金文忻，金榆川，鄧玉超，郭笑添，馬恩慶

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院，江蘇句容 212400）

0 引言

我國水資源總量和人均用水量不足，水資源分布不均勻[1]。在此背景下，發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)和水肥一體化灌溉技術(shù)是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的一項重要技術(shù)，提高水資源利用率、增加水肥灌溉效率顯得尤為重要[2]。目前應(yīng)用的水肥灌溉信息采集系統(tǒng)的采集參數(shù)大部分比較單一，無法滿足實際的生產(chǎn)需要，不能全面的反映出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際情況。本文通過聯(lián)系實際生產(chǎn)，基于LabVIEW軟件設(shè)計了一款能夠?qū)λ示抗喔刃畔⑦M行遠程采集的系統(tǒng)，通過虛擬儀器對水肥灌溉情況和植物生長的環(huán)境參數(shù)進行遠程實時監(jiān)測。結(jié)果表明，通過使用本系統(tǒng)可以有效地提高水肥灌溉效率、節(jié)省水肥資源和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，具有較高的實際運用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文通過調(diào)研水肥一體化灌溉設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀和江蘇省農(nóng)博園實際生產(chǎn)需求，設(shè)計了一款能夠遠程對水肥灌溉數(shù)據(jù)環(huán)境參數(shù)等多位參數(shù)進行全面實時監(jiān)測的系統(tǒng)[3-4]。本系統(tǒng)通過LabVIEW軟件搭建上位機，用于顯示和處理數(shù)據(jù)，通過信號采集卡對傳感器信號進行調(diào)理和上傳[5-6]。系統(tǒng)主要采集了環(huán)境溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度和水肥pH值、水肥EC值、水肥流量等多種參數(shù)。系統(tǒng)主要由信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和虛擬儀器面板三大部分組成。信號采集模塊采集模擬量或數(shù)字量信號后，通過數(shù)據(jù)處理模塊進行信號調(diào)理，最后通過驅(qū)動軟件傳遞到虛擬儀器面板，從而實現(xiàn)顯示輸出、報警輸出、控制輸出、存儲輸出和參數(shù)輸入等具體功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由信號采集末端、信號調(diào)理模塊和虛擬儀器面板構(gòu)成。具體來說，主要由傳感器電路和通信電路構(gòu)成，傳感器電路主要由溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器、土壤濕度傳感器、流量傳感器、電導率傳感器和pH值傳感器等構(gòu)成。通信電路則主要負責將傳感器與信號調(diào)理模塊進行實時通信。其功能主要是利用傳感器采集各種類型的參數(shù)，并將采集到的模擬信號或數(shù)字信號傳遞至信號采集卡；信號調(diào)理模塊主要由一塊信號采集卡構(gòu)成，通過信號采集卡對信號采集末端上傳的數(shù)據(jù)進行放大、濾波、轉(zhuǎn)換和調(diào)制解調(diào)等一系列調(diào)理操作，最后通過USB端口數(shù)據(jù)傳遞至上位機；虛擬儀器面板通過LabVIEW軟件設(shè)計，主要有數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析與報警、數(shù)據(jù)存儲和遠程使用等功能。

本文根據(jù)實際生產(chǎn)需要，選擇了合適的傳感器以及與LabVIEW軟件兼容性更強的NI USB信號采集卡，信號采集卡內(nèi)部封裝了2.3KB RAM和16KB Flash的Silicon Labs C8051F320芯片以及一塊ADS7871模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。虛擬儀器面板主要完成數(shù)據(jù)的實時顯示、采集、存儲與分析等功能。主要包括驅(qū)動和通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)顯示模塊等。驅(qū)動和通信模塊主要負責上位機對采集卡的驅(qū)動以及同信號采集卡對調(diào)理后的信號進行通信。數(shù)據(jù)處理模塊主要負責數(shù)據(jù)進行離線存儲，可以將信號以EXCEL文件格式保存，同時，可以對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)督，判斷實時數(shù)據(jù)是否超過設(shè)定閾值。數(shù)據(jù)顯示模塊從采集模塊接收數(shù)據(jù)進行實時顯示至前端用戶界面，同時接收采集模塊傳遞的報警信息進行顯示。

圖2 硬件系統(tǒng)

硬件層主要由各傳感器、信號采集卡和上位機三大部分組成。硬件層主要負責數(shù)據(jù)的物理通訊，由前端傳感器采集到環(huán)境信號通過RSE或差分模式傳遞到信號采集卡，信號采集卡將信號進行濾波、放大等調(diào)理操作，整合成計算機可以識別的數(shù)據(jù)通過USB端口傳遞給上位機，由上位機進行識別后的分析、顯示和存儲等進一步操作。數(shù)據(jù)層主要由環(huán)境參數(shù)信號、調(diào)理后的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動軟件、DAQ助手等部分構(gòu)成。環(huán)境參數(shù)信號經(jīng)信號采集卡調(diào)理后變?yōu)樯衔粰C能夠識別的數(shù)據(jù)，通過信號采集卡驅(qū)動軟件傳遞到DAQ助手，最后再經(jīng)過DAQ助手傳遞到上位機中，由系統(tǒng)對其進行加工。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)

硬件安裝主要是傳感器與信號采集卡以及信號采集卡至上位機的連接。本文中傳感器大部分以模擬量—單端輸入為主，在接線時需要注意傳感器信號端接線應(yīng)與分配的引腳對應(yīng)。后續(xù)在軟件內(nèi)分配信號采集通道時，也需要根據(jù)此時分配的引腳情況對系統(tǒng)進行進一步設(shè)置。傳感器與信號采集卡的供電需要單獨設(shè)置，因本文涉及多款傳感器，各傳感器的工作電壓不同，所以在配置傳感器與信號采集卡電源時應(yīng)注意將工作條件相同的設(shè)備分為一組進行供電。信號采集卡與計算機之間的通信主要是由信號采集卡上的USB連接器通過USB線連接至計算機，將USB線的一端連接信號采集卡，另一端連接計算機的USB端口。

1.2 軟件設(shè)計

虛擬儀器技術(shù)突破了隨著科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)儀器設(shè)備不能滿足實際應(yīng)用需要的限制。通過利用計算機硬件資源和專一開發(fā)的VI設(shè)計編程軟件，構(gòu)成一套完整的、含有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)[7]。本文選用LabVIEW軟件搭建虛擬儀器。LabVIEW自帶各類圖表輸出插件，可以直觀地看到采集到的實時數(shù)據(jù)變化，不需要開發(fā)人員對圖表輸出功能進行二次開發(fā)。除此之外，配合LabVIEW內(nèi)部封裝的Web Server組件，還可以實現(xiàn)基于Internet的數(shù)據(jù)采集和傳輸[8-9]。

本文分別對土壤濕度、環(huán)境溫度、二氧化碳濃度、水肥EC值、水肥流速、光照度、水肥pH值、環(huán)境濕度等8個生產(chǎn)環(huán)境要素分別進行數(shù)據(jù)采集，在操作界面配置了實時數(shù)據(jù)顯示模塊、閾值設(shè)置模塊和報警模塊，控制按鈕可以停止當前進行的數(shù)據(jù)采集操作，并且系統(tǒng)預(yù)留了閾值設(shè)置窗口，用戶可以通過實際情況設(shè)置報警閾值。采集過程中，系統(tǒng)能夠?qū)崟r數(shù)據(jù)自動存儲到指定文件夾，方便用于進一步分析。

系統(tǒng)的最終使用者是用戶，作為一款需要用戶長時間操作的系統(tǒng)，人性化、友好的操作界面非常重要。前端面板的設(shè)計主要是以集成各種功能的Main函數(shù)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上針對采集系統(tǒng)的各參數(shù)采集模塊進行分別設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計邏輯，打開用戶操作界面，在Main函數(shù)上對各個功能模塊進行調(diào)用。能夠直接在用戶面前顯示的函數(shù)就是Main函數(shù)，因此在設(shè)計用戶操作面板時需要著重對主頁面進行美化。針對不同的信息模塊，程序根據(jù)其數(shù)據(jù)特點進行顯示功能定制，以溫度信息采集模塊為例，主面板可以顯示當前系統(tǒng)時間和實時溫度數(shù)據(jù)。同時程序設(shè)計閾值設(shè)置窗口，用戶可以根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)置系統(tǒng)閾值，當傳感器采集到的數(shù)據(jù)超出閾值范圍之內(nèi)后，右側(cè)報警燈會亮起，以此提示用戶對環(huán)境進行相應(yīng)操作?！巴Ｖ共杉卑粹o可以立即結(jié)束當前程序運行。程序中還可以顯示歷史數(shù)據(jù)，在選項卡按鈕中，點擊“歷史數(shù)據(jù)”選項按鈕，就可查看歷史數(shù)據(jù)信息。同時設(shè)置歷史數(shù)據(jù)選項卡頁面，該面板配置一塊波形圖表，用于顯示采集到的歷史數(shù)據(jù)，圖表x軸為時間，y軸為溫度數(shù)據(jù)。

圖4 人機交互界面

在上位機軟件環(huán)境中需要對各個傳感器采集到的模擬信號通過轉(zhuǎn)換后傳遞至上位機中，系統(tǒng)通過DAQ助手實現(xiàn)。DAQ助手有兩種編程方法，一是直接對DAQ助手進行配置、編程，最后轉(zhuǎn)換成DAQmx代碼。這種方法操作簡單，邏輯清晰，這種方法操作難度小，但使用起來不夠靈活，采樣率、采樣數(shù)等一些列信息采集卡參數(shù)在程序運行過程中難以修改。第二種方法是直接將DAQ助手轉(zhuǎn)換成DAQ函數(shù)，然后在DAQ函數(shù)中進行程序編寫。這種方法可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要靈活修改DAQ助手的各項參數(shù)。本文選用第二種方法對程序進行編寫，可以靈活使用信號采集卡中的采集通道函數(shù)、定時函數(shù)、開始任務(wù)函數(shù)、清除任務(wù)函數(shù)等。在DAQ助手的配置中，可以根據(jù)傳感器的技術(shù)參數(shù)對其進行輸出轉(zhuǎn)換，同時，采集通道的配置需要根據(jù)傳感器與信號采集卡的實際接線情況分配。末端模擬量傳感器將采集到的信號傳遞到采集卡，經(jīng)過采集卡放大、濾波、轉(zhuǎn)換等一系列調(diào)理操作后，傳遞到的上位機的數(shù)據(jù)還不能直接作為輸出數(shù)據(jù)，還需要對其進行轉(zhuǎn)化計算。系統(tǒng)后面板部分程序如圖5所示。

圖5 后面板部分框圖

系統(tǒng)選用LabVIEW軟件中的“Web發(fā)布”工具實現(xiàn)采集系統(tǒng)的遠程使用。將本地計算機作為服務(wù)器，配置網(wǎng)頁客戶端，用戶在外網(wǎng)使用時，通過訪問主機服務(wù)器實現(xiàn)遠程控制。不需要對系統(tǒng)進行額外編程，降低了系統(tǒng)維護和使用難度。菜單欄“工具”選項卡中找到“Web發(fā)布”工具，首先配置本地服務(wù)器，選擇VI程序。查看模式中“快照”和“顯示器”兩種模式只能顯示當前屏幕畫面，不能實時更新和控制操作，因此系統(tǒng)選擇“內(nèi)嵌”模式。“內(nèi)嵌”模式能夠?qū)Σ杉到y(tǒng)進行實時顯示，同時，在申請權(quán)限的情況下還可以實時控制采集系統(tǒng)。注意，首次配置時應(yīng)先“啟動Web服務(wù)器”，同時勾選下方“連接建立時提交控制請求”，單擊“下一步”直至配置完成后生成URL地址。本系統(tǒng)生成的地址為：http：//Jinyc-Personal-Work-Station：8000/main.html，其中“Jinyc-Personal-Work-Station”為本機名稱。推薦使用IE瀏覽器對其進行訪問，其他瀏覽器大多不支持加載VI面板的插件。當用戶在外網(wǎng)對該系統(tǒng)進行訪問控制操作時，需要對其進行內(nèi)網(wǎng)穿透操作，從外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)客戶端對本地服務(wù)器進行映射，映射完成后即可進行相應(yīng)操作。常用的IP映射方法主要是通過nat123或者花生殼軟件實現(xiàn)。Web發(fā)布服務(wù)器配置如圖6所示。

圖6 Web發(fā)布配置

2 應(yīng)用運行測試

2.1 本地使用測試

在真正將系統(tǒng)投入實際使用之前，需要搭建一個模擬的仿真環(huán)境。本文在系統(tǒng)程序設(shè)計完成后，利用另一塊虛擬信號采集卡生成虛擬信號，虛擬信號生成器將波形數(shù)據(jù)傳輸至虛擬信號采集卡的輸出通道，通過本系統(tǒng)對其進行采集，最后能夠接近真實的模擬系統(tǒng)運行的過程。完成仿真環(huán)境搭建和軟件相關(guān)配置后，需要對程序進行仿真運行測試。以溫度采集模塊為例，配置好仿真環(huán)境后，系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)，如圖7所示。系統(tǒng)高溫閾值設(shè)置為35℃，當前測試溫度為41℃，系統(tǒng)高溫報警燈亮起提示用戶。

圖7 仿真運行測試

2.2 遠程使用測試

在完成本地仿真運行測試后，還需要對進行遠程使用測試。在使用網(wǎng)絡(luò)客戶端訪問系統(tǒng)之前，需要在本地服務(wù)器上對操作系統(tǒng)進行Web發(fā)布，并且保持系統(tǒng)在本地服務(wù)器上處于打開狀態(tài)，遠程使用界面如圖8所示[10]。設(shè)置完成后，通過訪問本地服務(wù)器生成的地址即可實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。測試結(jié)果表明，遠程使用功能可以達到預(yù)期效果，能夠滿足實際使用需要。

圖8 遠程使用操作面板

3 結(jié)論

本文基于LabView編程軟件設(shè)計了一款遠程、實時的水肥灌溉信息采集系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)可以實現(xiàn)針對二氧化碳濃度、水肥流量、水肥EC值、水肥pH值、環(huán)境溫濕度、土壤濕度、環(huán)境光照等要素的實時監(jiān)控的信息采集系統(tǒng)。同時系統(tǒng)還具有自動保存歷史數(shù)據(jù)、異常報警和遠程訪問等功能，能夠滿足用戶實際生產(chǎn)的基本需要。利用信號采集卡對傳感器信號進行調(diào)理和傳遞，便于安裝使用。通過本系統(tǒng)可以有效地降低系統(tǒng)安裝難度和提高水肥利用效率。