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基于LabVIEW的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2022-09-01 06:25陳冠文王立達(dá)韓成浩
農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2022年16期
關(guān)鍵詞:溫濕度串口濕度

陳冠文 王立達(dá) 韓成浩

(吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

引言

我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)耕強(qiáng)國(guó),對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)品的需求量是非常巨大的。在以往的農(nóng)業(yè)大棚農(nóng)作物生產(chǎn)過程中,農(nóng)民大多數(shù)使用空氣溫度計(jì)和空氣濕度計(jì)來測(cè)量環(huán)境溫度,并且通過人工升溫降溫及通風(fēng)來改善農(nóng)業(yè)大棚中的溫度以及濕度。當(dāng)前我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)多采取人工巡檢方法,由監(jiān)測(cè)人員攜帶傳感器在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、錄入觀測(cè)數(shù)據(jù),該方法工作效率低、成本費(fèi)用高、耗費(fèi)了大批人力物力,如不能及時(shí)作出調(diào)整,還會(huì)一定程度影響農(nóng)作物產(chǎn)品的生產(chǎn)量和質(zhì)量。故可以在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大棚中通過傳感器采集農(nóng)作物生產(chǎn)過程中的基本重要參數(shù),而后對(duì)重要參數(shù)進(jìn)加以信息處理,將這些數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng),通過互聯(lián)網(wǎng)讓農(nóng)村生產(chǎn)管理人員實(shí)時(shí)查看農(nóng)業(yè)大棚中的各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù),并及時(shí)作出適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)調(diào)控,如此才能促進(jìn)科學(xué)合理栽培,提升農(nóng)產(chǎn)品綜合經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品數(shù)量。

本文利用LabVIEW操作簡(jiǎn)單、圖形化編程以及極強(qiáng)的圖形化分析、處理能力等優(yōu)點(diǎn),采用溫濕度傳感器和單片機(jī)技術(shù),設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)既可以通過數(shù)字和波形2種方式呈現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù),同時(shí)還可將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值加以對(duì)比,從而觸發(fā)報(bào)警,并能將接收到的溫、濕度數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)保存在用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)庫(kù)Access中。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過采用溫濕度傳感器DHT11來檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚的作物溫度和相對(duì)濕度,DHT11溫濕度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。傳感器DHT11的數(shù)據(jù)傳輸引腳通過與單片機(jī)的I/O引腳互連,再通過hex文件燒錄過程,單片機(jī)就能夠讀取DHT11所采集到的數(shù)據(jù),并將其發(fā)送至串口;LabVIEW[1]再利用串口讀出溫、濕度數(shù)據(jù),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)溫、濕度數(shù)據(jù)信息的記錄與儲(chǔ)存。

單片機(jī)STC8A8K32S4將采集到的數(shù)據(jù)上傳至串口,而STC8A8K32S4單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串行口為全雙工的串行通訊口,有4種工作方法,即8位同步移位寄存器應(yīng)用;波特率可變的10位數(shù)UART;將波特率設(shè)置固定為2種的11位UART;將波特率設(shè)定為可變的11位UART。當(dāng)與上位機(jī)通信時(shí),本設(shè)計(jì)采用波特率可變的10位數(shù)UART來實(shí)現(xiàn)通信,即波特率倍增位置1,波特率設(shè)定4800bps,晶振選擇12MHz。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

1.2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 STC8A8K32S4單片機(jī)

STC8A8K64S4系列單片機(jī)是2016年推出的寬電壓工作范圍的1T單片機(jī),該系列單片機(jī)工作電壓為2.0~5.5V,相比STC15系列增加了I2C接口,并且ADC增加3個(gè)引腳(AVcc、Agnd、AVref)提高采集精度,STC8也是目前主推的MCU系列之一。其具有4路串口,9個(gè)定時(shí)器(5個(gè)普通定時(shí)器,4個(gè)CCP定時(shí)器),12路PWM(8路15位帶死區(qū)控制PWM,4路10位CCP的PWM),15路12位ADC,1路I2C串行總線等。具有內(nèi)部晶振(可軟件配置),無需搭建復(fù)位電路。而且STC單片機(jī)具有在應(yīng)用編程,便于后期調(diào)試安裝;含有10個(gè)AD、內(nèi)部EEPROM,可以在1T/機(jī)器周期之中工作,速度是傳統(tǒng)51單片機(jī)的8~12倍,價(jià)格也較便宜。

1.2.2 DHT11溫濕度傳感器

溫濕度傳感器選擇通常會(huì)有2種方案[2]。使用DS18B20溫度傳感器和HS1101電容式濕度傳感器,DS18B20溫度傳感器是一個(gè)具有單獨(dú)接線口接線方式的傳感器,測(cè)量的溫度范圍是-55.5~125.5℃,使用HS1101電容式濕度傳感器,測(cè)量的濕度范圍是0%~95%RH;直接利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器,其內(nèi)部集成了NTC元件來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量,具有電阻式元件來測(cè)量濕度,溫度工作范圍在0~55℃,測(cè)量的濕度范圍是25%~95%RH。經(jīng)過2個(gè)方案的對(duì)比與分析,DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具有數(shù)字可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,而且還更為方便和簡(jiǎn)行。DHT11把采集到的溫濕度數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)形式傳送給單片機(jī)引腳進(jìn)行處理,能夠滿足大部分農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)控制范圍。

1.2.3 0.96OLED顯示模塊

通常來說,單片機(jī)獲取到傳感器發(fā)出的溫濕度數(shù)據(jù),將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單處理,直接通過顯示模塊把數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)呈現(xiàn),考慮到數(shù)據(jù)直觀的呈現(xiàn)方式,溫度、濕度的數(shù)據(jù)是可以分開顯示的,這里采取0.96OLED顯示模塊,整體厚度低于1mm,只占到LCD屏幕的1/3,便于攜帶,有著良好穩(wěn)定性和抗震性;基本不存在較高的可視化問題,即便是在較高分辨率情況下,畫面依然保持清晰,沒有出現(xiàn)失真情況;響應(yīng)時(shí)間僅僅是LCD的1‰,顯示運(yùn)動(dòng)畫面不會(huì)出現(xiàn)任何拖影問題;整個(gè)顯示屏適用工況良好,可以在極端情況下適用,甚至可以在-40℃環(huán)境正常工作,整體工藝非常簡(jiǎn)便,且有著良好經(jīng)濟(jì)性,性價(jià)比非常高。

1.3 系統(tǒng)軟件控制方法

由于溫濕度控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),因此利用閉環(huán)系統(tǒng)控制手段,也就是PID控制法[3]。事實(shí)上,PID控制法具有如下特征:工作原理非常簡(jiǎn)單,便于操作應(yīng)用,有著良好的適應(yīng)性特征,整個(gè)PID算法具有完整科學(xué)合理的參數(shù)整定和設(shè)計(jì)方式,方便操作掌控處理;絕大部分工業(yè)回路中關(guān)于控制響應(yīng)速度和精度要求并不高,但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性非??粗?,為此采取PID控制法是個(gè)不錯(cuò)的選擇,具有良好的性價(jià)比。

PID控制子程序?qū)儆谡麄€(gè)系統(tǒng)控制重點(diǎn)內(nèi)容,主要功能是結(jié)合預(yù)設(shè)基本參數(shù)和測(cè)量值開展比較、運(yùn)算分析,控制各種執(zhí)行電路的工作,可以符合溫室大棚與濕度參數(shù)范圍,處于固定范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)。對(duì)于程序初始化處理過程,單片機(jī)需要對(duì)PID程序進(jìn)行初始化,獲取溫濕度數(shù)據(jù),再結(jié)合PID控制對(duì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè),找出前后差距,最后利用算法對(duì)其進(jìn)行校正,確保整個(gè)參數(shù)在控制范圍之中。

1.4 上位機(jī)LabVIEW設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)采用虛擬儀器LabVIEW對(duì)溫度和濕度數(shù)據(jù)信息的讀取、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ),主要有串口通信模塊、溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警模塊[4]、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。上位機(jī)流程圖如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

1.4.1 串口通信模塊設(shè)計(jì)

為方便進(jìn)行遠(yuǎn)程操控可將農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)[5]發(fā)送到用戶電腦,以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),因此將LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)開發(fā)串口通信程序,本設(shè)計(jì)中用到了VISA驅(qū)動(dòng)。VISA標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)新一代儀表I/O標(biāo)準(zhǔn),是全球行業(yè)內(nèi)通用規(guī)范,VISA具有和儀器硬件接口及具體計(jì)算機(jī)無關(guān)的特性,也就是VISA標(biāo)準(zhǔn)具有面向儀器作用,而并非直觀面向端口總線。啟動(dòng)串口后,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的格式,接著使用VISA寫入將數(shù)據(jù)傳輸至下位機(jī);下位機(jī)接收到上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)后,將采集到的數(shù)據(jù)信息反饋給上位機(jī)。串口部分的程序框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 串口部分程序框圖

1.4.2 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

要得到溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)信息,工程設(shè)計(jì)Check函數(shù),初始化DHT11的端口,并檢查DHT11能否正常連線,如果連線正確無誤,則設(shè)置DATA引腳成輸入;工程設(shè)計(jì)Read函數(shù),使用while循環(huán)調(diào)節(jié)DATA電平的變化,從而實(shí)現(xiàn)在DHT11中直接讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,可選擇將農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的實(shí)際溫濕度與給定適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫濕度數(shù)值范圍進(jìn)行比較,當(dāng)大棚中溫度超過預(yù)設(shè)溫度時(shí),將啟動(dòng)冷卻裝置;在大棚溫度較低情況下,將加熱使溫度回升,可人工進(jìn)行選擇添加。

1.4.3 溫度報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

在串口接收區(qū)內(nèi)建立局部變量,因?yàn)榻邮諈^(qū)內(nèi)的主要數(shù)據(jù)類型是字符串,因此要求利用字符串實(shí)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)/指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”,將下位機(jī)傳輸?shù)膶?shí)際溫度值轉(zhuǎn)化為雙精度的數(shù)據(jù)類型,然后通過在前面板上手動(dòng)輸入高溫閾值和低溫閾值實(shí)現(xiàn)溫度判斷,得到溫度數(shù)值后,需要分析當(dāng)前溫度是否超過警戒線,超過溫度預(yù)警值后,要進(jìn)行報(bào)警指示。以上算法將能夠直接添加到判斷循環(huán)里面,但為了確保整個(gè)程序可讀性,可以將其放置到VI里面。當(dāng)實(shí)際環(huán)境溫度高于設(shè)定的高溫閾值,或低于設(shè)定的低溫閾值[6]時(shí),前面板上的警報(bào)燈變成紅色,從而產(chǎn)生溫度報(bào)警,將實(shí)時(shí)環(huán)境溫度在波形圖表中顯示出來。溫度報(bào)警模塊的程序框圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 溫度報(bào)警部分程序框圖

1.4.4 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

Access是一種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)工具軟件系統(tǒng)[7]。Access數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)工作時(shí),將采用關(guān)聯(lián)式管理兄臺(tái)功能管理,利用對(duì)全部信息和數(shù)據(jù)內(nèi)部關(guān)系處理,再對(duì)各類數(shù)據(jù)開展調(diào)用、處理即可。整個(gè)實(shí)際處理過程,具有良好的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、整合處理的作用,可以提高數(shù)據(jù)整合效率。

關(guān)于Access數(shù)據(jù)庫(kù),其屬于桌面數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),在實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)過程中,能夠根據(jù)自身運(yùn)行系統(tǒng)開發(fā)出有效系統(tǒng),設(shè)計(jì)出專業(yè)性數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序,將其作為前端研發(fā)工具,與其余數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)良好處理。關(guān)于整個(gè)桌面數(shù)據(jù)處理,專業(yè)應(yīng)用程序在整個(gè)運(yùn)行處理中能夠結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫(kù)自身操作方式進(jìn)行處理,而此后能夠獲取到對(duì)應(yīng)的開發(fā)結(jié)果,將其與其余數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)協(xié)同處理,利用整個(gè)方法來建立起系統(tǒng)中相應(yīng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),便可以獲取到綜合性數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。因?yàn)锳ccess數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且便于處理,因此在訪問過程中無需經(jīng)過多步操作。

本設(shè)計(jì)采用的是UDL連接的方法訪問Access數(shù)據(jù)庫(kù)。建立數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)NI License Activator進(jìn)行配置,在數(shù)據(jù)源處填寫Access數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)位置和文件名測(cè)試連接,將.udl形式的文件保存,就能構(gòu)成LabVIEW與Access數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接。具體操作步驟:安裝LabSQL,根據(jù)LabVIEW的實(shí)際安裝路徑將LabSQL工具包放到如下安裝路徑中;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工具包主要使用ADO Connection Create.vi,ADO Connection Open.vi建立數(shù)據(jù)庫(kù)的連接,SQL Execute.vi中采取INSERT INTO語(yǔ)句直接將日期、時(shí)間、接收溫度添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中;OLEDB連接字符串格式:Provider=Microsoft Office 12.0 Access Database Engine OLE DB Provider;Data Source(其中,Provider表示數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)程序,Data Source表示數(shù)據(jù)庫(kù)的名稱)。

1.4.5 模擬信號(hào)采集

數(shù)據(jù)采集是利用計(jì)算機(jī)對(duì)電壓、電流、溫度、壓力等物理、電子現(xiàn)象開展處理。整個(gè)設(shè)計(jì)過程利用LabVIEW軟件中DAQmx驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)編譯處理,整個(gè)編程處理步驟如下。

資源配置、時(shí)間設(shè)定、數(shù)據(jù)采集以及讀寫操作,釋放內(nèi)存。假如采取聯(lián)系信號(hào)采集,也就是要求在while循環(huán)中添加“讀/寫操作”,整個(gè)信號(hào)采集方式將為差分方式,各信號(hào)將含有2位AI通道來實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接,利用信號(hào)正負(fù)兩側(cè)對(duì)應(yīng)AI(n)和AI(n+8)。若采取AI0通道充當(dāng)信號(hào)連接,事實(shí)上真實(shí)端口是AI0(信號(hào)正端)與AI8(信號(hào)負(fù)端),時(shí)鐘設(shè)定表示對(duì)采樣頻率和采樣方式進(jìn)行設(shè)置。

通常情況下,讀寫操作過程中VI屬于多態(tài)VI,對(duì)應(yīng)下拉選項(xiàng)李曼將含有多個(gè)選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)配置,譬如單通道單采樣、多通道N采樣等,能夠結(jié)合具體需求制定需要采用的通道數(shù)和具體各通道的讀寫點(diǎn)數(shù)。

釋放資源為優(yōu)質(zhì)線程中不可獲取部分,在實(shí)現(xiàn)讀寫操作之后,可以把線程中各硬件資源進(jìn)行釋放,有助于對(duì)其資源反復(fù)使用,從而增強(qiáng)效率。模擬信號(hào)連續(xù)采樣流程如圖5所示。

圖5 模擬信號(hào)連續(xù)采集

1.4.6 上位機(jī)前面板

設(shè)計(jì)Labview前面板,對(duì)于串口收發(fā)取主要功能是實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)傳輸、顯示、報(bào)警,溫度波形圖實(shí)時(shí)顯示實(shí)際溫度,與高、低溫閾值溫度進(jìn)行比對(duì),上位機(jī)前面板如圖6所示。

圖6 上位機(jī)前面板

2 系統(tǒng)調(diào)試

完成農(nóng)業(yè)大棚溫濕度采集系統(tǒng)的各設(shè)計(jì)模塊搭建后[8],將系統(tǒng)放入測(cè)試環(huán)境中。系統(tǒng)將溫濕度傳感器DHT11所采集到的溫、濕度傳輸至單片機(jī)引腳,單片機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通訊,將溫、濕度數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)當(dāng)中,實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)溫度波形圖如圖7所示,能進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警且將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于用戶設(shè)定的Access數(shù)據(jù)庫(kù)中,如圖8所示。

圖7 溫度顯示界面

圖8 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚溫、濕度監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),下位機(jī)將以STC8A8K32S4單片機(jī)和DHT11溫濕度傳感器來實(shí)現(xiàn),能夠直接在LabVIEW前面板上進(jìn)行溫、濕度數(shù)據(jù)和波形圖顯示,溫、濕度數(shù)值超出或不足于預(yù)先設(shè)定值時(shí),能夠使用報(bào)警指示燈進(jìn)行報(bào)警,且所得數(shù)據(jù)信息均保存在用戶自建的Access數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中,該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚,以改善目前農(nóng)村農(nóng)業(yè)設(shè)施的信息化、智能化、自動(dòng)化水平不高的狀況,用戶也能夠隨時(shí)使用電腦查看當(dāng)前農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的溫、濕度數(shù)據(jù)信息,為我國(guó)農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一種科學(xué)方法。

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