基于虛擬儀器技術(shù)的煙田遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向之一，虛擬儀器技術(shù)正是適應(yīng)這種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求而出現(xiàn)的。農(nóng)業(yè)的生態(tài)環(huán)境對(duì)煙葉的生長(zhǎng)發(fā)育、栽培技術(shù)的實(shí)施、病蟲害的預(yù)防等，有著極其重要的影響。而煙葉的生長(zhǎng)發(fā)育狀況又同光照度、溫度、濕度等因素息息相關(guān)，因此在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)突顯“多樣化”、“優(yōu)質(zhì)化”、“高效化”的今天，簡(jiǎn)單的依靠人的經(jīng)驗(yàn)力量來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境，尤其顯得杯水車薪。而且傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法耗時(shí)耗力，容易受到外界的干擾，準(zhǔn)確性不高。本設(shè)計(jì)試圖利用基于LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)開發(fā)平臺(tái)的虛擬儀器技術(shù)來(lái)對(duì)果樹園區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

煙田生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的構(gòu)建方案采用PC-DAQ(基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡)系統(tǒng)，由傳感器、信號(hào)調(diào)理裝置、數(shù)據(jù)采集卡和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集卡的多路選通開關(guān)來(lái)完成各硬件數(shù)據(jù)通道之間的切換，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)煙葉生長(zhǎng)的溫濕度、光照等氣候因子進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和測(cè)量的目的。將采集來(lái)的煙田生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)分析、處理后，在前面板實(shí)時(shí)顯示和靜態(tài)顯示(日平均數(shù)歷史數(shù)據(jù))，之后將它們存儲(chǔ)起來(lái)以便日后查詢和使用。另外，本系統(tǒng)中還增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，可以實(shí)現(xiàn)用戶在本地計(jì)算機(jī)上開啟并操作遠(yuǎn)程服務(wù)器端計(jì)算機(jī)上VI的前面板。 

2系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖1為煙田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件整體框圖。該系統(tǒng)主要完成對(duì)生態(tài)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集硬件、硬件驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)及應(yīng)用程序幾個(gè)部分組成，其基本任務(wù)就是用于物理信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量。



本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要有溫度傳感器，濕度傳感器，光照傳感器，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等組成。首先溫濕度傳感器及光照傳感器把溫濕度信號(hào)及光照信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的AD轉(zhuǎn)換后傳遞給計(jì)算機(jī)，最后計(jì)算機(jī)在對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)顯示。

對(duì)于硬件的選用，應(yīng)遵循實(shí)用、標(biāo)準(zhǔn)和耐用的原則。在傳感器選擇方面，可以采用LT／W／S室外溫濕度傳感器，其溫度量程是-20～80℃，濕度量程是0～100％；LT／G光照度傳感器，光強(qiáng)測(cè)量范圍是0～20萬(wàn)lux。

本系統(tǒng)中使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡的PCI-6024，此卡基于PCI總線，支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，信號(hào)輸入范圍分別為-5～+5 V和0～10 V?？商峁?6路單端／8路差動(dòng)模擬輸入通道，2路獨(dú)立的D／A輸出通道，24線的TTL型數(shù)字I／O通道，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。采用NI公司提供的Measurement Automation軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通訊。

3煙田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分是基于LabVIEW7 Express．應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)的。按照模塊化的思想，該系統(tǒng)共設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸四個(gè)模塊。每個(gè)模塊可按功能編寫成一個(gè)VI，并可通過主控模塊來(lái)分別調(diào)用。其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。



3.1  主控模塊

主控模塊可以使各模塊之間按照系統(tǒng)的框架協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)工作和相互通信，并可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。同時(shí)主控模塊還提供用戶接口，用戶可以通過該接口發(fā)出指令，主控模塊根據(jù)指令來(lái)調(diào)度各功能模塊。本系統(tǒng)提供的形象逼真的儀器軟面板可使用戶使用起來(lái)極為方便。

3.2數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成溫度信號(hào)及光照信號(hào)的數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，并將其傳遞到計(jì)算機(jī)。NI公司的數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集功能可以由LabVIEW提供的模入模塊中的中級(jí)模入函數(shù)組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3是使用中級(jí)模入設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集程序框圖。先用Device Open.vi模塊打開數(shù)據(jù)采集設(shè)備；然后用AI Config.vi模塊配置數(shù)據(jù)采集卡，選擇模擬量輸入通道，并指定輸入信號(hào)的范圍來(lái)調(diào)節(jié)硬件增益，同時(shí)設(shè)置采集數(shù)據(jù)所占用計(jì)算機(jī)緩沖區(qū)的大小及設(shè)置掃描間隔；再通過AI Start.vi啟動(dòng)模入操作，主要用于控制數(shù)據(jù)采集速率和要獲得的掃描數(shù)，這里將Number of scans to acquire (獲得的掃描數(shù))輸入端口值設(shè)置為“0”，即選擇連續(xù)采集模式，直到清除模入操作為止(如果設(shè)置為“-1，’則只要緩沖區(qū)滿就停止掃描)；然后通過AI Read.vi從AI Config分配的緩沖中讀取數(shù)據(jù)，它能控制每次讀取的點(diǎn)數(shù)、讀取數(shù)據(jù)在緩沖中的位置等，輸出是一個(gè)二維數(shù)組，每一列數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于通道列表中的一個(gè)通道；最后通過AI Clear.vi模塊清除模人操作、清除計(jì)算機(jī)中分配的緩沖及釋放所有數(shù)據(jù)采集的資源。



3.3  實(shí)時(shí)顯示模塊

在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊中，采集卡采集來(lái)的三組數(shù)據(jù)經(jīng)分離處理后，分別和三個(gè)WaveformChart連接，并在前面板的Chart圖形顯示中以三種不同的顏色來(lái)顯示溫度、濕度、光照度三條曲線。刷新模式為默認(rèn)的Scroll，并設(shè)置Show DigitalDisplays，三個(gè)布爾指示器顯示三個(gè)通道是否正在運(yùn)行，指示器亮，表示數(shù)據(jù)采集正在進(jìn)行。同時(shí)，當(dāng)前的數(shù)據(jù)采集時(shí)間也被顯示在前面板上。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中有三個(gè)子VI：讀取并計(jì)算平均數(shù)子VI、文本表頭子VI和表格表頭子VI，系統(tǒng)采用平鋪?lái)樞蚪Y(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程。首先在程序中設(shè)置一定的觸發(fā)時(shí)間(在前面板由用戶輸入，格式為H：M，如19：00表示晚上7點(diǎn))，然后對(duì)一天采集的煙田生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行平均數(shù)計(jì)算，并保存這個(gè)平均數(shù)。同時(shí)，在前面板顯示最近天數(shù)的平均值曲線。在觸發(fā)時(shí)間運(yùn)行中，先對(duì)采集保存的文本文件進(jìn)行處理，讀取并計(jì)算出平均值，然后把這個(gè)平均值以兩種開式保存：保存成電子表格文件(.xls)時(shí)，得到的表格類似報(bào)表；保存成文本文件(.txt)時(shí)，得到的是包括對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息和數(shù)據(jù)的文件。

3.4  數(shù)據(jù)存取模塊

數(shù)據(jù)存取模塊主要通過調(diào)用LabVIEW中WriteCharacters To File.VI將經(jīng)過處理的溫濕度值存人指定的文件中，主要用到獲取系統(tǒng)日期和時(shí)間函數(shù)、向文件中寫數(shù)據(jù)的函數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的框圖程序。

文件的讀取必須按照數(shù)據(jù)保存時(shí)的格式去讀它，因?yàn)樵瓉?lái)數(shù)據(jù)保存為ASCII碼格式，用的是字符串?dāng)?shù)據(jù)類型，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)必須用一個(gè)文件I／O函數(shù)把數(shù)據(jù)作為字符串來(lái)讀出。其中主要用到了Read Characters From File.vi (從文件中讀取字符串?dāng)?shù)據(jù))函數(shù)和Extract Numbers.vi (提取非數(shù)值符號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)值)函數(shù)。

3.5  網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

本系統(tǒng)利用了LabVIEW的遠(yuǎn)程面板(RemotePanel)技術(shù)，用戶可以用極為簡(jiǎn)單的方式直接在本地(Client端)計(jì)算機(jī)上打開并操作位于遠(yuǎn)程(Web Server端)計(jì)算機(jī)上的VI的前面板，甚至可以將LabVIEW的前面板窗口嵌入到一個(gè)網(wǎng)頁(yè)中并在網(wǎng)頁(yè)中直接操作它。

在LabVIEW中使用Remote Panel需要完成在LabVIEW Web Server端的計(jì)算機(jī)上開啟LabVIEWWeb Server服務(wù)和在Client端計(jì)算機(jī)上連接并運(yùn)行Remote Panel兩個(gè)步驟。

本系統(tǒng)利用在LabVIEW環(huán)境中直接操作Remote Panel的方法來(lái)完成此模塊工作，在Client端使用Remote Panel之前，首先在Server計(jì)算機(jī)上運(yùn)行LabVIEW，并且配置Web Server，來(lái)完成文件路徑和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置、客戶機(jī)訪問權(quán)限的設(shè)置及VIs訪問權(quán)限的設(shè)置。之后就可以在Client端的LabVIEW環(huán)境中運(yùn)行一個(gè)Remote Panel了。具體步驟如下：

(1)在Web Server端打開要進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)行的VI的前面板；

(2)在Client端的LabVIEW環(huán)境中的菜單欄中選擇Operate→Connect to Remote Panel，彈出Connect to Remote Panel對(duì)話框，輸入IP地址和所打開的VI的名字以及端口號(hào)。

(3)點(diǎn)擊Connect按鈕進(jìn)行連接，當(dāng)其連接成功后，Remote Panel就會(huì)出現(xiàn)在屏幕之上，此后，在Client端的前面板上就可以進(jìn)行操作控制了。但是應(yīng)當(dāng)注意，Client端的前面板和Web Server端的前面板是不同的。

4結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于LabVIEW7 Express功能軟件，實(shí)現(xiàn)了用一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)煙田的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用大大克服了傳統(tǒng)基于單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軟件編程麻煩等缺點(diǎn)，提高了測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)測(cè)。