温室环境计算机测控系统研究

温室环境计算机测控系统研究指导教师：钱东平霍晓静唐娟吕长飞学生：马超摘要本文采用虚拟仪器技术，将传感器技术和计算机技术结合起来，进行了温室环境监测控制系统的硬件及软件设计。硬件上采用温度传感器、湿度传感器、光照传感器和二氧化碳浓度传感器检测各环境参数，实现了环境参数的自动采集；利用遮阳幕、二氧化碳发生器、微灌系统等实现了温室环境的智能调节。软件上基于LabWindows/CVI虚拟仪器开发平台，实现了数据的采集、处理和系统的控制。关键词温室虚拟仪器数据采集LabWindows/CVIAbstractThisliterarygraceusesthevirtualinstrumentationtechnique,combinedwiththesensortechniqueandthecomputertechnique,proceedingthegreenhouseenvironmentmonitorshardwareandsoftwaredesignsofthecontrolsystem.Onthehardware,withthetemperaturesensor,thehumiditysensor,thelight-shinessensorandthecarbonsensor,examiningeachenvironmentparameter,realizestheenvironmentparametercollectautomatically;Makeuseoftohidetheactofsun,carbondioxideoccurrencemachine,tinyirrigatesystemetc.realizestheenvironmentalintelligenceingreenhouseregulates.OnthesoftwareaccordingtoLabWindows/CVIvirtualinstrumentdevelopmentterrace,realizesthedatacollections,handleswiththecontrolofthesystem.KeywordsGreenhouseenvironment;Virtualinstrumentation;Thedatacollections;LabWindows/CVI1概述世界发达国家如荷兰、美国、英国等大力发展集约化的温室产业，已经研制成功对温室内温度、湿度、光照、气体交换、滴灌、营养液循环等实现计算机自动控制的现代化高科技温室，甚至于育苗、移栽、清洗、包装等也是实现了机械化、自动化。此外，遥感技术（WirelessTechnology）、网络技术(TransferControlProtocel-InternetProtocol/TCP-IP)、控制局域网（Ctrollerareanetwork）也逐渐应用于温室的管理与控制中。目前，美国已将全球定位系统、遥感遥测等高新技术应用于温室生产，由82%的温室使用计算机进行控制，有67%的农户使用计算机，其中27%的农户还用于网络技术。英国的智能温室系统，西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制的成功应用，另外，德国已将3S技术（地理信息系统GIS、全球定位系统GPS和遥感技术RS）应用于温室。2系统总体方案2.1虚拟仪器技术虚拟仪器的概念首先由美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorporation简称NI）于1986提出。虚拟仪器由用户自己定义，这就意味着我们可以自由组合计算机平台、硬件、软件以及各种完成应用系统所需的附件，而这种灵活性在传统仪器上是达不到的。虚拟仪器系统包括GPIB(IEEE488.2)、VXIbus、插入式数据／图像采集板、串行通信与网络等四类I/O接口，其中GPIB是目前使用最为广泛的仪器接口。其构成方案如图2–1所示。2.2系统主要环境因子的特征影响生物生长发育的主要环境条件包括：光照（光照强度、光照时数、光质），温度，湿度，气体等环境条件。2.2.1光照环境植物的生命活动与光照密不可分，光照是植物赖以生存的物质基础。1）光照强度温室内的光照强度一般比自然光弱，不同的覆盖材料造成温室内的光照强度差别较大，塑料温室大棚的平均透光率约为50%,全光玻璃温室的透光率约为60%,最大可达70%,光照强度可通过遮阳幕,有条件的可采用补光系统来调节。2)光照时数光照时数因温室类型而异,其中全面透光无覆盖的温室的光照时数露地基本相同。在寒冷的季节,为了防止保温而覆盖在温室天面的蒲席、草毡,其揭盖时间直接影响温室内受光时数。3)光质温室内的光质与自然光不同,主要与覆盖材料,如塑料薄膜、硬质塑料板材、玻璃等的性质有关,透过的光质与覆盖材料的组成成分、颜色等有直接关系,所以必须根据室内种植植物的品种,选择有利于该作物生长发育的覆盖材料。2.2.2温度环境温度是影响植物生长发育的最重要的环境因子,它影响着植物体内的生理变化,是植物生命活动的基本要素。室内的调节包括保温、加温和降温。DAQ板卡／DAQ盒信号调理测控对象GPIB接口卡GPIB仪器VXI仪器串行仪器／PLC现场总线（Fieldbus）设备其它计算机外围设备虚拟仪器软件开发平台PC图2-1虚拟仪器系统的构成方案2.2.3湿度环境湿度分空气湿度和土壤湿度两方面。室内湿度的大小是水分多少的反映,直接影响着农作物的产量和品质。空气湿度的调节主要根据植物生长的湿度要求进行除湿和加湿。空气除湿的方法有:通风换气、加温除湿和控制灌溉量。空气加湿的方法有:喷雾加湿、湿帘加湿等。土壤的湿度调节主要是调节灌溉量。2.2.4气体环境二氧化碳浓度的调节和控制：在半封闭或全封闭的温室内,作物不断的从空气中吸收二氧化碳,而外界大气中二氧化碳又不能及时补充,造成温室内的二氧化碳浓度很低,无法充分满足作物的生长需要.调节二氧化碳浓度主要采取通风换气和人为补充二氧化碳浓度的方法。2.3系统硬件总体方案结构对于温室环境监控系统的硬件设计，主要包括两方面：①环境参数检测系统的设计；②环境调控系统的设计。系统结构如图2-2图2-2系统结构框图数据采集板温度传感器光照传感器CO2浓度传感器继电器或电磁阀执行机构湿度传感器遮阳幕降温加湿升温除湿CO2储气罐计算机控制中心打印机键盘控制报警装置天窗侧窗3测控系统的硬件设计系统的硬件部分：1)计算机是整个测控系统的数据采集、数据管理、控制决策的中心。2)信号检测部分指传感器，它们进行温室内环境因子的数据的采集并传送给数据采集板。3)数据采集部分指数据采集板及其配套设备，将采集到的数据进行A/D转换，传送进入计算机，进行进一步的分析处理；再将计算机输出的控制结果通过D/A转换，输出给控制部分。4)执行机构根据控制结果进行相应的动作，最终达到使温室环境参数达到最理想的状态。3.1系统计算机的选用普通PC机，要求配置具有较高的运行速度和较快的数据处理能力，以便进行及时的数据运算和实时控制；具有较大的硬盘存储空间，用于存储检测的数据，以便进行分析和查询，能保证系统的正常运行。3.2传感器的选用3.2.1温度传感器本系统采用的是JWSL型热电阻温度传感变送器，其感温元件为灵敏度高、线性好的PT1000铂电阻。铂电阻具有电阻率高，在使用的温度范围0℃～50℃内，材料的物理和化学性质稳定等优点。3.2.2湿度传感器本系统中湿度传感器采用的是JWSL型高分子湿敏电容式湿度传感变送器，可测量20～100%RH，它具有线性好、精度高、响应时间快、使用温度范围宽、寿命长等优点。其湿敏元件为HS15型日产高分子感湿探头，可连续高湿使用，抗结露，常温下使用不需温度补偿。3.2.3照度传感器本系统选择了ZD-VB型照度变送器对光照进行测量。其工作原理：采用光电二极管将光照强度转换为电流信号，在经运算放大器转换为电压信号输出。3.2.4二氧化碳浓度传感器本系统选用芬兰生产的GMW22型红外二氧化碳气敏传感器，此传感器具有精度高、选择性好、浓度检测范围大（可检测0~2000ppm）浓度等特点。3.3数据采集板LabWindows/CVI软件获取数据的方法是通过对I/O接口设备的驱动完成的。虚拟仪器系统中，I/O接口设备主要是数据采集板。本系统选择了美国NI公司生产的插入式数据采集板PCI—6024E。4执行机构温室的环境调控系统包括：1）幕帘保湿与遮阴系统夏季晴天可根据作物的光照需求关闭进行遮阴与降温；冬季夜间可以关闭保温。其保温原理：冬季夜间温室的热量散失主要是通过顶棚和天沟辐射散热，造成温室顶部温度低，底下空气温度高。当保温遮阴幕关闭后，可以阻隔温室内空气对流，使热空气留在温室内花卉生长的空间，另外，保温湿帘能有效的反射夜间温室内的红外辐射，防止热量通过辐射形式散失。2）热水采暖系统在温室供暖时，一般采用的都是热水采暖系统。采暖期间，热负荷大时2台水泵全开，较小时只开1台。根据市内实际温度与要求的温度的差通过三向阀调节系统的供水温度，避免冬季通过换气体调节温度而浪费能量。3）二氧化碳控制系统当二氧化碳的含量低于一定值时打开二氧化碳储气罐增施气肥。4）微灌系统由补偿型滴灌带、过滤器、电磁阀和控制器组成。当土壤水分不足时，可以及时补充水分。5）自然通风系统自然通风系统由天窗和侧窗组成，自然通风系统的作用原理包括热压作用和风压作用，前者是利用温差而产生的室内外的压力差形成热压条件而通风换气。后者是利用风吹向建筑物时，迎风面形成正压，背风面形成负压，形成风压作用而自然通风。自然通风系统主要用于春季、秋季等气温不很高的季节的换气和通风。6）湿帘降温系统强制通风湿帘降温系统由风机和湿帘窗组成。主要用于夏季，室外处于高温，自然通风系统不能起到降温作用时的降温。相对于喷雾排风法，湿帘降温系统具有不易产生病虫害，降温效果好，成本低等特点。4系统软件设计4.1软件系统的开发环境本系统采用了中文Windows98/2000/XP操作系统作为软件的运行环境，开发工具选用了美国NI公司推出的虚拟仪器开发软件LabWindows/CVI，该系统给用户提供良好的软件环境，便于操作，同时使系统的软硬件资源得到充分利用。LabWindows/CVI(CforVirtualInstrumentation)是一个用C／C++语言构建仪器系统的交互式软件开发环境，其目的就是使用户易于开发和调试虚拟仪器系统。LabWindows/CVI使用单一的开发环境，可以通过模块化方式对C语言进行编辑、编译、连接和调试。4.3系统软件的总体设计系统软件由六大模块组成：参数设置模块、数据采集模块、数据分析和处理模块、控制输出模块、数据管理模块。图4-2系统软件结构图4.4系统主要功能模块软件主要完成了信号检测与采集数据的处理。4.4.1参数设置模块操作人员在进入测控系统的开始，就要首先验明身份。如果密码错误，则禁止进入系统。由于不同的作物在不同的生长时期对环境参数的要求不同，同一作物在不同发育期也对环境要求不同，所以把环境参数作为控制参数向数据实时采集控制模块中发送，能够更系统参数设置控制参数设置温度信号湿度信号照度信号浓度信号均值去除法信号滤波处理降温加湿信号二氧化碳加浓升温除湿信号报警信号数据显示数据存储打印输出参数设置模块数据采集模块数据处理模块控制输出模块数据管理模块系统软件主体好的满足生物生长所需环境。系统参数设置功能主要用于设定人为要求的环境因子的适宜数值。系统中默认的可向数据实时采集控制模块发送的控制参数有温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度等环境参数。该窗口的界面如图4-4图4-3用户密码检验图4-4系统参数设置4.4.2数据采集模块数据采集模块主要实现多通道数据同步采集、波形实时显示以及数据存储功能。以动态曲线或表格的形式显示环境因子参数的实时变化，同时根据设定的报警值，进行报警，完成温室环境实时监测。信号采集的任务就是将传感器采集的电压信号通过各采集通道输入到计算机中，最后再实时的显示出来。被采集的信号能否再实现真实信号，与采样方式的选择和采样时间的确定有很大