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：马超摘要本文文采用虚虚拟仪器器技术，将将传感器器技术和和计算机机技术结结合起来来，进行行了温室室环境监监测控制制系统的的硬件及及软件设设计。硬硬件上采采用温度度传感器器、湿度度传感器器、光照照传感器器和二氧氧化碳浓浓度传感感器检测测各环境境参数，实实现了环环境参数数的自动动采集；；利用遮遮阳幕、二二氧化碳碳发生器器、微灌灌系统等等实现了了温室环环境的智智能调节节。软件件上基于于LabbWinndowws/CCVI虚虚拟仪器器开发平平台，实实现了数数据的采采集、处处理和系系统的控控制。关键词温室虚拟拟仪器数据据采集LaabWiindoows//CVIIAbstrracttThiislliteerarryggracceuusessthhevvirttuallinnstrrumeentaatioonttechhniqque,,coombiineddwiiththeeseensoorttechhniqqueanddthheccompputeerttechhniqque,,prroceeediingtheegrreennhouuseenvviroonmeentmonnitoorsharrdwaareanddsooftwwareedeesiggnsoftheecoontrrolsysstemm.OOnttheharrdwaare,,witthtthetemmperratuuresennsorr,thhehhumiidittyssenssor,thhellighht-sshinnessennsorranndtthecarrbonnseensoor,,exaaminninggeaachenvviroonmeentparrameeterr,rreallizeesttheenvviroonmeentparrameeterrcoolleectauttomaaticcallly;Makkeuuseoftohiddettheacttoffsuun,,caarboonddioxxideeocccurrrenncemacchinne,tinnyiirriigattessysttemetcc.rreallizeesttheenvviroonmeentaaliinteelliigennceingreeenhhousserreguulattes..OnnthhessofttwarreaaccoordiingtoLabbWinndowws/CVIIviirtuualinsstruumenntddeveeloppmennttterrracee,rreallizeestthedattaccolllecttionns,hanndleeswwithhthhecconttrolloffthhessysttem..KeywworddsGreeenhoouseeennvirronmmentt;Viirtuualinsstruumenntattionn;Theddataacoolleectiionss;LLabWWinddowss/CVVI1概述世世界发达达国家如如荷兰、美美国、英英国等大大力发展展集约化化的温室室产业，已已经研制制成功对对温室内内温度、湿湿度、光光照、气气体交换换、滴灌灌、营养养液循环环等实现现计算机机自动控控制的现现代化高高科技温温室，甚甚至于育育苗、移移栽、清清洗、包包装等也也是实现现了机械械化、自自动化。此此外，遥遥感技术术（WiirellesssTeechnnoloogy）、网网络技术术(TrranssferrCoontrrolProotoccel--IntternnetProotoccol//TCPP-IPP)、控控制局域域网（CCtroolleeraareaaneetwoork）也也逐渐应应用于温温室的管管理与控控制中。目目前，美美国已将将全球定定位系统统、遥感感遥测等等高新技技术应用用于温室室生产，由由82%%的温室室使用计计算机进进行控制制，有667%的的农户使使用计算算机，其其中277%的农农户还用用于网络络技术。英英国的智智能温室室系统，西西班牙和和奥地利利的遥控控温室系系统都是是计算机机控制的的成功应应用，另另外，德德国已将将3S技术（地地理信息息系统GGIS、全全球定位位系统GGPS和和遥感技技术RSS）应用用于温室室。2系统总总体方案案2.1虚虚拟仪器器技术虚拟仪器的的概念首首先由美美国国家家仪器公公司（NNatiionaalIInsttrummenttsCCorpporaatioon简简称NII）于119866提出。虚虚拟仪器器由用户户自己定定义，这这就意味味着我们们可以自自由组合合计算机机平台、硬硬件、软软件以及及各种完完成应用用系统所所需的附附件，而而这种灵灵活性在在传统仪仪器上是是达不到到的。虚拟仪器系系统包括括GPIIB(IIEEEE4888.22)、VVXIbbus、插插入式数数据／图图像采集集板、串串行通信信与网络络等四类类I/OO接口，其中GPIB是目前使用最为广泛的仪器接口。其构成方案案如图22–1所示示。DAQ板卡／DAQ盒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系系统主要要环境因因子的特特征影响生物生生长发育育的主要要环境条条件包括括：光照照（光照照强度、光光照时数数、光质质），温温度，湿湿度，气气体等环环境条件件。2.2.11光照照环境植物的生命命活动与与光照密密不可分分，光照照是植物物赖以生生存的物物质基础础。1）光照强强度温室内的光光照强度度一般比比自然光光弱，不不同的覆覆盖材料料造成温温室内的的光照强强度差别别较大，塑塑料温室室大棚的的平均透透光率约约为500%,全光玻玻璃温室室的透光光率约为为60%%,最大大可达770%,,光照强强度可通通过遮阳阳幕,有有条件的的可采用用补光系系统来调调节。2)光照照时数光照时时数因温温室类型型而异,,其中全全面透光光无覆盖盖的温室室的光照照时数露露地基本本相同。在在寒冷的的季节,,为了防防止保温温而覆盖盖在温室室天面的的蒲席、草草毡,其其揭盖时时间直接接影响温温室内受受光时数数。3)光质质温室内内的光质质与自然然光不同同,主要要与覆盖盖材料,,如塑料料薄膜、硬硬质塑料料板材、玻玻璃等的的性质有有关,透透过的光光质与覆覆盖材料料的组成成成分、颜颜色等有有直接关关系,所所以必须须根据室室内种植植植物的的品种,,选择有有利于该该作物生生长发育育的覆盖盖材料。2.2.22温度度环境温度是影响响植物生生长发育育的最重重要的环环境因子子,它影影响着植植物体内内的生理理变化,,是植物物生命活活动的基基本要素素。室内内的调节节包括保保温、加加温和降降温。2.2.33湿度度环境湿度分空气气湿度和和土壤湿湿度两方方面。室室内湿度度的大小小是水分分多少的的反映,,直接影影响着农农作物的的产量和和品质。空空气湿度度的调节节主要根根据植物物生长的的湿度要要求进行行除湿和和加湿。空空气除湿湿的方法法有:通通风换气气、加温温除湿和和控制灌灌溉量。空空气加湿湿的方法法有:喷喷雾加湿湿、湿帘帘加湿等等。土壤壤的湿度度调节主主要是调调节灌溉溉量。2.2.44气体环环境二氧化碳浓浓度的调调节和控控制：在在半封闭闭或全封封闭的温温室内,,作物不不断的从从空气中中吸收二二氧化碳碳,而外外界大气气中二氧氧化碳又又不能及及时补充充,造成成温室内内的二氧氧化碳浓浓度很低低,无法法充分满满足作物物的生长长需要..调节二二氧化碳碳浓度主主要采取取通风换换气和人人为补充充二氧化化碳浓度度的方法法。2.3系系统硬件件总体方方案结构构对于温室环环境监控控系统的的硬件设设计，主主要包括括两方面面：=1\*GB3①环境境参数检检测系统统的设计计；=2\*GB3②环境境调控系系统的设设计。系系统结构构如图22-2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图2-2系统统结构框框图3测控控系统的的硬件设设计系统的硬件件部分：：计算机是整个个测控系系统的数数据采集集、数据据管理、控控制决策策的中心心。信号检测部部分指传感感器，它它们进行行温室内内环境因因子的数数据的采采集并传传送给数数据采集集板。数据采集部部分指数据据采集板板及其配配套设备备，将采采集到的的数据进进行A//D转转换，传传送进入入计算机机，进行行进一步步的分析析处理；；再将计计算机输输出的控控制结果果通过DD/A转转换，输输出给控控制部分分。执行机构根据据控制结结果进行行相应的的动作，最最终达到到使温室室环境参参数达到到最理想想的状态态。3.1系系统计算算机的选选用普通PCC机，要要求配置置具有较较高的运运行速度度和较快快的数据据处理能能力，以以便进行行及时的的数据运运算和实实时控制制；具有有较大的的硬盘存存储空间间，用于于存储检检测的数数据，以以便进行行分析和和查询，能能保证系系统的正正常运行行。3.2传传感器的的选用3.2.11温度传传感器本系统采用用的是JJWSLL型热电电阻温度度传感变变送器，其其感温元元件为灵灵敏度高高、线性性好的PPT10000铂铂电阻。铂铂电阻具具有电阻阻率高，在在使用的的温度范范围0℃℃～500℃内，材材料的物物理和化化学性质质稳定等等优点。3.2.22湿度度传感器器本系统中湿湿度传感感器采用用的是JJWSLL型高分分子湿敏敏电容式式湿度传传感变送送器，可可测量220～1100%%RH，它它具有线线性好、精精度高、响响应时间间快、使使用温度度范围宽宽、寿命命长等优优点。其其湿敏元元件为HHS155型日产产高分子子感湿探探头，可可连续高高湿使用用，抗结结露，常常温下使使用不需需温度补补偿。3.2.33照度传传感器本系统选择择了ZZD-VVB型照照度变送送器对光光照进行行测量。其其工作原原理：采采用光电电二极管管将光照照强度转转换为电电流信号号，在经经运算放放大器转转换为电电压信号号输出。3.2.44二氧化化碳浓度度传感器器本系统选用用芬兰生生产的GGMW222型红红外二氧氧化碳气气敏传感感器，此此传感器器具有精精度高、选选择性好好、浓度度检测范范围大（可可检测00~20000pppm）浓浓度等特特点。3.3数据据采集板板LabWiindoows//CVII软件获获取数据据的方法法是通过过对I//O接口口设备的的驱动完完成的。虚虚拟仪器器系统中中，I//O接口口设备主主要是数数据采集集板。本本系统选选择了美美国NII公司生生产的插插入式数数据采集集板PCCI—60224E。4执行机机构温室的环境境调控系系统包括括：1）幕帘保保湿与遮遮阴系统统夏季晴天可可根据作作物的光光照需求求关闭进进行遮阴阴与降温温；冬季季夜间可可以关闭闭保温。其其保温原原理：冬冬季夜间间温室的的热量散散失主要要是通过过顶棚和和天沟辐辐射散热热，造成成温室顶顶部温度度低，底底下空气气温度高高。当保保温遮阴阴幕关闭闭后，可可以阻隔隔温室内内空气对对流，使使热空气气留在温温室内花花卉生长长的空间间，另外外，保温温湿帘能能有效的的反射夜夜间温室室内的红红外辐射射，防止止热量通通过辐射射形式散散失。2）热水水采暖系系统在温温室供暖暖时，一一般采用用的都是是热水采采暖系统统。采暖暖期间，热热负荷大大时2台水泵全全开，较较小时只只开1台台。根据据市内实实际温度度与要求求的温度度的差通通过三向向阀调节节系统的的供水温温度，避避免冬季季通过换换气体调调节温度度而浪费费能量。3）二氧化化碳控制制系统当当二氧化化碳的含含量低于于一定值值时打开开二氧化化碳储气气罐增施施气肥。4）微灌系系统由由补偿型型滴灌带带、过滤滤器、电电磁阀和和控制器器组成。当当土壤水水分不足足时，可可以及时时补充水水分。5）自然通通风系统统自然然通风系系统由天天窗和侧侧窗组成成，自然然通风系系统的作作用原理理包括热热压作用用和风压压作用，前前者是利利用温差差而产生生的室内内外的压压力差形形成热压压条件而而通风换换气。后后者是利利用风吹吹向建筑筑物时，迎迎风面形形成正压压，背风风面形成成负压，形形成风压压作用而而自然通通风。自自然通风风系统主主要用于于春季、秋秋季等气气温不很很高的季季节的换换气和通通风。6）湿帘降降温系统统强制制通风湿湿帘降温温系统由由风机和和湿帘窗窗组成。主主要用于于夏季，室室外处于于高温，自自然通风风系统不不能起到到降温作作用时的的降温。相相对于喷喷雾排风风法，湿湿帘降温温系统具具有不易易产生病病虫害，降降温效果果好，成成本低等等特点。4系统软件件设计4.1软软件系统统的开发发环境本系统采用用了中文文Winndowws988/20000//XPP操作系系统作为为软件的的运行环环境，开开发工具具选用了了美国NNI公司司推出的的虚拟仪仪器开发发软件LLabWWinddowss/CVVI，该该系统给给用户提提供良好好的软件件环境，便便于操作作，同时时使系统统的软硬硬件资源源得到充充分利用用。LabWiindoows//CVII(CforrViirtuualInsstruumenntattionn)是一一个用CC／C+++语言言构建仪仪器系统统的交互互式软件件开发环环境，其其目的就就是使用用户易于于开发和和调试虚虚拟仪器器系统。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系系统软件件的总体体设计系统软件由由六大模模块组成成：参数数设置模模块、数数据采集集模块、数数据分析析和处理理模块、控控制输出出模块、数数据管理理模块。系统参数设置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图4-2系统软软件结构构图4.4系统主主要功能能模块软件主要完完成了信信号检测测与采集集数据的的处理。4.4.11参数设设置模块块操作人员在在进入测测控系统统的开始始，就要要首先验验明身份份。如果果密码错错误，则则禁止进进入系统统。由于于不同的的作物在在不同的的生长时时期对环环境参数数的要求求不同，同同一作物物在不同同发育期期也对环环境要求求不同，所所以把环环境参数数作为控控制参数数向数据据实时采采集控制制模块中中发送，能能够更好好的满足足生物生生长所需需环境。系系统参数数设置功功能主要要用于设设定人为为要求的的环境因因子的适适宜数值值。系统统中默认认的可向向数据实实时采集集控制模模块发送送的控制制参数有有温度、湿湿度、二二氧化碳碳浓度、光光照度等等环境参参数。该该窗口的的界面如如图4--4图4--3用户密密码检验验图4--4系系统参数数设置4.4.22数数据采集集模块数据据采集模模块主要要实现多多通道数数据同步步采集、波波形实时时显示以以及数据据存储功功能。以以动态曲曲线或表表格的形形式显示示环境因因子参数数的实时时变化，同同时根据据设定的的报警值值，进行行报警，完完成温室室环境实实时监测测。信号号采集的的任务就就是将传传感器采采集的电电压信号号通过各各采集通通道输入入到计算算机中，最最后再实实时的显显示出来来。被采采集的信信号能否否再实现现真实信信号，与与采样方方式的选选择和采采样时间间的确定定有很大大关系。本本系统选选用实时时采样方方式。图4-5数据据采集//存储界界面4.4.33数据处处理模块块数据处理就就是从原原始数据据中产生生信息的的过程。在在计算机机测控系系统中，模模拟量经经A/DD转换后后变为数数字量送送入计算算机，此此数字量量在进行行显示、报报警和控控制之前前，还必必须根据据需要进进行一些些加工处处理，如如：数字字滤波、标标度变换换、数值值计算、逻逻辑判断断等，以以满足系系统的不不同需要要。4.4.44控制制输出模模块本系统的控控制部分分主要是是实现温温室内各各环境因因子的调调控。根根据计算算机的数数据显示示和报警警信号，可可以在执执行机构构界面进进行操作作以满足足作物适适宜的生生长环境境。图4-6执行行机构界界面4.4.44数据管管理模块块本系统中数数据的存存储是以以天为单单位的。将将采集到到的244小时的的实时监监测数据据以文件件的形式式进行数数据的存存储，存存储的数数据文件件以数据据采集的的日期作作为文件件的名称称，数据据采集的的时间和和数据作作为文件件存储的的内容，这这样可以以方便的的满足对对文件的的操作。同同时可以以分