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1、1. 国内温室环境测控系统现状农业与工程学的结合，产生了设施农业。借助于工程技术的发展，1949年，美国植物生理与园艺学家went在加州的Pasadena技术中心建立了世界上第一座能控制温度、湿度、光照和气体成分的植物人工气候室。设施农业作为农业可持续发展的一个重要途径，已经成为农业现代化的一个重要标志。目前，我国农业正处于从传统农业向高产、优质、高效为目的的现代化农业转化的新阶段，需要形成具有我国特色的技术和设施体系，实现大规模的商品化生产。而微型计算机强大的软硬件逻辑功能，高性价比和高可靠性为温室自动管理提供了强有力的手段，也为实现温室的标准化，自动化奠定了基础。如何利用传感器技术，自动检
2、测技术，通讯技术，计算机技术的发展和温室栽培技术的推广研制出对温室温度，湿度，光照，CO2浓度的智能测控和人工调控系统，为作物提供最佳的生长环境，一直是农业工程面临的重要问题。为了提高我国设施农业水平，加快农业现代化建设，自70年代未以来，我国先后从荷兰、以色列、法国、美国等温室生产发达国家引进了各种类型的现代化温室，并建立了不少现代农业科技示范园区。从总体上看，我国温室设施计算机应用，从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。 目前，我国温室环境控制系统的架构方案有以下几种口。1基于可编程逻辑控制器(PLC)的温室控制系统，由上位机、PLC、数据采集单元及执行机构组成。PL
3、c主要用于动态、实时监测室内外环境因子的变化，根据作物生长的要求对参数进行匹配，同时完成与上位机的通信。2基于单片机的控制系统，以单片机为主控板，一般以McS一5l系列为基础，从数据采样到算法控制都是由单片机完成。3基于工业控制机(IPC)的温室控制系统，是由工控机、各种传感器及执行机构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。工控机基本配备了各种接口板，采集、控制和通信功能都由其来完成，能对温室各参数和变量进行有效控制。IPC具有标准通信接口，为温室的群控和网络化的实现提供了方便。4嵌入式Linux系统，采用Pc系列模块，多任务且有丰富的网络支持。5集散型温室控制系统(DcS)，有系统网络、现场控
4、制站、操作员站和工程师站，分别完成数据采集、控制、监视、报警、记录、系统管理等功能。这些节点通过网络连接在一起，组成一个完整的系统，以此来实现分散控制、集中管理、集中监视的目标。6现场总线控制系统(FcS)，在智能化测控设备之间实现双向、数字式、多节点的串行通信技术，将专用微处理器置入测量控制仪表中，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之削，实现数掘传输、信启、交换、远程登录、远程访问，形成满足各种实际需要的自动控制系统。我国市场上现在出现的智能温室环境监控系统产品有LTwSK一2000温室智能环境全自动
5、控制系统，GCS1型智能化温室自动控制系统等控制系统和LTwSKs 1 A温室控制器，LTywSKPLc温室控制器，FPsI温室控制器，Sun一1 6B型智能温室监控仪等温室控制器。这些产品在一定程度上满足了温室环境控制的要求。但它们成本较高，价格昂贵，而且系统整体抗干扰性差，功耗高，调节能力有限。特别是在浙江夏季高温高湿的环境中容易发生死机复位等现象，给生产和收益带来负面影响B“。总体来说，近年来我国智能温室环境测控技术有很大的发展，但自行开发的测控系统技术水平和调控能力与发达国家还有一定差距。主要表现在：一是缺少温室结构的标准化体系，不同的结构和发备给控制系统的研制带柬了一定的困难；二是大
6、部分只实现了单因子的简单控制功能，多冈子综合控制能力差：三是软件控制策略方面很少与我国气候特点相结合。因此，实现设施设备的标准化、系列化，利用各种先进技术开发与当地的气候条件相适应的温室环境多因子智能综合测控系统是目前国内温室测控技术的发展方向。2 虚拟仪器技术和LabVIEW虚拟仪器是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求来定义和设计测试功能的仪器系统。它建立在有限的硬件基础上，由用户利用软件编程技术实现仪器的各种功能。随着计算机技术的飞速发展，计算机与传统的仪器仪表结合成为一种趋势，其强大的功能是传统仪器所无法比拟的(表11)。比较项目虚拟仪器传统仪器灵活性开放性、灵活，可与计算机技术保持
7、持同步发展封闭性、仪器间相互配合较差升级的自由度系统升级方便、可通过网络下载升级硬件升级成本较高且必须上门服务性能价格比价格低廉价格昂贵仪器功能用户自定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能与外设互连连接方便可与网络及周边设备连接功能单一只限连接有限的独立设备开发维护费用开发维护费用降至最低开发维护费用较高技术更新周期技术更新周期短技术更新周期长表11虚拟仪器与传统仪器比较完整的虚拟仪器系统一般可分为5个层次：仪器模块、硬件接口、I，O接口、仪器驱动程序和测试系统软件。根据数掘采集部分和计算机的不同通讯方式，各种数据采集和仪器控制硬件可以分为以DAQ板卡和信号调理组成的PCDA0测试系统，以GPIB
8、、PxI、VxI、各种串口总线和工业现场总线等标准总线仪器组成的总线测试系统。虚拟仪器测试系统的软件主要分为：仪器面板控制软件、数据分析处理软件、仪器驱动软件和通用IO接口软件。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的分析，使仪器中的一些硬件甚至整件仪器从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能，真正实现“软件就是仪器”的理念。LabvIEw(1abomtory virtual jnslrument engineering workbench)是美国国家仪器公司(National Instmments，
9、NI)推出一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。灵活强大的G语言提供了一个直觉式的环境与测量紧密结合。在这个平台上，各种领域的专业工程师和科学家们通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立高水平的应用程序。LabvIEw针对测试测量和过程控制领域，提供了大量的仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、图表等，同时提供了大量的函数库供调用。LabVIEw支持多种系统平台，提供程序调试功能，可以在源代码中设置断点，在数据流连线上设置探针。LabVIEw具有实时性。支持数据采集板和GPIB、串口设备、VxI仪器、PIC、工业现场总线以及用户特殊的板卡，
10、免费提供世界各大厂商的600多种GPIB仪器、串口仪器、vxI仪器、cAMMAc设备的驱动程序。它提供DLL库接口和cIN代码调用来使用户有能力在L曲VIEw平台上使用其它软件平台(如C)编译的模块。目前，LabVIEw在道路车辆、航空航天、生物医学、工业控制、电子电信、能源水利等各方面都有广泛的应用。基于以上对我国温室测控技术的分析，本文作为基于嵌入式技术低成本适用性设施农业环境测控系统的管理控制部分的其中套上位机系统，以LabvIEw为软件平台，进行温室环境测控系统的设计。1通过单片机与Pc机的串行通讯，实现温室环境参数的采集，保存，显示以及对温室执行机构的自动控制。2提供各参数设置界面，
11、包括目标值设置，设备参数设置，报警参数设置等，与实际温室结构和种植作物相结合，使用农艺专家的知识库作为参考，实现环境参数的即时设定，更有效地对温室进行自动监控。3提供自动控制、手动控制和现场控制三种方式，用户可以根据需要选择。4在数据库中建立历史数据库表，目标值数据库表和专家知识库表等，实现对数据库记录的添加、检索、删除等功能。5实现网络化远程界面控制。3 温室测控系统总体方案3.1测控系统设计要求建立基于虚拟仪器环境LabVIEw的温室环境智能测控系统，应该体现出以下特点：1一个温室环境测控系统可以控制多个环境参数和对象设备，不同的对象和设备均有不同的要求，而且也会不断更新。所以要求系统设计
12、尽量标准化、模块化，有一定的通用性，不必改动太多就能适应新情况。如采用通用总线结构，留出足够的上、下位机通信通道，便于扩展。2运用测控方面的先进技术，选用价格合理的设备，结合课题应用智能传感器，嵌入式系统，网络技术等提高系统性价比，缩短丌发周期。同时要求操作和维护方便，人机界面友好。3要求系统运行稳定可靠，将自动控制和手动控制、现场控制相结合，当自动控制系统出现故障时，使用其他控制方式，温室仍可进行的生产操作。3.2测控系统设计方案本文测控系统由上位PC机和下位单片机PICl6F873A和PICl6F877A组成，主要的设计任务是上位机的测控系统软件。在工作过程中，传感器对温室环境因子进行监测
13、，下位机可独立完成数据采集和信号预处理，经串行通信传给上位机，或者接受上位机的命令，对继电器或电磁阀等驱动设备进行丌关操作，控制现场天窗、风机、补光灯等执行机构。上位机以虚拟仪器LabvIEw为软件平台，开发温室环境监测控制系统，实现对环境参数的采集、存储、显示、打印等功能，设置作物和环境参数的上下限，并通过控制策略调节环境。整套系统不问断循环使用，实现对温室环境的自动实时监测和控制。整个测控系统的框图如图31所示：图31系统结构框图4 温室测控系统软件设计和管理41测控系统软件开发环境LabVIEW在基于文本的编程语言中，程序的执行依赖于文本所描述的指令，而LabvIEw使用G语言图形化编程
14、，是用数据流编程方法来描述程序的执行，执行顺序是依方块图问数据的传递来决定的。本文的温室环境测控系统就是建立在LabVIEw的平台上。LabvIEw的程序由前面板和流程图两部分组成。在计算机显示屏幕上利用LabVIEW提供的功能库和开发工具库产生一个交互式图形化的用户界面称为前面板(From PaIlel)，即仪器的虚拟面板。前面板包括旋钮，按钮，图形，图表和其他的控制与显示对象。用户可以使用这些图标启动程序、使用鼠标或键盘向面板输入数据，显示测试计算结果和测试曲线。流程图(Block Diagram)包括虚拟仪器程序的图形源代码，由端口、节点、图框和连线构成。其中端口用柬与程序前面板的控制器
15、和指示器传递数据，节点用来实现函数和功能的调用，图框用来实现结构化程序命令，而连线则代表程序执行过程中的数据流。在流程图中利用图形化编程语言+编制程序框图，完成算术和逻辑运算，构成一个VI(VirtualInstmment)，与前面板相对应。LabvIEw开发环境具有一系列优点，从流程图式的编程，不需预先编译就存在语法检测和调试过程使用的数据探针，到其丰富的函数、数值分析、信号处理和设备驱动等功能，都为人称道。LabvIEw具有结构化和模块化的特点。结构化是指LabEW的程序完全支持顺序结构、循环结构和条件结构三种标准结构，模块化是指它的每一个vI都可以作为顶层程序，也可必作为其他程序的子程序被调用。42测控系统软件总体设计系统软件由主要功能模块、数据库管理和网络远程控制三部分组成。其中系统功能包括了数据采集显示、参数设置、设备控制、历史曲线报表和系统帮助五大模块。除了系统帮助外，其他模块都涉及数据库的操作，包括数据库表格的建立，记录的添加，查询检索等。系统软件框图如图4-1所示。图41系统软件结构框图43测控系统软件主要功能模块431运行主界面图4-2系统欢迎界面系统在LabVIEw的环境下
