劉 方

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100）

近年來，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)朝著集約化、規(guī)?；较虻陌l(fā)展和溫室管理智能化要求的提高，虛擬儀器技術(shù)在溫室控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，這是現(xiàn)代智能溫室發(fā)展的必然趨勢。溫室生產(chǎn)旨在人為地創(chuàng)造作物生長所需的最佳環(huán)境條件，通過科學(xué)的經(jīng)營管理，獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。溫室生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，溫室環(huán)境控制是通過改變溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照和CO2濃度等環(huán)境因子，來獲得作物生長的最佳條件，從而提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。但是，溫室環(huán)境控制在所有室內(nèi)環(huán)境控制中是最困難的，除了要監(jiān)控溫度、濕度外，還需兼顧土壤水分、光照度、CO2濃度、EC值、pH值等。另外，溫室環(huán)境控制的對象種類繁多，在不同生長階段的需求也各不相同，而且受能源、資金、勞動力等資源的限制及市場與天氣變化的影響，溫室環(huán)境控制必須在極有效率的狀態(tài)下進(jìn)行。因此，要建立一個(gè)好的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，就必須要有一個(gè)好的系統(tǒng)控制方案。

基于虛擬儀器技術(shù)的溫室控制系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬儀器技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用LabVIEW軟件開發(fā)平臺進(jìn)行控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從而完成對溫室內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與分析，系統(tǒng)監(jiān)測與控制及歷史數(shù)據(jù)處理等功能。

1 溫室控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 測控系統(tǒng)總體方案

溫室控制系統(tǒng)整體由信號檢測部分、數(shù)據(jù)采集部分、計(jì)算機(jī)控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分組成。

在溫室控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集及測量部分，通過各種高性能傳感器對外界氣候環(huán)境進(jìn)行測量，對溫室內(nèi)的溫度、空氣濕度、光照、CO2含量等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過信號調(diào)理把信號進(jìn)行放大、濾波、調(diào)制解調(diào)等，然后將測量結(jié)果通過虛擬儀器，也即數(shù)據(jù)采集卡送至個(gè)人計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)控制要求輸出結(jié)果并對整個(gè)溫室進(jìn)行綜合控制。整個(gè)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程為：被測對象→傳感器→信號調(diào)理→數(shù)據(jù)采集卡→計(jì)算機(jī)→執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

在溫室控制系統(tǒng)中，信號檢測部分主要是通過各類傳感器來測量各個(gè)環(huán)境參數(shù)，它們對溫室內(nèi)環(huán)境因子進(jìn)行采集并把數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)采集卡。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是溫室測控系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它通過各種高性能傳感器對溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度和CO2濃度進(jìn)行測量，把測得的這些非電量信號，轉(zhuǎn)化為電壓或電流等電信號，并且由于測得的電信號比較小，需要進(jìn)行信號調(diào)理，把信號進(jìn)行放大、濾波、調(diào)制解調(diào)等，之后才能通過數(shù)據(jù)采集卡送至計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)控制部分接收數(shù)據(jù)采集部分傳送的各環(huán)境參數(shù)的數(shù)字信號，結(jié)合相關(guān)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相對精確的結(jié)果，并對整個(gè)溫室進(jìn)行綜合控制。同時(shí)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的輸出通道進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的適調(diào)電路。而執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分接受計(jì)算機(jī)輸出的控制信號，執(zhí)行相應(yīng)的動作，使溫室環(huán)境參數(shù)達(dá)到最理想的狀態(tài)。

因此，對于整個(gè)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)而言，主要包括兩個(gè)方面：

（1）環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)；

（2）環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

從目前國內(nèi)外溫室控制技術(shù)的現(xiàn)狀來看，溫室控制系統(tǒng)中大部分采用PLC或單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制。而本文是采用虛擬儀器來作為整個(gè)測控系統(tǒng)的控制模式來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，具體是通過其軟件平臺LabVIEW來實(shí)現(xiàn)的。

虛擬儀器的軟件，包括儀器驅(qū)動程序，應(yīng)用程序和前面板程序。儀器驅(qū)動程序主要用來初始化虛擬儀器，設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持在正常的工作狀態(tài)。應(yīng)用程序主要用來對輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用戶就是通過編制應(yīng)用程序來定義虛擬儀器功能的。

數(shù)據(jù)采集硬件有多種多樣的形式，它的選擇要根據(jù)具體的應(yīng)用場合并考慮到開發(fā)系統(tǒng)所現(xiàn)有的技術(shù)資源，整個(gè)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集硬件，采用NI公司開發(fā)的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，可以同時(shí)滿足這兩方面的要求。另外，硬件驅(qū)動程序是應(yīng)用軟件對硬件的編程接口，它包含著待定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞。而整個(gè)數(shù)據(jù)采集所采用的開發(fā)環(huán)境是LabVIEW7.0，且采用基于NI-DAQmx的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因?yàn)镈AQmx系統(tǒng)不僅能對硬件進(jìn)行各種必要的設(shè)置和測試，然后調(diào)用DAQmx數(shù)據(jù)采集函數(shù)編寫程序外，它還提供了通過數(shù)據(jù)采集助手DAQ Assistant快速進(jìn)行交互式的硬件設(shè)置和自動生成數(shù)據(jù)采集程序圖形代碼的方法。

測試系統(tǒng)的主要內(nèi)容，包括模擬信號輸入輸出和數(shù)字信號輸入輸出，我們把這些都?xì)w于數(shù)據(jù)采集DAQ—Data Acquisition。因此，基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)為：傳感器→信號調(diào)理器→數(shù)據(jù)采集設(shè)備→計(jì)算機(jī)。即中間環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，是完全由虛擬儀器來承擔(dān)完成的。由此，測出整個(gè)溫室內(nèi)部各環(huán)境參數(shù)的實(shí)際值，與設(shè)定值相比較，給出判斷并送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)以執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而使整個(gè)溫室系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境達(dá)到最佳。

2 應(yīng)用的意義與前景

2.1 應(yīng)用的意義

溫室控制系統(tǒng)中采用虛擬儀器技術(shù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)測試中采用的多參數(shù)分別用單個(gè)儀器檢測、數(shù)據(jù)單獨(dú)匯總處理的方式，或基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)相比，其意義主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）在系統(tǒng)軟件方面，采用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺和模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取、采集信息的實(shí)時(shí)顯示、控制信號的準(zhǔn)確輸出及數(shù)據(jù)的自動處理，并且可實(shí)現(xiàn)多通道采集，減少了人為干預(yù)，增加了測控過程的穩(wěn)定性，避免人為的讀數(shù)誤差和計(jì)算誤差。

（2）可實(shí)時(shí)顯示不同的參數(shù)曲線變化及其歷史曲線變化，從而可方便地進(jìn)行比較分析。

（3）在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的時(shí)候，可按照使用人員指定的方式輸出多種報(bào)警。如：聲光報(bào)警、鳴笛報(bào)警等。

（4）所有的數(shù)據(jù)采集，都可以記錄到計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)可以按照使用人員的要求定時(shí)自動備份、打印、歸檔等。

（5）溫室控制系統(tǒng)中使用虛擬儀器，改變了設(shè)計(jì)者的工作方式，幫助他們迅速開發(fā)和測試原始的樣機(jī)，同時(shí)能夠更迅捷更完滿地測試產(chǎn)品。最終提高了產(chǎn)品質(zhì)量，且能迅速投放市場。綜合起來，虛擬儀器的使用節(jié)省了時(shí)間，節(jié)省了資金，收到了好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 應(yīng)用前景

虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活，目前已廣泛應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)中以進(jìn)行測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而隨著各種新技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景也越來越廣闊，主要表現(xiàn)在：

（1）提高了檢測控制的精度，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性、可靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

（2）虛擬儀器技術(shù)將會向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，并且越來越大眾化和小型化。因此，開放式的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，將使溫室測控系統(tǒng)走上標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化和模塊化的道路。

（3）以微機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測試平臺，可代替常規(guī)的儀器、儀表，不僅滿足測控系統(tǒng)的需要，而且提高了設(shè)備利用率，降低了實(shí)驗(yàn)成本。

（4）可結(jié)合具體的作物試驗(yàn)，在實(shí)踐中應(yīng)用所開發(fā)的虛擬儀器測試系統(tǒng)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，并逐步完善。

3 結(jié)束語

溫室控制系統(tǒng)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。而虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，開辟了新一代溫室測控系統(tǒng)的方向?；谔摂M儀器技術(shù)的溫室測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，能方便直觀地對溫室環(huán)境進(jìn)行全自動綜合智能監(jiān)控，對實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有著重要意義。

[1]鄧 焱，王 磊，等.LABVIEW7.1測試技術(shù)與儀器應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]張 凱，等.LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.