 数据处理与反馈控制

解析串口数据后，计算机判断串口起始帧数值是否为1，若是则表明FFD 开始向计算机发送数据，这时计算机将数据按帧分类，并存入对应的空气温度、土壤温度、空气湿度、土壤湿度、CO2 浓度和光照强度数组内，同时使能控制信号。

    数据处理时，程序读取各数组中的数据，根据用户设定的刷新频率，在前面板实时更新空气温度、土壤温度、空气湿度、土壤湿度、CO2 浓度数值。程序利用移位寄存器获得上一次的循环和数据，与本次数据相加，并在本刷新时间结束时计算各参量的平均值。当下一个刷新时间开始时各参量的平均值分别与各参量设定的上限和下限相比，若连续2 个刷新时间内某个参量平均值超出设定的范围，程序就会向工作人员发出警报。为了能够记录各参量的历史记录，利用文件IO将给定时间内的各参量平

均值写入到excel 中，供操作人员后期检查。在向excel 写入数据前，首先通过定时VI 获取系统时间，然后将系统时间和各参量的平均值按顺序写入到excel 中，excel 各列数值含义分别为：系统时间、空气温度、土壤温度、空气湿度、土壤湿度、CO2 浓度和光照强度、间隔时间。为了显示界面能够更加简洁，写入间隔、excel 存放路径等测量文件控制信息以常量的形式存放在程序框图中，更改时需要在程序框图中更改，系统默认写入间隔为5min，excel 存放路径为D 盘Greenhouse中，以系统时间命名。系统主程序框图如图4 所示。

程序的主控制界面如图5 所示。

3.3 程序远程控制

由于LabView简洁的控制界面、便捷的操作、内嵌web 服务器，因此LabView广泛的用于系统的远程控制研究中[10- 15]。为了实现系统远程控制，本系统采用基于web 技术的远程访问技术。访问过程中直接在浏览器内输入服务器地址，就可以远程访问控制系统前面板。为增强系统安全性，远程请求VI 控制权时首先需要键入密码，密码匹配后方可远程控制服务器前面板。系统采用8000端口发送和接收远程数据，并遵循http 传输协议，系统远程控制界面图如图6 所示。

四、结论

系统采用NI 公司LabView软件编程，实现了温室大棚实时监控，图形界面友好，可以对多个参量同时监控，

出现异常系统自动发出报警信号。采用基于internet 网页的远程控制模式，无需额外设备与软件，该系统经济实用，具有较的应用推广价值。

参考文献

[1] 董文国. 蔬菜温室大棚智能控制系统的设计. 2012，曲阜师范大学.

[2] 高倩，温室大棚环境参数控制. 2012，沈阳工业大学.

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[7] 陈利江，徐凯，王峻. 温室大棚无线监控系统的设计与开发. 江苏农机化，2013（02）：p.19- 22.

[8] 李立扬，王华斌，白凤山. 基于ZigBee和GPRS网络的温室大棚无线监测系统设计. 计算机测量与控制，2012（12）：p. 3148- 3150.

[9] 沙国荣，et al.，基于ZigBee无线传感器网络的温室大棚环境测控系统设计. 电子技术应用，2012（01）：p.60- 62+65.

[10] 吴建，et al.，基于LabVIEW的多通道数据采集系统设计. 电子测试，2013（Z1）：p.52- 54.

第二篇：温室大棚智能控制系统的研发设计与使用

温室大棚智能控制系统的研发设计与使用

摘要:设计了一套能实时控制农业种植温室内温度、湿度、光照度及CO2浓度等参数的测控系统,该系统安装了农艺专家管理程序,能给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数,并自动生成合理的控制方案,实现了人造气候的智能化管理。阐述了一个大棚智能温室控制系统，该系统运行可靠、成本低。系统通过对温室内的温度与湿度参量的采集，并根据上述参数实现对温度和湿度的自动调节，达到了温室大棚自动控制的目的。

关键词:农业温室；农业专家管理系统；专家决策；人造气候；智能温室控制系统

托普物联网认为：智能温室控制系统是专门为农业温室、农业环境控制、气象观测开发生产的环境自动控制系统。可测量风向、风速、温度、湿度、光照、气压、雨量、太阳辐射量、太阳紫外线、土壤温湿度等农业环境要素，根据温室植物生长要求，自动控制开窗、卷膜、风机湿帘、生物补光、灌溉施肥等环境控制设备，自动调控温室内环境，达到适宜植物生长的范围，为植物生长提供最佳环境。

一、国内智能化温室现状

目前，国内具有生产智能化温室能力的公司约20余家，由于其研制时间较早，受当时的电脑水平和国内部分种类传感器的性能所限，系统整体水平不高。此外，由于其产品进入市场时间短，系统的可靠性和耐用性还有待证明。目前，国内公司主要依靠自己的力量研发，虽拥有独立的知识产权，但仍无法与荷兰、以色列等国家的智能化温室系统相比。一是此类设备价格昂贵，不能得到普及；二是对各种参数的控制缺少智能化，而使其应用受栽培学知识的局限性。一种植物在不同的生长期其最佳气候要求不同，不同植物在相同生长期的最佳气候要求也不同，由于操作者不一定是农业专家，其设定的气候参数是否是植物本生长期的最佳参数，因此操作人直接影响着自控系统效益的发挥。为此，我们从植物的生长需求出发，利用电子技术、生物技术、计算机控制技术开发了一套农业种植温室自动控制系统，该系统安装了“农业专家管理系统”，能够及时为用户提供温室各种作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施，不但能为不懂农业技术的用户提供技术帮助和实时指导，而且能自动生成合理的控制方

案，实现了人造气候的智能化管理。

二、系统构成及功能

本系统以主机为上位机，以若干个温室内的“气候自动控制器”为下位机，其间以通讯线路相连接（图1）。各温室内的“气候自动控制器”负责采集本温室温度、湿度、光照度和CO2浓度等气候参数，并通过通讯线路传送给主机，主机通过我们开发的软件，把传来的气候参数与“农业专家管理系统”对各温室事先设定的最佳气候参数进行比较、分析和运算，向各温室的“气候自动控制器”发出“通风、加热、喷淋、调节光照、补充CO2”等相应控制指令，各温室内的“气候自动控制器”根据主机对本温室的控制指令立即接通或断开“通风机”、“加热器”、“淋水泵”、“光照调节装置”和“CO2施放机构”等设备的电源，从而控制温室的气候参数始终保持在适合植物快速生长的最佳状态。

2.1

气候参数的采集

温室环境气候参数的采集依靠传感器进行，包括土壤湿度传感器、叶面湿度传感器、空气温湿度一体化传感器、光照度传感器、CO2传感器。它们是监控系统的信息来源，关系到整个系统的检测、数据分析和控制的可靠性与准确性。2.2伺服机构

伺服机构是“气候自动控制器”具体控制的执行者，包括通风机、加热器、喷淋水泵、光照调节装置、CO2施放机构等设备。

2.3气候自动控制器

“气候自动控制器”可在无主机的情况下单独控制本温室的气候，本温室各种气候参数通过传感器进行实时检测，然后经单片机分析处理后输出控制指令，经执行机构完成最佳气候的自动化控制（图2）。这种控制方式成本较低，特别适用于对我国中小型温室的智能化控制。

三、系统软件

系统软件由数据综合管理系统（图3）及农业专家管理系统（图4）两部分组成。数据综合管理系统软件主要用于温室环境参数的设置、通讯、显示、存储、查询、统计和打印等；农业专家管理系统软件能及时为用户提供温室各种作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施，并能自动生成最佳控制方案，为不懂农业技术的用户提供技术帮助和实时指导。

四、农业专家管理系统设计

农业专家管理系统具有专家决策与咨询两项功能，因为数据能反映事物的数量化特征，在数量上能为各级管理者和决策者提供数据和辅助决策信息，因此该系统是以数据形式进行辅助管理的。4.1人机接口

人机接口是人机交流的界面，用户可以向系统提供信息、任务要求和系统向用户提供解答及索取为完成任务所需要的补充信息。4.2知识库内容

由于温室生产中农业专家知识范围广泛，知识类型复杂，我们采用了树形目录的方式进行分类表示，内容包括植物类别、植物特性、栽培技术、最佳气候参数等，其中植物类别有花卉、苗木和反季节蔬菜三大类；植物特性包括植物属性、日照要求、原产地等；栽培技术包括栽培土质、适应品种、繁殖方法、种苗管理、浇水措施、施肥操作、病虫害防治等；最佳气候参数是用于温室控制最重要、最直接的参数，包括白天、夜晚植物在不同生长期的最佳温度、湿度、光照强度和CO2浓度等。其内容以黄瓜为例见表1。

4.3知识库管理系统功能

知识库管理系统包括知识库编辑和专家咨询两个模块，通过知识库编辑模块可以输入、增加、删除、修改领域知识，实现知识的继承输入；通过知识库咨询模块，用户可查看知识库的总体结构，并能迅速查出某温室栽培作物的有关知识。

4.4专家决策系统

专家决策系统的功能包括信息收集、问题识别、问题求解等，可根据用户提出的任务要求进行分析、判断，并利用专家知识库提供的知识进行问题求解。就本系统的决策环境来看，一是要涉及专家丰富的知识因素；二是决策要建立在实时测量基础上,在联网控制方式下,决策过程为:用户通过人机接口，只需把指定编号温室的植物类型和生长期输入到专家管理系统，主机即可根据农艺专家推荐的最佳气候参数结合RS-485通讯线路传来的温室实测气候数据，自动生成合理的控制方案，再通过通讯线路把控制指令下达到该编号温室内的气候自动控制器，通过伺服机构实施智能化控制。

五、托普物联网简介：

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！

托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方

案、温室大棚智能控制解决方案等。

托普物联网三大系统产品

我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）

托普物联网模块化智能集成系统

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。

1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。

3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。

六、结语

目前，我国农村正在大力发展温室栽培，绝大部分温室大棚已经安装有通风、加热、喷淋等设备，只需添加“自动控制系统”中的气候自动控制器、环境参数采集传感器及输出控制柜。经实证验证，本系统运行状况良好，由于采用模块化设计，上位机未采用个人计算机并可根据情况进行取舍，通信距离可达到1km，系统经济、灵活,而且操作方便，比较适合在中、小规模大棚内使用和推广。

参考文献：

[1]颜全生.温室自动控制系统设计及实现[J].电力系统及其自动化学报,2001(4):66-69.

[2]马德华,庞金安,霍振荣.低温锻炼对黄瓜幼苗光合作用的影响[J].河南农业大学学报,2000,34(1):40-41