基于LABVIEW的网络化温室测控系统设计本科生毕业设计论文.docx
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基于LABVIEW的网络化温室测控系统设计本科生毕业设计论文.docx
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基于LABVIEW的网络化温室测控系统设计本科生毕业设计论文
本科毕业设计(论文)
题目:
基于LABVIEW的网络化温室测控系统设计
摘要
随着计算机技术的不断提高,现代测控系统正向仪器的自动化、智能化、小型化和网络化方向发展。
虚拟仪器给现代测控技术带来了一场革命,它利用计算机系统的强大功能结合相应的软件,大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储方面的限制。
传统的温室测控系统往往在现场操作,对温室监测受到地域的限制,为此我们利用虚拟仪器技术设计了网络化温室测控系统,使远程客户端通过局域网或Internet也能对温室进行监测和控制,从而实现了真正意义上的虚拟仪器。
本系统通过将传感器测量到的数据通过数据采集卡采集到计算机,再利用虚拟仪器开发软件LabVIEW进行编程,向用户提供操作界面和显示界面,实现了温度、湿度、光照、二氧化碳的数据采集、传送、分析和显示。
同时利用以太网接口,通过通讯和数据发布模块,实现与其他分析系统或网络的互联。
针对温度、湿度、光照、二氧化碳等影响室内环境的主要因素,基于模糊理论完成了温度、湿度、光照、二氧化碳的数值一符号转换以及实时监控功能,并介绍了其在LabVIEW环境下的具体实现。
最后阐叙了本系统的抗干扰性以及未来的发展前景,具有一定的借鉴意义。
关键词:
温室测控;LabVIEW;自动监测;Web发布
ABSTRACT
Alongwiththecomputertechnologyunceasingenhancement,themodernmeasurementandcontrolsystemisautomaticandintelligentinstrumentofnetwork,miniaturization,anddirection.Thetraditionalgreenhousemeasurementandcontrolsystemofthesiteoperation,oftenbygeographicallimitgreenhousemonitoring,thereforeweuseLabVIEWsoftwaredesigninganddevelopingthegreenhousemeasurementandcontrolsystem.
ThesystemthroughthesensortomeasuredatathroughthedatasamplingcardintothecomputerandsoftwarereuseLabVIEWvirtualinstrument,provideprogramminginterfaceanddisplayinterface,realizedthetemperature,humidity,light,carbondioxide,dataacquisition,transmit,analysisanddisplay.Thetestcanmeetthedesignrequirements.AtthesametimeusetheEthernetinterface,throughthecommunicationanddatareleasemodule,realizationandotheranalysissystemornetworkinterconnection.Accordingtotemperature,humidity,light,suchascarbondioxidethemainfactorsaffectindoorenvironment,basedonfuzzytheorycompletedthetemperature,humidity,light,carbondioxidenumericalsymbolconversionandreal-timemonitoringfunction,andintroducetherealizationofLabVIEWenvironment.
FinallythissystemofSyracuseci-theoryanti-jamminganditsdevelopmentinthefuture,haveacertainsignificance.
Keywords:
Greenhousemeasurementandcontrol;LabVIEWvirtualinstrument;Wabautomaticmonitoring.
第一章绪论
1.1本课题的提出及现实意义
随着计算机技术的不断提高,现代测控系统正向仪器的自动化、智能化、小型化和网络化方向发展。
虚拟仪器(VirtualInstrument简称VI)的出现给现代测控技术带来了一场革命,它利用计算机系统的强大功能结合相应的软件,大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储方面的限制。
虚拟仪器技术与网络技术的融合,使虚拟仪器系统更加突破了传统的测量理念,使测量数据得到了真正意义上的共享,使远程测量得以实现。
传统的温室测控系统往往在现场操作,对温室监测受到地域的限制,为此我们利用虚拟仪器技术设计了网络化温室测控系统,使远程客户端通过局域网或Internet也能对温室进行监测和控制,从而实现了真正意义上的虚拟仪器。
目前,我国大多数办公室、温室、大棚等建筑仍采用手动或机电式操作。
总体特点是:
劳动强度大,能量损耗大。
生产力水平与国外同行业先进水平相比,差距较大,经济效益差。
由于缺少必要的先进测量手段,生产水平往往依赖于工作人员的实际管理经验,环境控制很不稳定,严重影响了生产水平和综合经济效益的进一步提高,造成了人力、物力、能源的严重浪费。
为了进一步提高生活、生产水平,采用先进的测试手段来指导生活已成为刻不容缓的重要任务。
鉴于此,提出基于LABVIEW的网络化温室测控系统设计这一课题。
1.2国内外研究现状
随着计算机的发展与普及,室内环境控制自动化程度也有了较大的提高。
而网络化测控技术也得到一定程度的发展,为温室环境智能网络化控制提供了技术支持。
1.2.1国外环境因素控制技术
国外对这类环境控制技术研究较早,始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表,采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
现在正在开发和研制计算机数据采集控制系统。
现在世界各国的控制技术发展很快,一些国家在实现自动化的基础上正朝着完全自动化、无人化的方向发展。
像园艺强国荷兰,以先进的鲜花生产技术著称于世,其玻璃温室全部由计算机操作。
英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术,可以观测50Km以外的光、温、湿、气和水等环境状况,并进行遥控。
荷兰是土地资源非常紧缺的国家,靠围海、围湖造田等手段扩大耕地,其依靠现代农业,成为仅次于美国、法国的世界第三大农业出口大国。
荷兰是设施农业最发达的国家,目前有现代温室1.1万hm,全部为玻璃温室,占世界玻璃温室的1/4,主要用于种植蔬菜和花卉。
温室及配套设施的生产完全靠一种高度社会化专业化和国际化的市场体系。
日本于20世纪60年代快速发展现代设施园艺业,温室由单栋向连栋大型化结构金属化发展,到70年代为高速发展期。
美国总的指导思想是搞适地栽培,温室面积约1.9万hm,多数玻璃温室,少数是双层充气塑料薄膜温室,近几年也建造了少量聚碳酸脂板温室。
以色列的现代设施园艺更具鲜明的特点,其采用大型塑料薄膜连栋温室,充分利用光热资源的优势和先进的节水灌溉技术,主要生产花卉和高档蔬菜。
现代温室及配套设施已采用专业化、集约化和规模化生产,规范有序的市场经营和国际化的市场体系运作,成为当今世界最具活力的新兴产业之一和现代农业的亮点。
在今后一个时期,随着科学技术的发展、全球经济的一体化和社会的进步,现代温室及配套设施,将以节能、环保和改善工作条件为核心,深入广泛采用高新技术,向实质意义上的“工厂化”方向稳步持续快速地发展,前景十分广阔。
1.2.2我国室内环境控制技术
进入21世纪后,特别在我国加入WTO后,国内产品面临巨大挑战。
各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。
例如纺织行业,温湿度是影响纺织品质量的重要因素,但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙,十分落后,绝大多数仍在使用干湿球湿度计,采用人工观测,人工调节阀门、风机的方法,其控制效果可想而知。
制药行业里也基本如此。
而在食品行业里,则基本上凭经验,很少有人使用湿度传感器。
值得一提的是,随着农业向产业化发展,许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式,采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战,并打进国外市场。
各地建立了越来越多的新型温室大棚,种植反季节蔬菜,花卉;养殖业对环境的测控也日感迫切;调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。
我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座,自动化程度较高,成本也高。
国内正在逐步消化吸收有关技术,一般先搞调温、调光照,控通风;第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。
此外,国家粮食储备工程的大量兴建,对温湿度测控技术提也提出了要求。
在我国,多年来对小气候的研究一直偏重于农田等无护围的农业生产环境小气候以及温室小气候。
随着人们生活水平的提高和生产的发展,有关室内环境的研究不断丰富。
我国室内环境研究起步较晚,但近年来在通风换气、温度控制方面,从基础性研究到应用性研究都取得了大量成果。
室内环境自动控制技术的研究有了很大发展。
目前,大多数现代化室的通风换气仍采用机械式定时控制,该控制方式远不能满足对室内小气候的调节。
对室内环境进行检测的仪器一般为功能固定的传统仪器,难以满足对生产现场的实时监控。
随着微电子技术和计算机技术的发展,基于单片机的室内环境监测系统相继被研究。
中国农业大学、浙江大学、江苏理工大学等都进行了相关方面的研究,测控方法相对于定时控制等机电式控制方法有了很大改进,但已有的研究还没有达到室内环境协调控制的要求。
因此,在室内环境的智能化测量控制方面有待进一步的研究。
温室大棚的控制技术与室内环境控制技术也有相通之处,本系统设计旨在提高人类生活水平,为人类的舒适生活提供有力的数据依据,以便实行更好的监测和控制。
1.2.3室内环境控制技术三个发展阶段
从国外室内环境控制技术的发展状况来看,这类控制技术大致经历了三个发展阶段:
1.手动控制。
这是在这类控制技术发展初期所采用的控制技术,其实并没有真正意义上的控制系统及执行机构。
凭借长期的积累的经验和直觉及判断,手动调节室内环境。
但这种控制方式的劳动生产率较低,不适合生活生产的需要。
2.自动控制。
利用计算机技术及现代控制理论对室内的各种环境因子如温度、光照、湿度、二氧化碳等,进行自动控制和调节成为室内控制的主要方式。
此时有比较完整的控制系统,有各种传感器采集数据,监控系统实时检测环境变化及控制执行机构的动作,良好的人机界面使工作者操作过程形象而且简便。
计算机自动控制的室内控制技术实现了自动化,适合规模化控制,劳动积极性和生活品质得到提高。
目前我国绝大部分自主开发的大型和小型现代化室内控制技术及引进国外的设备都属于这种控制方式。
3.智能化控制。
智能化的控制技术将农业专家系统与室内自动控制技术有机结合,以室内综合环境因子作为采集与分析对象,通过专家系统的咨询与决策,给出不同时期人们生活所需要的最佳环境参数,并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理,自动选择合理、优化的调整方案,控制执行机构的相应动作,实现室内的智能化管理与控制。
能够根据室内环境条件和人的自我感觉,应用适当的知识表达和规则化,退了决策出最合适人们生活的环境。
这种控制方式既能体现人的模糊感应,又可以充分利用计算机技术的优势,使系统的调控非常方便和有效,实现室内环境的完全智能化监测。
1.3课题研究目标和内容
1.3.1课题研究目标
本课题要求在搜集、查阅国内外相关资料、信息的基础上要求采用温湿度传感器对温湿度进行检测,采用光照传感器对光照进行检测,采用CO2传感器对CO2浓度进行检测,应用数据采集卡转换成数据信号,系统具体要求如下:
(1)系统以Labview作为用户界面软件开发平台。
(2)系统可采用模块化的设计原理,对温湿度以及光照CO2进行监测。
(3)系统测量精度高、响应速度快、稳定性好、可靠性高。
(4)系统相容性强,应能携挂不同类型的传感器,能够测量多种参数。
(5)系统通用性强,可推广应用到类似的过程参数测量仪中。
(6)系统扩展性强,要求设计容量足够大,满足今后的扩充需要。
(7)系统操作方便,性能价格比高。
(8)抗干扰能力强,能在现场环境下可靠运行。
1.3.2课题研究内容
(1)基于LABVIEW的网络化温室测控系统设计
(2)系统硬件设计。
系统硬件主要包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、信号调理电路、数据采集卡以及连至Intert的PC机,其中温湿度传感器用于分别采集目标温度和湿度,光照传感器用于采集光照强度,二氧化碳传感器用于检测室内二氧化碳浓度。
通过数据采集卡可将电压信号转换为数字信号,进而送至PC机。
通过NI公司提供的NIDAQmax来配置相应数据采集卡的测量通道,可以完成信号滤波和单位换算。
从而借助于Labview强大的网络编程功能,并连接到lnternet的PC机来实现对目标温、湿度、光照强度和二氧化碳浓度的监控。
(3)系统软件设计。
采用工具软件Labview实现软硬件的仿真调试。
(4)采取多种抗干扰措施,提高系统的稳定性和精度。
1.4系统设计原则
(1)可靠性:
系统应保证长期安全地运行。
系统中的硬软件及信息资源应满足可靠性设计要求。
(2)安全性:
系统应具有必要的安全保护和保密措施,有很强的应对计算机犯罪和病毒的防范能力。
(3)容错性:
系统应具有较高的容错能力,有较强的抗干扰性。
对各类用户的误操作应有提示或自动消除的能力。
(4)适应性:
系统应对不断发展和完善的统计核算方法、调查方法和指标体系具有广泛的适应性。
(5)可扩充性:
系统的硬软件应具有扩充升级的余地,不可因硬软件扩充、升级或改型而使原有系统失去作用。
(6)实用性:
注重采用成熟而实用的技术,使系统建设的投入产出比最高,能产生良好的社会效益和经济效益。
(7)先进性:
在实用的前提下,应尽可能跟踪国内外最先进的计算机硬软件技术、信息技术及网络通信技术,使系统具有较高的性能指标。
(8)易操作性:
贯彻面向最终用户的原则,建立友好的用户界面,使用户操作简单直观,易于学习掌握。
1.5本章小结
本章大体的介绍了一下温室控制的一些技术和意义。
温湿度以及光照强度控制在烟草工业、化纤工业、纺织工业及现代楼宇中是不可缺少的公用工程,在现代楼宇中,空调运行得好坏,对空气的质量至关重要,送风的温度、湿度,直接影响室内空气的质量。
课题主要是研究控制空气中温度和湿度对环境的影响,以及光线对环境的影响,通过模糊拟合的方式为核心的温室自动控制系统。
解决以前室内文件受潮,温度不适宜,光照不足等一些影响办公及文件保存的现实问题。
针对这些室内的现实问题,我们必须作出一定的措施来控制,这是我们生活的环境,也是我们长期生活的环境,我们有必要把室内舒适度作为头等大事,为此,我提出了基于LABVIEW的温室测控系统设计,希望通过我的设计,实现对温室环境的自动控制,让人们在室内工作活动时心情愉悦,做起事来有着事半功倍的效果。
第二章系统总体方案设计
硬件系统是整个测控系统的物理基础,在满足系统功能要求的同时,还要考虑系统精度、分辨率、传输速度等技术指标,对硬件系统进行优化设计。
在进行室内环境控制时,天气状况是一个应考虑的重要因素。
在我国大部分地区夏季气候的特点是高温多湿,冬季气候的特点则是寒冷干燥。
因此室内夏季的环控重点是降温:
在冬季的环控多注重于保温和排湿。
本系统的硬件主要由传感器、数据采集卡、硬件设计完成室内环境参数的采集等操作,以实现室内环境的监测。
2.1监测参数的确定
围绕着室内周围的空间及其他可直接或间接影响室内环境切外界条件和因素,统称为室内的环境。
包括:
(1)物理因素空气的温度、湿度、气流速度、气压、降水、光照、噪声等。
(2)化学因素空气中各种气体成分,室内的有害气体、污染大气的有害气体等。
(3)生物因素植物、动物、细菌、病毒、寄生虫以及室群体之间的关系。
室内生活环境对生活环境内的人类的影响是非常大的,而室内生活的环境是复杂多变的,不论在北方和南方,全年都适应的室生活环境极少。
为使室内得到良好的环境,获得较高的工作效率,就要用人为的方法消除环境中的不利因素,创造有利因素,使室经常处于比较适宜稳定的环境中,以获得满意的工作环境。
上述因素中,我们选择了对室内生活影响较大的温度、相对湿度、光照、二氧化碳四个环境参数进行监控。
(1)温度
人体的发热与散热是对环境适应的一种调节手段。
因此,当环境温度适宜时,人体产热最少,散热也最少,容易保持体温正常。
人和其他动物一样,存在一个感到舒适的温度范围,在这个范围内,人与所处的环境完全协调,其各项生理机能最为正常,只要通过血液循环、血管收缩和扩张等物理性调节,就能保持正常体温的平衡状态,因而人体放散的热量最少,在生理上把这个温度范围称为“等热区”。
温度与室内的生产性能关系密切,其影响主要是通过室内的热调节而起作用。
在低温中工作效率下降主要是由于大量的能量消耗于维持体温,使用于思考的能量减少;在高温中,生产力F降是机体为减少产热的一种保护性反应。
将环境温度控制在最适于人类生活的范围之内,能得到较高的办事效率。
(2)相对湿度
空气湿度是表示大气中水汽含量多少的物理量,生产上一般用相对湿度来表示。
一般环境温度下,空气湿度对人的体热调节没有明显的影响。
高温环境下,人主要靠蒸发散热。
如处在高温高湿的环境下,因空气湿度过大可妨碍人体的蒸发散热。
低温环境,人体主要靠辐射传导和对流散热。
如处在低温高湿的环境下,因皮肤都能吸收空气中的水分,提高了皮肤的导热系数,降低了体表的阻热作用,导致了散发的热量显著增加,人体会感到更冷。
无论是环境温度的高低,高湿对热调节都是不利的,而湿度稍低可以减轻高温或低温对人体的影响。
室内湿度过高,会使室内抵抗力减弱,发病率增高,有利于传染病的蔓延,使病程加重。
同时湿度过高有利于病原性真菌、细菌和寄生虫的发育。
因此,保持室的相对湿度在合适的范围,对人的生活是十分有利的。
(3)光照强度
当其他环境条件不变时,光照强度的变化决定着净光合作用的变化。
当光照强度低于光补偿点(compensationpoint)时,植物处于消耗而无积累的状态,只有当光照强度超过光补偿点时,植物才有有机物积累。
植物在超过其光饱和点的强光作用下,光合过程的超负荷反而会导致光量子的利用率降低,光合产量下降,过强的光照甚至引起光合色素和类囊体结构的破坏。
光照强度对植物生长发育和形态结构的建成有重要作用。
光是绿色植物进行有机物合成的能量来源,而有机物积累的多少必然对植物生长产生影响;植物许多器官的形成以及各器官和组织的比例都与光照强度有直接关系。
黄化(etiolation)现象就是光照严重不足或无光所引起的影响植物生长及形态建成的例子。
黄化植物的节间特别长,叶不发达且小,缺少叶绿素而呈现黄色,植物体达。
光照不足可引起植物体内养分供应出现障碍,导致已经形成的花芽、果实发育不良或早期死亡,也会影响果实的品质。
果树进行必要的修剪,其目的之一就是为了使果树枝叶分布合理,果树内外都能较好地接收光照,从而不影响开花、结果。
含水量高,薄壁组织发达,机械组织和维管束分化很差,特别是输导水的组织不发
(4)二氧化碳浓度
一定范围内,二氧化碳的浓度越高,植物的光合作用也越强,因此二氧化碳是最好的气肥。
美国科学家在新泽西州的一家农场里,利用二氧化碳对不同作物的不同生长期进行了大量的试验研究,他们发现二氧化碳在农作物的生长旺盛期和成熟期使用,效果最显著。
在这两个时期中,如果每周喷射两次二氧化碳气体,喷上4~5次后,蔬菜可增产90%,水稻增产70%,大豆增产60%,高粱甚至可以增产200%。
二氧化碳在室外是全球暖化的元凶之一,在室内对人体健康影响及行车安全顾虑更是不容忽视的主因之一。
生活当中二氧化碳是人类无时无刻在制造却经常被忽略的气体,最近二~三十年大众生活型态的改变,尤其现代人害怕噪音再加上户外空气质量不佳,人们为求隔绝噪音并享受居住空间或办公室空间空调系统带来的舒适便利,长时间将室内窗户密闭以致于室内二氧化碳浓度含量远高于室外平均值,更有医学报导在冷气房内睡觉连续八小时,由于空气有适足对流有助尘螨滋生,早上会出现鼻塞、皮肤红痒等「病态建筑物症候群」(SickBuildingSyndrome)的症状。
二氧化碳浓度含量会影响人类的生活作息,整理出二氧化碳浓度含量与人体生理反应如下:
·350~450ppm:
同一般室外环境
·350~1000ppm:
空气清新,呼吸顺畅
·1000~2000ppm:
感觉空气浑浊,并开始觉得昏昏欲睡
·2000~5000ppm:
感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心
·大于5000ppm:
可能导致严重缺氧,造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。
因此,保持室内环境中空气的清新,对室内温湿度的监控,以及合理的光照强度和二氧化碳浓度是进行室内环境控制的主要方面。
在控制系统中,需要经常检测和控制室内的温湿度、光照强度和二氧化碳浓度。
保持室内有一个适宜的温湿度状况和适宜光照强度和二氧化碳浓度的环境。
为了实现室内环境的自动控制,我们采用了温度、相对湿度传感变送器,光照传感变送器、二氧化碳传感器将检测的环境参数由非电量转化为电量,完成对多个环境参数的同时检测、采集。
2.2系统硬件总体结构
本系统中环境因子的检测,采用直插式USB虚拟仪器数据采集卡系统,通过PCI总线实现并行32位传输数据,数据采集卡要求四通道循环采集。
对于室内环境监控系统的硬件设计,主要包括环境参数检测系统的设计,首先,由传感变送器将室内环境中待检测的信息转化为电量,传感器输出的电量信号经过信号调理电路的调理,输入到数据采集板,由数据采集板的A/D转换模块将模拟信号转化为数字信号,然后由计算机进行处理。
系统总体结构配置如图2-1所示。
图2-1系统软件模块构成
2.3环境参数的检测硬件
本系统采用的测量仪器为环境参数传感变送器。
传感变送器对于自动测量至关重要。
随着微型计算机的普遍应用,科技界、产业界、防务和民用领域中,各种各样的电子设备都广泛地用它作为“电脑”,用以运算、处理、裁决不同类型的问题,使得有关设备日益实现自动化,系统化和智能化。
如果把计算机比做人的“大脑”,那么电子传感器则酷似人的“五官”,不过对传感器的要求要比人的五官高得多,它还要把人无法或难于感知的信息测量出来,像电磁场、红外光、紫外光、高温、高压、无嗅无味气体、巨毒物等,并能放大、处理、传输、存储、显示、或作必要的控制输出。
本系统采用的传感变送器包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器。
温度传感器主要用于检测室中的温度,湿度传感器主要用于检测内环境中的相对湿度,光照传感器用于检测室内光照强度,二氧化碳传感器用于检测空气中二氧化碳含量。
各种传感器将室中相应的环境参数(非电量)转化为电信号。
2.3.1温度检测
就环境控制而言,温参度数是监测控制系统输入的最基本的变量之一。
温度传感变送器是具有在恶劣环境中长期使用而保持精度不变的少数几类传
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