基于虚拟仪器的温室环境自动检测系统设计学位论文.docx
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基于虚拟仪器的温室环境自动检测系统设计学位论文
毕业设计论文
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
TheAutomaticDetectionSystemDesignofGreenhouseEnvironmentbasedonVirtualInstrument
Abstract
Agriculturalfacilitiesareimportantpartofmodernagriculture.InChina,becausewestarttodevelopitlately,thelevelofgreenhousetechnologyandmodernmanagementlevelisrelativelylow.Itisurgentneedforustofurtherimprovethetechnology.Nowthedevelopingofagriculturalfacilitiesareforwardtothedirectionofintensificationandscaleandtherequirementsofintelligentofgreenhousemanagementisrisingstepbystep.Greenhousedetectionsystemachievelong-rangecommunications.Theintegrationofproductionandmanagementingreenhouseisaninevitabledevelopmentaltrendofmodernintelligentgreenhouse.
ThisdesignusesvirtualinstrumentsontheplatformofLabVIEWtodevelopasoftwareofgreenhouseenvironmentautomaticdetectionsystem.Themaincontentofresearchincludesthreeparts.First,itcanbeusedtoselectthegreenhouseenvironmentalparameters,suchastemperature,humidity,lightandCO2concentration,andselecttheappropriatesensorsaspartofthehardwaredetectionsystemonthebasisoftheparameters.Second,itcanshowtheadvantagesofvirtualinstrumentsinrelationtotraditionalinstruments.Itcombinescomputertechnologywithvirtualinstrumentationanddesignsthesystemsoftwareofgreenhouseautomaticdetection.Third,ontheplatformofvirtualinstrument,LabVIEWsoftwarecanbeusedtocollectdatesandshowthemonacomputer.Italsocanstoreandrecalldatesofgreenhouseenvironment.
Keywords:
greenhouseenvironment;detect;LabVIEW;virtualinstrument
第一章引言
一.1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。
设施农业是农业现代化的一个重要标志[2]。
设施农业就是借助现代化的设施,改善或营造农作物、水产品、禽畜等的生活环境,抵御恶劣的气候和环境条件,延长农业生产时间,从而使得农作物、水产品、禽畜等在良好的环境中能大幅度提高产量和质量。
设施农业是随着农业环境工程的突破,迅速发展起来的一种集约化程度较高的农业生产体系,是现代科学技术在农业中应用的结果,是一次新的农业革命。
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。
在工厂化高效农业科技产业项目中,建立具有现代化水平的温室是其重要的组成部分。
现代化温室设施应用先进的科学技术,采用连续生产方式和管理方式,高效、均衡的生产各种蔬菜、花卉、水果等,其关键技术是环境控制、自动化生产。
环境控制工程作为农业速生、优质、高产手段,是农业现代化的重要标志,但由于温室设施内高温、高湿的不良劳动环境以及要求高效、准确的作业,单靠人来进行环境控制是无法实现的。
计算机的温室环境自动控制和管理是温室设施的必然趋势。
研究适合温室环境的控制方法可提高土地利用率、能源利用率,通过对环境的精确控制,可提高农产品的品质,从而可以弥补温室成本投入大的不足。
一.2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:
⑴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。
并且简要设计了各种参数的控制方案。
⑵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。
⑶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。
第二章温室概述
二.1温室的发展及现状
在20世纪30年代,我国北方地区在冬季利用不进行人工加热的“日光温室”生产蔬菜,到50年代中期,经有关专家总结,将其命名为“鞍山式日光温室”,我国的现代温室起步较晚,20世纪50年代末,在华北地区曾建造过屋脊式大型玻璃温室,到60年代初,在东北地区建成lhm2的大型玻璃温室,其骨架为钢筋混凝土结构,构件粗大笨重,遮光面大,玻璃镶嵌也不规范,基本没有配套设备,没有进行有效利用。
从全国范围来看,在60年代末期我国北方大、中城市郊区才初步形成了由简易覆盖、风障、阳畦、温室等构成的一整套保护地生产体系。
70年代末期塑料薄膜地面覆盖栽培技术从日本传入中国,由于这项技术既经济又简便,在广大地区推广较快。
80年代中期全国塑料大棚使用面积的超过3万hm2,形成了以塑料大棚为主的与风障、地膜覆盖、阳畦、温室等相配套的保护地蔬菜生产体系。
至1996年,我国的蔬菜、花卉设施栽培面积已达到66.7万hm2,人均占有设施栽培面积达到发达国家80年代的水平,大中城市基本实现了蔬菜的周年供应,蔬菜的人均占有量首次超过世界平均水平、取得了巨大的社会经济效益,其中设施栽培做出了重大贡献。
为了解决普通塑料大棚在北方保温性能差的问题,国内推广了具有鲜明中国特色的日光温室技术,这项技术起点高、进度快、效益显著,能在北纬40度以上的寒冷地区,依靠简易设施,冬春寒冷季节一般不用加温也能生产
出黄瓜、西红柿等果菜。
我国的无土栽培起步较晚,80年代以来发展较快。
1993年全国的无土栽培总面积已达到25hm2,主要分布在京、津、沪等城市。
在1999年全国温室生产面积达到30万hm2,成为世界上最大的蔬菜保护地生产区域[3]。
我国近代温室经历了发展改良型日光温室、大型玻璃室和现代化温室三个阶段,并且各阶段温室并存,其中有一半为一面坡节能型日光温室,用于寒季蔬菜、花卉的反季节生产。
现今我国温室的主要类型包括以玻璃为透明覆盖材料的玻璃温室、利用太阳能作为能源的日光温室、活动屋面温室以及塑料温室等等。
自70年代末起,我国先后从日本、美国等国家引进一批现代化温室成套设备。
虽然这些温室技术领先、设备先进,但在我国的使用过程中还存在较严重的问题,突出有以下几点:
1投入产出率低,运行经济效益差,而且引进价格都很高,国内农业生产难以接受。
2技术要求过高。
要保证良好运营,要求经营者既要懂农业技术,熟悉英文,还要掌握电脑操作、机械运营和维护,这样就限制了温室的适用范围,在一定程度上也限制了温室的发展。
3不适合我国的气候特征。
引进温室的一些运营模式,没有与我国的实际结合起来,因此不能适应我国的气候特征。
在外界气候较高时很少考虑降温问题,直接导致9、10月份温室内部过于干燥而影响农作物的生长,而当外界温度较低时,由于保温性能太差导致能源消耗过大,极大地降低了温室的运营效益。
4引进温室的控制方式一般都比较简单,其实质是基于园艺专家的经验,软件实现模拟比较固定,难以进一步进行功能拓展;各个具体的环境参数控制大都采用比例控制,这一点对于温室这一类复杂对象不适合。
例如就温度而言,在有些引进温室的运行当中,就由于系统具有非线性、大延时的特性,使得温度输出内容易引起超调和振荡,实际运行效果不能令人满意。
所以,我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科
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