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1、本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于虚拟仪器的温室环境自动检测系统设计学生姓名： 学 号：专 业：测控技术与仪器班 级： 指导教师： 基于虚拟仪器的温室环境自动检测系统设计摘 要设施农业是现代化农业的一个重要组成部分。由于我国的温室业起步晚，发展时间短，造成我国温室技术水平比较低，现代化管理程度不高。因此，迫切需要在技术上进一步提高。 随着设施农业向着集约化、规模化方向的发展和温室管理智能化要求的提高，温室检测系统实现远程通信进而实现温室内生产与管理的一体化，是现代智能温室发展的必然趋势。本系统利用虚拟仪器技术在LabVIEW的平台上开发了一套温室环境自动检测系统。 论文主要的研究内容
2、包括：第一，温室检测参数的选择，主要针对温室环境中影响作物生长的参数，如温度、湿度、光照强度和CO2浓度等。并选择相应的传感器作为检测系统的硬件部分，对温室内环境参数进行采集。 第二，比较了虚拟仪器相对于传统仪器的优势，将计算机技术、虚拟仪器技术有机结合，进行温室环境自动检测系统的软件设计。第三，在虚拟仪器的平台上，应用LabVIEW软件编程对数据进行采集、显示、存储与回放。关键词：温室；检测；LabVIEW；虚拟仪器The Automatic Detection System Design of Greenhouse Environment based on Virtual Instrume
3、ntAbstractAgricultural facilities are important part of modern agriculture. In China, because we start to develop it lately, the level of greenhouse technology and modern management level is relatively low. It is urgent need for us to further improve the technology. Now the developing of agricultura
4、l facilities are forward to the direction of intensification and scale and the requirements of intelligent of greenhouse management is rising step by step. Greenhouse detection system achieve long-range communications. The integration of production and management in greenhouse is an inevitable devel
5、opmental trend of modern intelligent greenhouse. This design uses virtual instruments on the platform of LabVIEW to develop a software of greenhouse environment automatic detection system. The main content of research includes three parts. First, it can be used to select the greenhouse environmental
6、 parameters, such as temperature, humidity, light and CO2 concentration, and select the appropriate sensors as part of the hardware detection system on the basis of the parameters. Second, it can show the advantages of virtual instruments in relation to traditional instruments. It combines computer
7、technology with virtual instrumentation and designs the system software of greenhouse automatic detection. Third, on the platform of virtual instrument, LabVIEW software can be used to collect dates and show them on a computer. It also can store and recall dates of greenhouse environment.Key words:
8、greenhouse environment; detect; LabVIEW; virtual instrument1.引 言1.1研究背景及目的温室园艺设施是指在不适宜园艺作物正常生长的季节或地区，使用人工设施（如玻璃温室、塑料大棚等）控制环境因素，使其获得最适宜的生长条件，从而延长生长季节、获得最佳产出的园艺生产方式1。近年来，我国的设施农业得到了快速的发展，降低系统的总体成本、提高系统的可靠性成为发展设施农业的关键问题。温室大棚作为新的农业生产设施，已突破了传统农作物种植受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，通过调控环境参数（光照强度、温度、湿度、二氧化碳浓度等），可以得到适合农作物
9、生长的良好环境，对农业生产有重大意义。农业装备自动化是未来农业（包括农业工厂化）发展的重要途径之一。我国大多数地区属大陆性季风气候，冬夏季常盛行相反方向的季风，使气候冬冷夏热，冬干夏雨，四季气候变化大，其自然气候条件难以满足农作物生长的环境要求；同时我国南北气候条件差异较大，北方较低的气温造成大部分时间不能进行正常农业生产，造成人力、物力的大量浪费。所以，应用现代化高科技的设施农业势在必行。建造温室的目的是模拟一个适于生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，以消除对作物生长不利的环境因素来促进作物生长，使其部分或全部克服外界气候的制约，从而缩短农作物的生长周期，提高作物的产量，获得可观的经济
10、效益。为了使温室的温度、湿度、光照、空气成分更适合农作物的生长，我们就必须对对温室的环境进行检测，从而可以进一步实现有效的控制。1.2本课题任务温室在结构上是一个半封闭的系统，温室内部受温室结构的制约和影响形成了不同于外界环境的所谓的“温室小气候”，主要包括室内的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等因素。温室结构的半封闭性又决定了温室与外界的物质与能量交换，又会引起温室小气候环境的变化，这种变化的在一定程度上又会影响作物的生长。因此本系统是利用虚拟仪器技术在LabVIEW的平台上设计的温室环境自动检测系统。本课题的研究内容主要包括以下几个方面： 温室中检测对象的选择，主要针对温室环境中影响作物生长
11、的参数，如温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等。并且简要设计了各种参数的控制方案。 温室环境参数的信息采集。根据需要检测的参数选择适当的传感器采集信息。 在虚拟仪器平台上，应用LabVIEW软件编程对数据进行采集、显示、存储与回放。2.温室检测系统总体方案的确定在温室环境自动检测系统的研究中，主要涉及两个方面的问题：温室环境参数的选择和温室环境自动检测系统研究方案的确定，最终形成一套总体的自动检测方案。2.1温室环境参数的选择作物的生长发育及产品器官的形成，一方面取决于作物本身的遗传特性，另一方面取决于外界环境条件5。影响作物生长发育的主要因素包括：湿度、温度、光照和空气等，所有这些因素之间是
12、相互作用、相互联系、相互耦合的，作物的生长发育是这些条件综合作用的结果。2.1.1温度参数温度是最重要的环境因素之一，它对作物的生长发育有重要的影响。植物的生理代谢、生长发育存在所谓生长、光合、呼吸“三基点温度”最高温度、适宜温度和最低温度。一般低于最低温度和高于最高温度，植物的生理代谢都不正常。温度控制系统方块图如图2.1所示：图2.1 温度控制系统方块图此控制系统为分程控制系统，调节器选反作用，A阀为气开阀，B阀为气闭阀，当温室内温度高于给定值时，输出为正偏差，由于调节器为反作用，所以它的输出减小，B阀是气闭阀，随着调节器输出的减小，B阀将开大，最终使得室内的温度等于给定值。如果温室内的温
13、度过低，调节过程类似。2.1.2湿度参数湿度也是温室环境控制中相当重要的一个指标。温室空气湿度较大，绝对湿度与相对湿度一般均大于露点。空气湿度大，会减少作物蒸腾量，作物不易缺水，有利于植物的生长发育，但空气湿度过大，则会使作物的茎叶生长过旺，造成疯长，影响作物的开花结果。此外，湿度过高还易促成病虫害的发生，并可能发生某些生理障碍。而湿度过低将使作物受到水分胁迫使生长受阻。湿度控制系统方块图如图2.2所示：图2.2 湿度控制系统方块图 2.1.3光照参数几乎所有的植物都是通过太阳辐射进行光合作用的。光照作物有两个重要的坐标点光补偿点和光饱和点。光补偿点指光合作用与呼吸作用相等时的光强度，光照强度
14、高于光补偿点时，光合作用的速度大于呼吸作用，并且在较大范围内，呈线性地随光照强度的增加而增加。光饱和点指随着光照增加，光合作用速度与光照强度的增强无关时的光强。因此，当阴天或由于季节变化造成光照不足，光强度低于光补偿点时，就要人为补光。而当光强度过高，超过光饱和点时，就要人为遮光，防止温室气温过高。光照控制系统方块图如图2.3所示：图2.3 光照强度控制系统方块图2.1.4二氧化碳参数二氧化碳是影响植物进行光合作用的重要因素，如果不足会成为影响植物生长发育的限制因素。充足的二氧化碳对温室内的作物有以下几点作用： 提高幼苗素质； 促进生长发育，显著增产； 抑制或减轻病虫害的发生。二氧化碳控制系统
15、方块图如图2.4所示： 图2.4 二氧化碳控制系统方块图 综上所述，温室内各环境因素之间是相互作用、相互协调的。2.2温室自动检测系统的方案设计本系统主要是利用虚拟仪器设计温室环境自动检测系统。虚拟仪器技术是20世纪90年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物，它在测试测量与控制领域中占有重要地位 ，并正成为当今世界流行的仪器构成方案6。2.2.1虚拟仪器概念1986年美国国家仪器公司首先提出了虚拟仪器的概念。所谓虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块结合起来，用户可以利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立中英文界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制、数据分析、存储和显示，改变传
16、统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，且用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。2.2.2温室检测系统总体方案本系统主要是在虚拟仪器的平台上设计温室环境自动检测系统。其原理图如下所示：图2.5 检测系统原理图首先，传感器从温室中采集信号，然后通过NI SCC-68接线端子送到数据采集卡，数据采集卡利用LabVIEW软件编写的数据采集程序将数据送入计算机，计算机通过虚拟仪器做的界面可以对采集回来的数据进行同步显示，同时还可以对数据进行存储，以便查看历史记录。3.检测系统的硬件配置3.1传感器由于条件有限，本设计只是在实验室内做的温室环境自动检测系统，所以没有根据实际情况
17、选择适当的传感器，以下是传感器的仪表选型。3.1.1温度传感器 本系统选用的是JWSL型热电阻温度传感器，其感温元件是灵敏度高、线性好的Pt100铂电阻。铂电阻具有电阻率高，在使用的温度范围内其物理及化学性质稳定等优点。主要技术指标如下：测量范围：-200850；测量精度：1；工作电压：12VDC； 输出信号范围：420mA。3.1.2湿度传感器本系统中湿度传感器选用的是JWSL型高分子湿敏电容式传感器，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型高分子感湿探头，可连续高湿使用，抗结露，常温下使用不需要温度补偿。湿度传感器的主要技术指标如下：测量范围：
18、20100%RH；测量精度：3%；工作电压：12VDC； 输出信号范围：420mA；工作温度：050。3.1.3照度传感器 本系统选用的是ZD型照度传感器，它采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器。具有测量范围宽、线性度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等优点，适用于各种场合，尤其适用于农业大棚、城市照明等场所。它采用光敏探测器，将光照强度转换为电流信号，再经运算放大器转换为标准信号输出。主要技术指标如下： 供电电压：12VDC； 准确度：5%； 测量范围：2002000lux； 输出形式：420mA； 操作环境温度：040、070%RH。3.1.4二氧化碳浓度传感器目
19、前常用的二氧化碳传感器有两种类型：一种是基于二氧化碳气体在4.28微米波段对红外光有强烈的吸收，而对3.9微米的红外光基本不吸收的原理而设计的红外式，其优点是精度高、工作稳定可靠、使用方便，缺点是价格高；另一种是热导池式，优点是价格较低，缺点是需要经常更换感受元件，定期用标准气体标定传感器，使用不方便，且可靠性与感受元件有关。因此，从精度、可靠性和使用方便等方面考虑，本系统选用芬兰生产的GMW22型红外二氧化碳气敏传感器。主要技术指标如下： 测量范围：02000ppm； 使用温度：-545； 供电电压：24VDC； 响应时间：60s； 预热时间：5min； 输出信号范围：420mA。3.2数据
20、采集板 数据采集板也称DAQ（Date Acquisition）,由数据采集器、存储单元和控制逻辑等部分组成。数据采集卡有两个主要指标：(1) 采样率对于数据采集设备来讲,采样率就是进行A/D转换的速率。本系统采用的是NI公司的PCI-6221数据采集卡。它的采样率为250kS/s，即每秒采样250K。在实际测试的系统中，一般会有多个被测信号，这些信号通过独立的通道进入数据采集卡，但是大部分数据采集卡是多个通道共用一个A/D转换器，这就是多路复用。在这种情况下，数据采集卡性能指标给出的最高采样率，应该分配到各个通道。PCI-6221数据采集卡有16个通道，如果实际用了4个，那么每个通道的最高采
21、样率为62.5k。（2）分辨率分辨率涉及到数据采集设备的精度，用模数转换器的数字位数来表示。如果把数据采集设备的分辨率看作尺子上的刻度，同样长度的尺子上刻线越多，测量就越精确；同样的，数据采集设备模数转换的位数越多，把模拟信号划分的就越细，可以检测到的信号变化量也就越小。PCI-6221数据采集卡分辨率为16bit。4.检测系统的软件设计虚拟仪器技术的核心是软件，宗旨是“软件即仪器”。 软件将对检测系统产生决定性的影响。温室环境自动检测系统程序见附录A。温度检测系统程序见附录B，湿度检测系统程序见附录C，二氧化碳浓度检测系统程序见附录D，光强检测系统程序见附录E。这四个检测系统程序基本一样，只
22、是各个参数的采样率设置不同。4.1前面板的设计LabVIEW程序分为前面板和程序框图两部分。程序框图是程序的源代码，可以实现仪器的各种功能。前面板是用户接口，用于向程序中输入各种控制参数，并以数字或图形等各种形式输出测试结果。图4.1是温室环境检测系统的前面板，检测结果分别用波形图、棒状图以及数值显示。操作人员可以观察温室内各个参数的变化。图4.1 温室检测系统前面板4.2数据采集程序信号采集在检测系统中占据了重要的地位。因为只有把信号真实的采集进来，才有可能对数据进行分析处理，实现正确的控制。数据采集系统主要实现多通道采集数据同步采集、波形实时显示以及数据存储功能。以动态曲线的形式显示环境参
23、数的实时变化，完成温室环境的实时监测。数据采集程序如图4.2所示。DAQmx Creat Channel新建一组虚拟通道即为物理通道0，设置信号连接方式为参考单端。由DAQmx Timing设置采样率为1000，且为连续采样。当启动DAQmx任务VI运行时开始采集数据，DAQmx Read VI在While循环中采集数据并且可以在前面板显示,本系统可以显示为数值、棒状图，还可以用波形显示。直到单击“停止”按钮退出程序，最后DAQmx Clear Task清除数据采集任务。图4.2 数据采集程序4.3数据记录与回放本系统只做了简单的文本文件的格式保存数据，保存文本文件首先将数据转换为字符串。图4
24、.3所示的程序将数据保存在程序当前路径中的textfile.text文件中。图4.3 数据保存程序这个程序使用文件函数进行相对路径设置。“当前VI路径”函数返回当前VI路径和程序文件名，“拆分路径”函数从中将当前VI的文件名剥离出去，“创建路径”函数把记录数据的文件名，即textfile.txt添加到路径中，从而使记录数据的文件与程序保存在同一个目录中。“打开/创建/替换文件”函数的“操作”参数设置为open or creat, 这样程序开始运行时，先在当前目录下创建一个名为textfile.text的文本文件；如果这个文件已经存在就打开它。在while循环中用“格式化写入字符串”函数将读回来
25、的数据转换为字符串。“格式化写入字符串”函数的“格式字符串”参数设置为%.2f，示转换后保留2位小数,f后面输入两个空格,即每个数后留2个空格.然后使用“写入文本文件”函数把合成的字符串连续保存在textfile.txt文件中,直到单击停止为止。退出while循环后，在程序结束前用“关闭文件”函数关闭文件，如果程序运行中曾经出现错误，则“简易错误处理器”VI弹出一个对话框提示用户。运行完这个程序后，用Windows的记事本程序程序打开textfile.text文件，会看到一些带两位小数的数字字符，每两个字符之间隔两个空格。下图为存储的历史数据：图4.4 回放历史数据5.总结经过几个月的学习，我
26、对LabVIEW软件有了一定的了解，并且可以编写一些简单的程序。但是还有许多模块的功能没有掌握，还需要更进一步地学习。本文所设计的温室环境自动检测系统应用在实际中，可以接收传感器采集的信息，并且可以在计算机上显示温室环境变化的实时数据，还可以存储历史数据，方便以后查看历史记录。本课题所做的工作主要有： 温室中检测对象的选择，主要针对温室环境中影响作物生长的参数，如温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等。 进行温室环境参数的信息采集。主要根据需要检测的参数选择适当的传感器采集信息。 在虚拟仪器平台上，应用LabVIEW软件编程对数据进行采集、显示、存储与回放。参考文献1.陈贵林.我国设施农业的现状
27、与展望J.科技导报,1999,5(4):85-902.潘锦泉等.我国引进的温室设施及国内温室的发展J.农业工程学报,1997,6(5):13-163.佟力.基于虚拟仪器技术的计算机辅助测试系统的研究与开发D.硕士学位论文.武汉:武汉交通科技大学,20004.寇越峰.现代温室信息采集与控制的分析与研究D.硕士学位论文.北京:中国科学院电工研究所,19995.吴娜.基于虚拟仪器的温室自动检测与控制系统研究D.硕士学位论文.河北:河北农业大学,20036.雷振山等.LabVIEW8.2基础教程M.北京:中国铁道出版社,2008,1-1727.Jones.LabVIEW User ManualJ.National Instruments Corporation,1998,5(7):56-618.Takakura,Kurata.National Instruments CorporationJ.LabVIEW User,2000,320(5):78-929.周德亮.计算机智能检测控制系统的设计及应用M.北京:清华大学出版社,200210.沈兰荪.数据采集技术M.北京:中国科学技术出版社,1999