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虚拟仪器技术在温室控制系统中的应用研究MATLAB仿真分析

2020/9/23    来源:互联网    作者:刘方      
关键字:虚拟仪器  温室控制  数据采集  仿真  
近年来,随着设施农业朝着集约化、规模化方向的发展和温室管理智能化要求的提高,虚拟仪器技术在温室控制系统中得到了广泛的应用,这是现代智能温室发展的必然趋势。本文对虚拟仪器技术在温室控制系统中的应用进行了比较详细的阐述。

1.概述

    温室生产是在人为地创造作物生长所需的最佳环境条件,通过科学的经营管理,获得最佳经济效益的一种农业生产模式。温室生产的关键技术是环境控制,温室环境控制是通过改变温室内的温度、湿度、光照和CO2浓度等环境因子来获得作物生长的最佳条件,从而提高农业经济效益。但是,温室环境控制在所有室内环境控制中是最困难的,除了要监控温度、湿度外,还需兼顾土壤水分、光照度、CO2浓度、EC值、pH值等。另外,温室环境控制的对象种类繁多,在不同生长阶段的需求也各不相同,而且受能源、资金、劳动力等资源的限制及市场与天气变化的影响,温室环境控制必须在极有效率的状态下进行。因此,要建立一个好的温室环境控制系统,就必须要有一个好的系统控制方案。

    基于虚拟仪器技术的温室控制系统,将传感器技术,计算机技术,虚拟仪器技术等有机结合,应用LabVIEW软件开发平台进行控制软件的设计与实现,从而完成对温室内各环境参数的数据采集与分析,系统监测与控制及历史数据处理等功能。

2.温室控制系统总体方案设计

    2.1 测控系统总体方案

    温室控制系统整体由信号检测部分、数据采集部分、计算机控制部分和执行机构部分组成。

    在温室控制系统中,数据采集及测量部分通过各种高性能传感器对外界气候环境进行测量,对温室内的温度、空气湿度、光照、CO2含量等进行数据采集,通过信号调理把信号进行放大,滤波,调制解调等,然后将测量结果通过虚拟仪器,也即数据采集卡送至个人计算机,计算机根据控制要求输出结果并对整个温室进行综合控制。整个测试系统的设计流程为:

    被测对象→传感器→信号调理→数据采集卡→计算机→执行机构。

    在温室控制系统中,信号检测部分主要是通过各类传感器来测量各个环境参数,它们对温室内环境因子进行采集并把数据传送给数据采集卡。

    数据采集系统是温室测控系统的一个重要组成部分,它通过各种高性能传感器对温室内的温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度进行测量,把测得的这些非电量信号转化为电压或电流等电信号,并且由于测得的电信号比较小,需要进行信号调理把信号进行放大,滤波,调制解调等,之后才能通过数据采集卡送至计算机。

    计算机控制部分接收数据采集部分传送的各环境参数的数字信号,结合相关算法进行数据处理,得到相对精确结果并对整个温室进行综合控制。同时经数据采集卡的输出通道进入执行机构的适调电路。而执行机构部分接受计算机输出的控制信号,执行相应的动作,使温室环境参数达到最理想的状态。

    因此,对于整个温室环境监控系统而言,其主要包括两个方面:①环境参数检测系统;②环境调控系统。

    2.2 数据采集系统的实现

    从目前国内外温室控制技术的现状来看,温室控制系统中大部分采用PLC或单片机来实现对整个系统的数据采集和控制。而本文是采用虚拟仪器来作为整个测控系统的控制模式来进行数据分析和处理,具体是通过其软件平台LabVIEW来实现的。

    虚拟仪器的软件包括仪器驱动程序,应用程序和前面板程序。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器,设置特定的参数和工作方式,使虚拟仪器保持在正常的工作状态。应用程序主要用来对输入计算机的数据进行处理,用户就是通过编制应用程序来定义虚拟仪器功能的。

    数据采集硬件有多种多样的形式,它的选择要根据具体的应用场合并考虑到开发系统所现有的技术资源,整个测试系统的数据采集硬件采用NI公司开发的USB—6009数据采集卡,可以同时满足这两方面的要求。另外,硬件驱动程序是应用软件对硬件的编程接口,它包含着待定硬件可以接受的操作命令,完成与硬件之间的数据传递。而整个数据采集所采用的开发环境是LabVIEW7.0,且采用基于NI DAQmx的数据采集系统,因为DAQmx系统不仅能对硬件进行各种必要的设置和测试,然后调用DAQmx数据采集函数编写程序外,它还提供了通过数据采集助手DAQ Assistant快速进行交互式的硬件设置和自动生成数据采集程序图形代码的方法。

    测试系统的主要内容包括模拟信号输入输出和数字信号输入输出,我们把这些都归于数据采集DAQ DataAcquisition。因此,基于虚拟仪器的测试系统的典型结构为:传感器→信号调理器→数据采集设备→计算机。即中间环节的数据采集设备是完全由虚拟仪器来承担完成的。由此,测出整个温室内部各环境参数的实际值,与设定值相比较,给出判断并送给执行机构以执行相应的操作,从而使整个温室系统的内部环境达到最佳。

3 虚拟仪器技术应用于温室控制系统的意义与前景

    3.1 温室控制系统中采用虚拟仪器技术的意义

    温室控制系统中采用虚拟仪器技术,进行计算机测控系统的设计,与传统测试中采用的多参数分别用单个仪器检测、数据单独汇总处理的方式,或基于单片机的数据采集处理系统相比,其意义主要表现在以下几个方面:

    1、在系统软件方面,采用LabVIEW虚拟仪器开发平台和模块化设计方法,实现了环境参数的实时获取、采集信息的实时显示、控制信号的准确输出及数据的自动处理,并且可实现多通道采集,减少了人为干预,增加了测控过程的稳定性,避免人为的读数误差和计算误差。

    2、可以实时显示不同的参数曲线变化及其历史曲线变化,从而可以方便地进行比较分析。

    3、在出现异常数据的时候,可以按照使用人员指定的方式输出多种报警。如:声光报警、鸣笛报警等。

    4、所有的数据采集都可以记录到计算机上,数据可以按照使用人员的要求定时自动备份、打印、归档等。

    5、温室控制系统中使用虚拟仪器,改变了设计者的工作方式,帮助他们迅速开发和测试原始的样机,同时能够更迅捷更完满地测试产品。最终提高了产品质量,且能迅速投放市场。综合起来,虚拟仪器的使用节省了时间,节省了资金,收到了好的经济效益。

    3.2 应用前景

    虚拟仪器作为新兴的仪器仪表,其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等,且构建容易、转换灵活,目前,它已广泛应用于温室控制系统中以进行测控系统的设计。而随着各种新技术的发展,虚拟仪器技术在温室控制系统中的应用前景也越来越广阔,主要表现在:

    1、虚拟仪器技术的应用大大提高了检测控制的精度,提高了数据处理的速度,并增强了系统的通用性、可靠性、可维护性和可扩展性。

    2、虚拟仪器技术将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展,并且越来越大众化和小型化。因此,开放式的数据采集标准将使温室测控系统走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。

    3、温室控制系统中,运用虚拟仪器技术,以微机为基础,构建集成化测试平台,可代替常规的仪器、仪表,不仅满足测控系统的需要,而且大大提高了设备利用率,降低了实验的成本。

    4、可以结合具体的作物试验,在实践中应用所开发的虚拟仪器测试系统,进一步增强系统的可靠性和可扩展性,并逐步完善。

4.结语

    温室控制系统是现代化农业的发展方向,具有广阔的应用前景和发展空间。而虚拟仪器技术的出现开辟了新一代温室测控系统的方向。基于虚拟仪器技术的温室测控系统的设计实现,能方便直观地对温室环境进行全自动综合智能监控,对实现设施农业工厂化生产和现代农业有着重要意义。

责任编辑:程玥
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