基于LabVIEW的农业大棚温湿度监测系统.pdf

null农业工程 农业与技术 2022 Vol 42 No 16 基于 nullnullnullnullnullnullnull 的农业大棚温湿度监测系统 陈冠文 王立达 韩成浩 吉林建筑大学电气与计算机学院 吉林 长春 130118 摘 要 随着我国现代农业逐步向自动化 信息化等方向迈进 针对传统农业大棚中温 湿度监测数据存储 数 据收集繁琐等问题 在 LabVIEW 基础上研发出实现农业农业大棚温湿度实时监控系统 主要是利用温湿度传感 器来获取周围环境数据 再发送到单片机处理单元 并将采集数据传输至上位机 上位机利用 LabVIEW 直接可 以将温度 湿度数据以图形化方式呈现 而且还可以触发设定的阈值报警信号 同时还将接收到的数据信息实时 保存在 Access 数据库中 从而为实现智能化的农业大棚温湿度采集及监测提供了一种科学方法 关键词 LabVIEW 农业大棚 温湿度采集 数据库 中图分类号 S237 文献标识码 A nullnullnull 10 19754 j nyyjs 20220830011 收稿日期 2022 05 20 作者简介 陈冠文 1997 男 硕士在读 研究方向 上位机的开发及农业应用 通讯作者韩成浩 1972 男 博士 教授 研究 方向 基于无线传感网络和大数据信息融合技术的数据采集 传输 存储和智能分析 引言 我国作为一个农耕强国 对农作物产品的需求量 是非常巨大的 在以往的农业大棚农作物生产过程 中 农民大多数使用空气温度计和空气湿度计来测量 环境温度 并且通过人工升温降温及通风来改善农业 大棚中的温度以及湿度 当前我国传统的农业大棚温 湿度监测技术多采取人工巡检方法 由监测人员携带 传感器在现场监测 录入观测数据 该方法工作效率 低 成本费用高 耗费了大批人力物力 如不能及时 作出调整 还会一定程度影响农作物产品的生产量和 质量 故可以在现代化农业大棚中通过传感器采集农 作物生产过程中的基本重要参数 而后对重要参数进 加以信息处理 将这些数据上传至互联网 通过互联 网让农村生产管理人员实时查看农业大棚中的各项相 关数据及参数 并及时作出适当的生产调控 如此才 能促进科学合理栽培 提升农产品综合经济效益和产 品数量 本文利用 LabVIEW 操作简单 图形化编程以及 极强的图形化分析 处理能力等优点 采用温湿度传 感器和单片机技术 设计一种基于 LabVIEW 的农业 大棚温湿度监测系统 系统既可以通过数字和波形 2 种方式呈现测量数据 同时还可将采集到的数据与设 定的阈值加以对比 从而触发报警 并能将接收到的 温 湿度数据信息实时保存在用户设定的数据库 Ac cess 中 null 系统总体结构设计 nullnull null 系统设计 本系统设计通过采用温湿度传感器 DHT11 来检 测农业大棚的作物温度和相对湿度 DHT11 温湿度传 感器测量的数据准确度能够满足现代农业生产要求 传感器 DHT11 的数据传输引脚通过与单片机的 I O 引脚互连 再通过 hex 文件烧录过程 单片机就能够 读取 DHT11 所采集到的数据 并将其发送至串口 LabVIEW 1 再利用串口读出温 湿度数据 最终实现 对温 湿度数据信息的记录与储存 单片机 STC8A8K32S4 将采集到的数据上传至串 口 而 STC8A8K32S4 单片机实现串行口为全双工的 串行通讯口 有 4 种工作方法 即 8 位同步移位寄存 器应用 波特率可变的 10 位数 UART 将波特率设置 固定为 2 种的 11 位 UART 将波特率设定为可变的 11 位 UART 当与上位机通信时 本设计采用波特率可 变的 10 位数 UART 来实现通信 即波特率倍增位置 1 波特率设定 4800bps 晶振选择 12MHz 系统的总 体设计框图如图 1 所示 图 null 系统总体设计图 34 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 2022 Vol 42 No 16 农业与技术 null农业工程 nullnull null 下位机硬件设计 1 2 1 STC8A8K32S4 单片机 STC8A8K64S4 系列单片机是 2016 年推出的宽电 压工作范围的 1T 单片机 该系列单片机工作电压为 2 0 5 5V 相比 STC15 系列增加了 I2C 接口 并且 ADC 增加 3 个引脚 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 个定时器 5 个普通定时器 4 个 CCP 定 时器 12 路 PWM 8 路 15 位带死区控制 PWM 4 路 10 位 CCP 的 PWM 15 路 12 位 ADC 1 路 I2C 串 行总线等 具有内部晶振 可软件配置 无需搭建 复位电路 而且 STC 单片机具有在应用编程 便于后 期调试安装 含有 10 个 AD 内部 EEPROM 可以在 1T 机器周期之中工作 速度是传统 51 单片机的 8 12 倍 价格也较便宜 1 2 2 DHT11 温湿度传感器 温湿度传感器选择通常会有 2 种方案 2 使用 DS18B20 温度传感器和 HS1101 电容式湿度传感器 DS18B20 温度传感器是一个具有单独接线口接线方式 的传感器 测量的温度范围是 55 5 125 5 使用 HS1101 电容式湿度传感器 测量的湿度范围是 0 95 RH 直接利用 DHT11 数字温湿度传感器 其内 部集成了 NTC 元件来实现温度测量 具有电阻式元 件来测量湿度 温度工作范围在 0 55 测量的湿 度范围是 25 95 RH 经过 2 个方案的对比与分 析 DHT11 数字温湿度传感器具有数字可靠性和长期 稳定性 而且还更为方便和简行 DHT11 把采集到的 温湿度数据以数字信号形式传送给单片机引脚进行处 理 能够满足大部分农业大棚温湿度监测控制范围 1 2 3 0 96OLED 显示模块 通常来说 单片机获取到传感器发出的温湿度数 据 将对其进行简单处理 直接通过显示模块把数据 进行实时呈现 考虑到数据直观的呈现方式 温度 湿度的数据是可以分开显示的 这里采取 0 96OLED 显示模块 整体厚度低于 1mm 只占到 LCD 屏幕的 1 3 便于携带 有着良好稳定性和抗震性 基本不 存在较高的可视化问题 即便是在较高分辨率情况 下 画面依然保持清晰 没有出现失真情况 响应时 间仅仅是 LCD 的 1 显示运动画面不会出现任何拖 影问题 整个显示屏适用工况良好 可以在极端情况 下适用 甚至可以在 40 环境正常工作 整体工艺 非常简便 且有着良好经济性 性价比非常高 nullnull null 系统软件控制方法 由于温湿度控制系统是一个闭环系统 因此利用 闭环系统控制手段 也就是 PID 控制法 3 事实上 PID 控制法具有如下特征 工作原理非常简单 便于 操作应用 有着良好的适应性特征 整个 PID 算法具 有完整科学合理的参数整定和设计方式 方便操作掌 控处理 绝大部分工业回路中关于控制响应速度和精 度要求并不高 但对整个系统的稳定性和可靠性非常 看重 为此采取 PID 控制法是个不错的选择 具有良 好的性价比 PID 控制子程序属于整个系统控制重点内容 主 要功能是结合预设基本参数和测量值开展比较 运算 分析 控制各种执行电路的工作 可以符合温室大棚 与湿度参数范围 处于固定范围内进行波动 对于程 序初始化处理过程 单片机需要对 PID 程序进行初始 化 获取温湿度数据 再结合 PID 控制对参数进行预 设 找出前后差距 最后利用算法对其进行校正 确 保整个参数在控制范围之中 nullnull null 上位机 nullnullnullnullnullnullnull 设计 上位机设计采用虚拟仪器 LabVIEW 对温度和湿 度数据信息的读取 转换和存储 主要有串口通信模 块 温湿度监测模块 报警模块 4 数据存储模块 等 上位机流程图如图 2 所示 图 null 设计流程图 1 4 1 串口通信模块设计 为方便进行远程操控可将农业大棚内采集到的温 湿度数据 5 发送到用户电脑 以便实时监测 因此将 LabVIEW 作为开发平台开发串口通信程序 本设计中 用到了 VISA 驱动 VISA 标准是中国新一代仪表 I O 标准 是全球行业内通用规范 VISA 具有和仪器硬 件接口及具体计算机无关的特性 也就是 VISA 标准 具有面向仪器作用 而并非直观面向端口总线 启动 串口后 将数据转换为相对应的格式 接着使用 VI SA 写入将数据传输至下位机 下位机接收到上位机 传来的数据后 将采集到的数据信息反馈给上位机 串口部分的程序框图设计如图 3 所示 44 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null农业工程 农业与技术 2022 Vol 42 No 16 图 null 串口部分程序框图 1 4 2 温湿度检测模块设计 要得到温湿度传感器 DHT11 的数据信息 工程 设计 Check 函数 初始化 DHT11 的端口 并检查 DHT11 能否正常连线 如果连线正确无误 则设置 DATA 引脚成输入 工程设计 Read 函数 使用 while 循环调节 DATA 电平的变化 从而实现在 DHT11 中直 接读取数据 读取数据后对数据进行预处理 可选择 将农业大棚内的实际温湿度与给定适合农作物生长的 温湿度数值范围进行比较 当大棚中温度超过预设温 度时 将启动冷却装置 在大棚温度较低情况下 将 加热使温度回升 可人工进行选择添加 1 4 3 温度报警模块设计 在串口接收区内建立局部变量 因为接收区内的 主要数据类型是字符串 因此要求利用字符串实现 分数 指数字符串至数值转换 将下位机传输的实 际温度值转化为双精度的数据类型 然后通过在前面 板上手动输入高温阈值和低温阈值实现温度判断 得 到温度数值后 需要分析当前温度是否超过警戒线 超过温度预警值后 要进行报警指示 以上算法将能 够直接添加到判断循环里面 但为了确保整个程序可 读性 可以将其放置到 VI 里面 当实际环境温度高 于设定的高温阈值 或低于设定的低温阈值 6 时 前 面板上的警报灯变成红色 从而产生温度报警 将实 时环境温度在波形图表中显示出来 温度报警模块的 程序框图设计如图 4 所示 图 null 温度报警部分程序框图 1 4 4 数据库存储模块设计 Access 是一种数据库系统应用的开发工具软件系 统 7 Access 数据库系统工作时 将采用关联式管理 兄台功能管理 利用对全部信息和数据内部关系处 理 再对各类数据开展调用 处理即可 整个实际处 理过程 具有良好的数据协调 整合处理的作用 可 以提高数据整合效率 关于 Access 数据库 其属于桌面数据库系统 在 实际开发设计过程中 能够根据自身运行系统开发出 有效系统 设计出专业性数据库应用程序 将其作为 前端研发工具 与其余数据库实现良好处理 关于整 个桌面数据处理 专业应用程序在整个运行处理中能 够结合 Access 数据库自身操作方式进行处理 而此后 能够获取到对应的开发结果 将其与其余数据库实现 协同处理 利用整个方法来建立起系统中相应关系型 数据库系统 便可以获取到综合性数据库管理系统 因为 Access 数据库结构简单且便于处理 因此在访问 过程中无需经过多步操作 本设计采用的是 UDL 连接的方法访问 Access 数 据库 建立数据库 对 NI License Activator 进行配置 在数据源处填写 Access 数据库的存储位置和文件名测 试连接 将 udl 形式的文件保存 就能构成 Lab VIEW 与 Access 数据库之间的连接 具体操作步骤 安装 LabSQL 根据 LabVIEW 的实际安装路径将 LabS QL 工具包放到如下安装路径中 数据存储工具包主要 使用 ADO Connection Create vi ADO Connection Open vi 建立数据库的连接 SQL cute vi 中采取 INSERT INTO 语句直接将日期 时间 接收温度添加到数据 库中 OLEDB 连接字符串格式 Provider Microsoft Office 12 0 Access Database Engine OLE DB Provider Data Source 其中 Provider 表示数据库驱动程序 Data Source 表示数据库的名称 1 4 5 模拟信号采集 数据采集是利用计算机对电压 电流 温度 压 力等物理 电子现象开展处理 整个设计过程利用 LabVIEW 软件中 DAQmx 驱动实现对模拟信号编译处 理 整个编程处理步骤如下 资源配置 时间设定 数据采集以及读写操作 释放内存 假如采取联系信号采集 也就是要求在 while 循环中添加 读 写操作 整个信号采集方式 将为差分方式 各信号将含有 2 位 AI 通道来实现信 号连接 利用信号正负两侧对应 AI n 和 AI n 8 若采取 AI0 通道充当信号连接 事实上真实端口 是 AI0 信号正端 与 AI8 信号负端 时钟设定表 示对采样频率和采样方式进行设置 通常情况下 读写操作过程中 VI 属于多态 VI 对应下拉选项李曼将含有多个选项来实现配置 譬如 单通道单采样 多通道 N 采样等 能够结合具体需求 制定需要采用的通道数和具体各通道的读写点数 54 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 2022 Vol 42 No 16 农业与技术 null农业工程 释放资源为优质线程中不可获取部分 在实现读 写操作之后 可以把线程中各硬件资源进行释放 有 助于对其资源反复使用 从而增强效率 模拟信号连 续采样流程如图 5 所示 图 null 模拟信号连续采集 1 4 6 上位机前面板 设计 Labview 前面板 对于串口收发取主要功能 是实现温湿度数据传输 显示 报警 温度波形图实 时显示实际温度 与高 低温阈值温度进行比对 上 位机前面板如图 6 所示 图 null 上位机前面板 null 系统调试 完成农业大棚温湿度采集系统的各设计模块搭建 后 8 将系统放入测试环境中 系统将温湿度传感器 DHT11 所采集到的温 湿度传输至单片机引脚 单片 机通过 USB 转串口芯片 CH340G 与上位机实现串口通 讯 将温 湿度数据传送到上位机当中 实时温度数 据与实时温度波形图如图 7 所示 能进行自动报警且 将测量数据存储于用户设定的 Access 数据库中 如图 8 所示 图 null 温度显示界面 图 null 数据库存储界面 null 结论 本文设计了一种基于 LabVIEW 的现代农业大棚 温 湿度监测管理系统 下位机将以 STC8A8K32S4 单片机和 DHT11 温湿度传感器来实现 能够直接在 LabVIEW 前面板上进行温 湿度数据和波形图显示 温 湿度数值超出或不足于预先设定值时 能够使用 报警指示灯进行报警 且所得数据信息均保存在用户 自建的 Access 数据库当中 该监测系统可广泛应用于 农业大棚 以改善目前农村农业设施的信息化 智能 化 自动化水平不高的状况 用户也能够随时使用电 脑查看当前农业大棚内部的温 湿度数据信息 为我 国农业大棚的温湿度采集及监测系统提供了一种科学 方法 参考文献 1 王恒海 陈照章 徐晓斌 等 基于 Labview 的温度测控系统 设计 J 仪表技术与传感器 2007 04 26 28 2 李志伟 东伟 黄双成 基于 DHT11 的农业大棚温湿度监控 系统设计 J 工业仪表与自动化装置 2021 01 39 43 3 张文建 董佩 胡滨 大棚温湿度控制系统的设计 J 山东 工业技术 2019 11 153 140 4 吴卓葵 许胜棋 基于 LabVIEW 的多点报警温度监测系统设 计 J 制造业自动化 2014 36 01 139 142 5 龚军辉 郭清华 胡慧 等 基于 LabVIEW 和 CC1101 的无线 温湿度监测系统设计 J 湖南工程学院学报 自然科学版 2016 26 01 10 14 6 颜园园 张群 基于 LabVIEW 的温湿度测量系统 J 现代 电子技术 2009 32 01 120 121 125 7 朱秋海 Access 数据库技术及应用分析 J 电子世界 2021 01 59 60 8 张小伟 基于物联网技术的农业大棚监控系统研究 D 西 安 陕西科技大学 2014 责任编辑 常阳阳 64 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull