陳　林，汪小燕，曹鵬輝

(華中科技大學(xué)　電子信息與通信學(xué)院，武漢　430074)

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基于LabVIEW的綜合設(shè)計(jì)性項(xiàng)目研究

陳林，汪小燕，曹鵬輝

(華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院，武漢430074)

摘要該文以智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為例，闡述了如何引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，從系統(tǒng)角度思考、設(shè)計(jì)總體方案，并利用LabVIEW快速實(shí)現(xiàn)的教學(xué)模式。該項(xiàng)目既可選擇不同模塊用于LabVIEW類課程教學(xué)，也可引入課程設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)教學(xué)實(shí)踐給出了其應(yīng)用于不同課程的具體教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞智能溫室；LabVIEW軟件；綜合設(shè)計(jì)；課程設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instruments，NI)于1986年率先推出的基于“虛擬儀器”開發(fā)的圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)。它包含了大量的控件、工具包和模塊函數(shù)，如內(nèi)置了超過1 000多種信號(hào)處理與分析函數(shù)、多種射頻與無線協(xié)議工具包，以及機(jī)器視覺與運(yùn)動(dòng)控制等多種模塊，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示與存儲(chǔ)等操作。同時(shí)還提供了多種形式的接口，可以與DLL、Matlab等多種軟件互相調(diào)用。它更具能與硬件進(jìn)行無縫連接的特色：一方面，平臺(tái)自身包含有強(qiáng)大的儀器驅(qū)動(dòng)庫，可以和多種儀器連接；另一方面，平臺(tái)代碼可以發(fā)布到不同的執(zhí)行對(duì)象，包括嵌入式控制器、FPGA等[1-3]，而且現(xiàn)在市場(chǎng)上很多的硬件廠商都有專門針對(duì)LabVIEW開發(fā)的驅(qū)動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，LabVIEW的性能也在不斷完善，目前，其應(yīng)用早已突破最初的儀器控制和數(shù)據(jù)采集的范疇，向更深、更廣的方向發(fā)展，已經(jīng)涉及電子電氣、射頻與通信、裝備自動(dòng)化、汽車、國防、航空航天、能源電力、生物醫(yī)電、土木工程、環(huán)境工程等多個(gè)領(lǐng)域[4]。

鑒于LabVIEW在各大領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用和巨大的發(fā)展空間。各高校已紛紛將LabVIEW的學(xué)習(xí)及應(yīng)用納入到各相關(guān)專業(yè)學(xué)生的課程體系中[5-7]。本文開發(fā)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目即可選擇相應(yīng)子模塊用于LabVIEW的課程學(xué)習(xí)中，也可用于學(xué)生的課程設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)軟硬結(jié)合，以提高學(xué)生系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力。

1基于LabVIEW的綜合系統(tǒng)構(gòu)架

LabVIEW作為圖形化編程開發(fā)平臺(tái)，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力和系統(tǒng)處理、分析能力，且易學(xué)易用，同時(shí)它又充分利用了計(jì)算機(jī)、儀器和測(cè)控系統(tǒng)等硬件資源，成為快速構(gòu)建交互式系統(tǒng)的強(qiáng)大利器。

LabVIEW系統(tǒng)的構(gòu)成通常由信號(hào)的獲取和采集、信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的輸出與顯示[8]3大部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　LabVIEW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信號(hào)的獲取和采集部分由硬件實(shí)現(xiàn)，信號(hào)的分析與處理及后續(xù)結(jié)果的輸出與顯示則靠軟件完成。被測(cè)信號(hào)的形式多種多樣，既有電量形式，又有非電量形式。若被測(cè)信號(hào)為非電量，則首先需將其轉(zhuǎn)換為電壓或者電流類的電信號(hào)。這些信號(hào)可能會(huì)很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等，所以在進(jìn)入采集設(shè)備之前必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，以進(jìn)行有效而準(zhǔn)確地變換。信號(hào)調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波和激勵(lì)等。通過數(shù)據(jù)采集模塊將變換后的電信號(hào)采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)，而LabVIEW軟件則提供儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取、分析處理、顯示以及對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的控制等功能，為各類系統(tǒng)的開發(fā)提供了系統(tǒng)平臺(tái)和支撐。

2LabVIEW綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目的開發(fā)設(shè)計(jì)

由于LabVIEW具有快速構(gòu)建系統(tǒng)的強(qiáng)大能力，因此開發(fā)的綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目就必須具有一定的綜合性、探索性，同時(shí)又要以學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)水平為基礎(chǔ)，并能方便進(jìn)行適度拓展。智能溫室控制系統(tǒng)項(xiàng)目則正好滿足此要求。

智能溫室控制系統(tǒng)項(xiàng)目具體要求為：采集溫室里的溫度、濕度、光照等參數(shù)，根據(jù)環(huán)境對(duì)作物的影響因素，確定智能溫室控制方案。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)：如加溫、降溫控制；噴灌、補(bǔ)光控制等，實(shí)現(xiàn)集監(jiān)控管一體的溫室智能化系統(tǒng)。

2.1設(shè)計(jì)方案

該項(xiàng)目是一個(gè)軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目。首先，由各類傳感器電路實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室參數(shù)的檢測(cè)；然后，由數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)溫室參數(shù)的信息進(jìn)行采集；最后，LabVIEW平臺(tái)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算、處理，并對(duì)后續(xù)設(shè)備進(jìn)行控制。如當(dāng)溫度不適于農(nóng)作物生長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并自動(dòng)開啟風(fēng)扇降溫或者加熱片加熱以保持溫室系統(tǒng)的恒溫狀態(tài)；當(dāng)濕度不適于農(nóng)作物生長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并進(jìn)行噴灌；當(dāng)光照不適宜時(shí)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)光處理等。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

高血壓是一類常見的慢性疾病,多發(fā)于中老年人,近些年來呈現(xiàn)出年輕化的趨勢(shì),對(duì)該病的防治已受到廣泛關(guān)注。高血壓患者多采取藥物進(jìn)行治療,但可供選擇的降壓藥物品種繁多,療效和安全性各異,如何為患者選擇安全、高效的藥物已受到廣泛關(guān)注。本次實(shí)驗(yàn)選取我院在2016年4月至2017年4月收治的100例高血壓患者為研究對(duì)象,就貝那普利聯(lián)合氨氯地平對(duì)其血壓水平控制效果的影響進(jìn)行分析,現(xiàn)作如下總結(jié)。

圖2　溫室控制系統(tǒng)框圖

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1)電源轉(zhuǎn)換模塊。

利用電源適配器，將外部提供的220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，若各模塊所需電壓值不同，還可用穩(wěn)壓芯片如7805等進(jìn)行直流電壓的轉(zhuǎn)換。注意電源模塊需提供足夠大電流，以滿足系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力要求。

2)溫度、濕度檢測(cè)和控制模塊。

圖3　溫度檢測(cè)模塊電路

溫度檢測(cè)模塊的核心器件為溫度傳感器LM35，它將環(huán)境溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，其靈敏度為10.0 mV/℃。由于轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)較小，還需外接運(yùn)算放大器進(jìn)行適當(dāng)放大，才能送入采集設(shè)備，檢測(cè)模塊電路如圖3所示。然后，借助LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行邏輯判斷，產(chǎn)生兩路控制信號(hào)(數(shù)字信號(hào))，當(dāng)溫度低于設(shè)定閾值時(shí)開啟加熱片、關(guān)閉風(fēng)扇，高于設(shè)定閾值時(shí)，關(guān)閉加熱片、開啟風(fēng)扇以保持溫室恒溫。由于采集設(shè)備直接輸出的信號(hào)電流較小，因此采用TIP122達(dá)林頓管作為控制開關(guān)，其允許流經(jīng)的電流值大于1 A，滿足加熱片和風(fēng)扇正常工作的驅(qū)動(dòng)能力需求。溫度控制具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。

圖4　溫度控制模塊電路

濕度檢測(cè)模塊可選用集成的土壤濕度計(jì)檢測(cè)模塊，其檢測(cè)器件為類電容的裝置，容值隨水位的改變而線性變化，可通過電位器調(diào)節(jié)土壤濕度控制閾。該模塊有數(shù)字輸出端DO和模擬輸出端AO。模擬輸出電壓信號(hào)會(huì)隨水位高度線性變化，可將電壓信號(hào)送入采集設(shè)備通過LabVIEW進(jìn)行邏輯判斷，產(chǎn)生單路控制信號(hào)。干燥度高于設(shè)定閾值時(shí)，開啟水泵，抽水澆灌；低于設(shè)定閾值時(shí)，關(guān)閉水泵。用TIP122達(dá)林頓管作為開關(guān)控制水泵的工作，具體實(shí)現(xiàn)電路可參考圖4。數(shù)字輸出端信號(hào)則可接蜂鳴器以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

3)光照檢測(cè)和控制模塊。

圖5　光照檢測(cè)控制模塊

2.3數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的根本任務(wù)，就是將外部輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理。數(shù)據(jù)采集電路一般可直接使用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，NI公司提供了多種接口形式的多功能數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，如USB接口的myDAQ平臺(tái)等，安裝相應(yīng)驅(qū)動(dòng)軟件就可與LabVIEW進(jìn)行無縫連接，同時(shí)自帶萬用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器等各種儀器，使用非常方便。

由于本系統(tǒng)對(duì)信號(hào)要求不是太高，也可用聲卡代替完成數(shù)據(jù)采集的工作。目前，普通聲卡已作為多媒體計(jì)算機(jī)最基本的硬件，具有16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)44 kHz，性能穩(wěn)定，有較高采樣精度，完全可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要[9]。但聲卡對(duì)于信號(hào)頻率采集的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)信號(hào)幅度的靈敏度，所以為使采集的信號(hào)更加準(zhǔn)確，建議先利用V/F(壓/頻)轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有一定幅值的頻率信號(hào)，再通過聲卡采集頻率，最后，借助LabVIEW的信號(hào)處理功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和顯示?？蛇x用LM331構(gòu)成V/F轉(zhuǎn)換模塊，其轉(zhuǎn)換精度高，外接電路簡(jiǎn)單。

LabVIEW提供了一系列與聲卡有關(guān)的函數(shù)，這些函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡的快速訪問和操作，因此利用這些函數(shù)可以方便搭建基于聲卡的信號(hào)采集程序。這些函數(shù)位于“函數(shù)”/編程/圖形與聲音/聲音子選板上。硬件上一般采用淺藍(lán)色的Line In口為采集輸入端，草綠色的Wave Out口為輸出端。

2.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的二次濾波，將電壓值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度、濕度值顯示，并產(chǎn)生輸出信號(hào)用以控制外圍硬件電路。程序流程圖如圖6所示。

以溫度監(jiān)控為例，假設(shè)溫室中適宜作物正常生長(zhǎng)所需溫度為T1～T2，則智能調(diào)控溫度上限為T2，下限為T1。當(dāng)溫室中溫度低于T1或者高于T2時(shí)都會(huì)觸發(fā)警報(bào)并且自動(dòng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或加熱片做出相應(yīng)反應(yīng)。具體可分為以下3種情況。1)若當(dāng)前溫度高于T2，則風(fēng)扇開始工作并且發(fā)出溫度警報(bào)；當(dāng)溫度降低至T2以下警報(bào)解除，風(fēng)扇繼續(xù)工作，直到溫度略低于0.5(T1+T2)+0.5，則停止工作。2)若當(dāng)前溫度低于T1，則加熱片開始工作并發(fā)出溫度警報(bào)；溫度升高至T1以上警報(bào)解除，加熱片繼續(xù)工作，直到溫度略高于0.5(T1+T2)-0.5，則停止工作。3)若當(dāng)前溫度在0.5(T1+T2)-0.5～0.5(T1+T2)+0.5之間，則風(fēng)扇和加熱片均不工作。

濕度監(jiān)控情況較為單一，在此不作贅述。

圖6　溫室控制系統(tǒng)軟件流程圖

2.5項(xiàng)目擴(kuò)展

還可以利用LabVIEW強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室參數(shù)的遠(yuǎn)程控制。使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信有4種方法：1)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，可以使用的通信協(xié)議類型包括TCP/IP協(xié)議、UDP、串口通信協(xié)議、無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等；2)使用基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議DSTP的DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；3)使用共享變量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；4)通過遠(yuǎn)程訪問實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[10]。

NI公司在移動(dòng)端還推出了Data Dashboard for LabVIEW平臺(tái)，提供給用戶對(duì)LabVIEW變量編程的接口。在本文系統(tǒng)中，通過創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)共享變量，就能使用移動(dòng)設(shè)備通過Data Dashboard編程所得的控件實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)項(xiàng)目綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、信號(hào)處理等多門理論課程的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了多種現(xiàn)代電子技術(shù)手段圍繞一個(gè)設(shè)計(jì)主題展開，要求學(xué)生從系統(tǒng)角度思考、設(shè)計(jì)總體方案及實(shí)施手段。實(shí)踐證明該項(xiàng)目能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性。若將本項(xiàng)目用在LabVIEW類課程教學(xué)中，建議安排12學(xué)時(shí)左右，僅完成對(duì)溫室中溫度參數(shù)的監(jiān)控；若用于課程設(shè)計(jì)，則建議將溫度監(jiān)控模塊、濕度監(jiān)控模塊和光照控制模塊作為基本內(nèi)容要求完成，而將遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊作為擴(kuò)展內(nèi)容完成，使不同層次學(xué)生都有發(fā)揮、創(chuàng)新的空間。

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Study on the Comprehensive Designing Project Based on LabVIEW

CHEN Lin，WANG Xiaoyan，CAO Penghui

(School of Electronic Information and Communications，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

AbstractThis paper takes design and implementation of intelligent greenhouse control system as an example，expounds how to guide the students integrated use of theoretical knowledge，from the perspective of system thinking and overall scheme design，and use the LabVIEW rapid implementation of teaching mode.The project can choose different modules for LabVIEW course teaching，also can be introduced into the curriculum design.Finally，the teaching practice should be given for the specific teaching suggestions according to the different course.

Key wordsintelligent greenhouse；LabVIEW software；comprehensive designing；curriculum design

收稿日期:2015-03-11；修改日期: 2015-03-26

作者簡(jiǎn)介：陳林(1968-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事虛擬儀器技術(shù)、電子技術(shù)和EDA技術(shù)的教學(xué)研究工作。

中圖分類號(hào)TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.003