【文章內(nèi)容簡介】 對二氧化碳和光能的利用率得以提高。第三，抑制或減輕病蟲害的發(fā)生。： 二氧化碳控制系統(tǒng)方塊圖 綜上所述，溫室內(nèi)各環(huán)境因素之間是相互作用、相互協(xié)調(diào)的。 溫室自動檢測系統(tǒng)的方案設計本系統(tǒng)主要是利用虛擬儀器設計溫室環(huán)境自動檢測系統(tǒng)。虛擬儀器技術是20世紀90年代計算機系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術革命的產(chǎn)物，它在測試測量與控制領域中占有重要地位 ，并正成為當今世界流行的儀器構(gòu)成方案[6]。 溫室檢測系統(tǒng)開發(fā)平臺伴隨著微電子技術，計算機技術和網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展及其在電工電子測量技術領域的應用，測量儀器不斷進步，依次出現(xiàn)了數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器，同時也由單臺儀器逐漸發(fā)展到疊加式儀器系統(tǒng)、虛擬儀器系統(tǒng)等。1986年美國國家儀器公司首先提出了虛擬儀器的概念。所謂虛擬儀器是指通過應用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化模塊結(jié)合起來，用戶可以利用計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立中英文界面的虛擬儀器軟面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析、存儲和顯示，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價格，且用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器技術利用PC機高速數(shù)據(jù)采集和處理能力，對被測對象進行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、顯示等。虛擬儀器排除了干擾信號和模擬電路引起的誤差，大大提高了測試精度。虛擬儀器控制功能強，有自動調(diào)零、自動調(diào)節(jié)量程、自動轉(zhuǎn)換極性和自動校準的功能。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環(huán)境，在計算機屏幕上建立起圖形的軟面板來代替常規(guī)的儀器控制面板。用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板來進行操作，操作方便，易于掌握 。虛擬儀器的基本思想是利用計算機來管理儀器、組織儀器系統(tǒng)，進而逐步代替儀器完成某些功能，最終達到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器實質(zhì)上是軟硬結(jié)合、虛實結(jié)合的產(chǎn)物，是充分利用最新的計算機技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器的關鍵。虛擬儀器包括硬件和軟件兩個基本要素。硬件的主要功能是獲取真實世界中的被測信號，可分為兩類：一類是滿足一般科學研究與工程領域測試任務要求的虛擬儀器。最簡單的是基于PC總線的插卡式儀器，也包括帶GPIB接口和串行接口的儀器；另一類是用于高可靠性的關鍵任務，如航空、航天、國防等應用的儀器系統(tǒng)，由計算機統(tǒng)一管理、統(tǒng)一操作。軟件的功能定義了儀器的功能。因此，虛擬儀器最重要、最核心的技術是虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。作為面向儀器的軟件環(huán)境應具備以下特點：一是軟件環(huán)境是針對測試工程師而非專業(yè)程序員，因此，編程必須簡單，易于理解和修改；二是具有強大的人機交互界面設計功能，容易實現(xiàn)模擬儀器面板；三是具有強大的數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)可視化分析能力，提供豐富的儀器總線接口硬件驅(qū)動程序。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，在概念和功能上有重大突破。通常，傳統(tǒng)儀器在完成某個測試任務時，需要許多儀器，如示波器、電壓表、頻率分析儀、信號發(fā)生器等，對復雜的數(shù)字電路系統(tǒng)還需要邏輯分析儀、IC測試儀等。這么多的儀器不僅價格昂貴、體積大、占用空間，而且相互連接起來費事。而虛擬儀器將計算機資源與儀器硬件、DSP技術結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)共享硬件資源，既有普通儀器的功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能。它把由廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，用戶可根據(jù)測試功能的需要，自己設計所需要的儀器系統(tǒng)，只要將具有一種或多種功能的通用模塊相結(jié)合，并且調(diào)用不同功能的軟件模塊，就能組成不同的儀器功能。將傳感器采集的電信號放大和整形后，經(jīng)A/D變換存入內(nèi)存，再由計算機軟件處理，并顯示輸出，就可以組成虛擬示波器、虛擬計數(shù)器、頻譜分析儀、虛擬多用表等。利用DSP及相應的算法，將所生成的數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)信號調(diào)理產(chǎn)生所需的信號，又可構(gòu)成虛擬儀器信號發(fā)生器。當測試要求改變時，只要增加或更改儀器軟硬件模塊，就可以構(gòu)成新的儀器，而不必重新購買整臺儀器。因此，虛擬儀器充分發(fā)揮了計算機的作用，便于與計算機通信相結(jié)合來建立計算機網(wǎng)絡，組建復雜的測試系統(tǒng)。： 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器由上表可以看出虛擬儀器相對于傳統(tǒng)儀器的優(yōu)點，在實際檢測系統(tǒng)中虛擬儀器也表現(xiàn)了它具有優(yōu)越性的一面。利用傳統(tǒng)儀器的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)原理如下圖所示： 傳統(tǒng)儀器檢測原理圖利用虛擬儀器思想建立的測試系統(tǒng)提高了測量精度和測量速度、減少了開關和電纜，系統(tǒng)易于擴充、易于修改，使得測試系統(tǒng)體積小、靈活方便、成本低、效率高，成為現(xiàn)代測試系統(tǒng)發(fā)展的主流。下圖為利用虛擬儀器的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)原理圖： 虛擬儀器檢測原理圖虛擬儀器軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關、指示燈及其它控制部件。用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板，檢驗儀器的通信和操作。在系統(tǒng)集成后，用戶不用編寫測試程序，即可進行測試、測量，實現(xiàn)了測試的自動化、智能化。虛擬儀器技術的優(yōu)勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活，因此應用領域十分廣闊。目前，國內(nèi)外有許多部門和公司都在積極地開展這些方面的研究和應用工作。比如，國內(nèi)許多大學都在嘗試將虛擬儀器應用到實驗教學和計算機輔助教學中，清華大學利用虛擬儀器技術構(gòu)建汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機出廠前的自動檢測。虛擬儀器已在超大規(guī)模集成電路測試、模擬電路/數(shù)字電路測試、現(xiàn)代家用電器測試以及航天、軍事、生物醫(yī)學、工廠測試、電工技術領域等的可移動式現(xiàn)場測試工作中得到應用，且應用領域還將不斷拓寬。 LabVIEW語言簡介LabVIEW的開發(fā)環(huán)境分為三部分：前面板、框圖程序和圖標/連接端口。前面板就是圖形化的用戶界面，用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量。在前面板中，輸入量被稱為控制，輸出量被稱為指示，它們通過各種圖標如按鈕、旋鈕、開關、圖表等出現(xiàn)在前面板上，模擬真實儀器。框圖程序由節(jié)點和數(shù)據(jù)連線組成，它利用圖形語言對前面板上的控制對象即輸入量和輸出量進行控制，節(jié)點用來實現(xiàn)函數(shù)和功能的調(diào)用，數(shù)據(jù)連線表示程序執(zhí)行過程的數(shù)據(jù)流，它定義了程序框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。圖標/連接端口用于把LabVIEW程序定義為一個子程序，從而實現(xiàn)模塊化編程，圖標是子程序在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點表現(xiàn)形式，連接端口則表示節(jié)點數(shù)據(jù)的輸入、輸出口。數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)可視化分析能力，提供豐富的儀器總線接口硬件驅(qū)動程序。LabVIEW具有三個可移動的圖形化工具模板：工具模板、控件模板和功能模板。工具模板提供了用于圖形操作的各種工具，比如定位、標注、斷點、連線、文字注釋等；控件模板提供了前面板編輯所需的圖像圖標、一些特殊的圖形；功能模板則提供了一些基本的數(shù)學函數(shù)和其他功能函數(shù)。這三個模板是LabVIEW編程的主要工具。LabVIEW是一種基于圖形編程語言（G語言）的開發(fā)環(huán)境。它與C、Basic等傳統(tǒng)語言有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及層次化、模塊化的編程特點等。但二者最大區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而LabVIEW使用圖形語言，以框圖的形式編寫程序。NI公司的LabVIEW是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達而設計的圖形化編程軟件。它增強了用戶在標準的計算機上配以高效經(jīng)濟的硬件設備來構(gòu)建儀器系統(tǒng)的能力。將LabVIEW與一般的數(shù)據(jù)采集以及儀器設備加以組合，就可以設計出虛擬儀器，并將其應用于許多領域。 溫室檢測系統(tǒng)總體方案本系統(tǒng)主要是在虛擬儀器的平臺上設計溫室環(huán)境自動檢測系統(tǒng)。其原理圖如下所示： 檢測系統(tǒng)原理圖首先，傳感器從溫室中采集信號，然后通過NI SCC68接線端子送到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡利用LabVIEW軟件編寫的數(shù)據(jù)采集程序?qū)?shù)據(jù)送入計算機，計算機通過虛擬儀器做的界面可以對采集回來的數(shù)據(jù)進行同步顯示，同時還可以對數(shù)據(jù)進行存儲，以便查看歷史記錄。第四章 檢測系統(tǒng)的硬件配置硬件系統(tǒng)是整個檢測系統(tǒng)的物理基礎，系統(tǒng)的硬件主要包括以下幾個部分[7]：計算機：是整個檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、控制決策中心。信號檢測部分：包括溫度傳感器、濕度傳感器、照度傳感器及二氧化碳濃度傳感器，它們負責采集溫室內(nèi)的實時數(shù)據(jù)（包括溫度、濕度、光照、二氧化碳等參數(shù)）并傳送給數(shù)據(jù)采集板。數(shù)據(jù)采集板部分：包括數(shù)據(jù)采集板及其配套設施，將采集到的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，傳送進入計算機，采集到的實時數(shù)據(jù)可以在計算機上進行顯示。 傳感器傳感器是一種測量裝置，它能感受或響應規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律將敏感元件轉(zhuǎn)換來的模擬信號轉(zhuǎn)換成可用于輸出，以滿足信息大的轉(zhuǎn)換、處理、存儲、記錄、顯示和控制等要求。傳感器的好壞直接影響采集數(shù)據(jù)的精確度，對檢測系統(tǒng)有直接的影響。對傳感器有如下要求[8]：⑴ 準確性。傳感器的輸出信號必須準確反應其輸入量，即被測量變化。因此，傳感器的輸出與輸入關系必須是嚴格的單值函數(shù)關系，且最好是線性關系，即只要被測量的變化對傳感器有作用，非被測量則沒有作用，真正做到這一點是困難的。一般要求非被測量對傳感器的影響很小，可以忽略不計。⑵ 穩(wěn)定性。即傳感器的輸入輸出的單值函數(shù)是不隨時間變化的，且受外界其他因素的干擾很小，工藝上還能準確地復現(xiàn)。⑶ 靈敏性。即要求較小的輸入量便可得到較大的輸出信號。由于條件有限，本設計只是在實驗室內(nèi)做的溫室環(huán)境自動檢測系統(tǒng)，所以沒有根據(jù)實際情況選擇適當?shù)膫鞲衅?，以下是傳感器的儀表選型。 溫度傳感器 本系統(tǒng)選用的是JWSL型熱電阻溫度傳感器，其感溫元件是靈敏度高、線性好的Pt100鉑電阻。鉑電阻具有電阻率高，在使用的溫度范圍內(nèi)其物理及化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點。主要技術指標如下：l 測量范圍：200~850℃l 測量精度：177。1℃l 工作電壓：12VDCl 輸出信號范圍：4~20mA 濕度傳感器本系統(tǒng)中濕度傳感器選用的是JWSL型高分子濕敏電容式傳感器，它具有線性好、精度高、響應時間快、使用溫度范圍寬、壽命長等優(yōu)點。其濕敏元件為HS15型高分子感濕探頭，可連續(xù)高濕使用，抗結(jié)露，常溫下使用不需要溫度補償。濕度傳感器的主要技術指標如下：l 測量范圍：20~100%RHl 測量精度：177。3%l 工作電壓：12VDCl 輸出信號范圍：4~20mAl 工作溫度：0℃~50℃ 照度傳感器 本系統(tǒng)選用的是ZD型照度傳感器，它采用對弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測器作為傳感器。具有測量范圍寬、線性度好、防水性能好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠等優(yōu)點，適用于各種場合，尤其適用于農(nóng)業(yè)大棚、城市照明等場所。它采用光敏探測器，將光照強度轉(zhuǎn)換為電流信號，再經(jīng)運算放大器轉(zhuǎn)換為標準信號輸出。主要技術指標如下：l 供電電壓：12VDCl 準確度：177。5%l 測量范圍：200~2000luxl 輸出形式：4~20mAl 操作環(huán)境溫度：0~40℃、0~70%RH 二氧化碳濃度傳感器目前常用的二氧化碳傳感器有兩種類型：，其優(yōu)點是精度高、工作穩(wěn)定可靠、使用方便，缺點是價格高；另一種是熱導池式，優(yōu)點是價格較低，缺點是需要經(jīng)常更換感受元件，定期用標準氣體標定傳感器，使用不方便，且可靠性與感受元件有關。因此，從精度、可靠性和使用方便等方面考慮，本系統(tǒng)選用芬蘭生產(chǎn)的GMW22型紅外二氧化碳氣敏傳感器。主要技術指標如下：l 測量范圍：0~2000ppml 使用溫度：5℃~45℃l 供電電壓：24VDCl 響應時間：＜60sl 預熱時間：＜5minl 輸出信號范圍：4~20mA 數(shù)據(jù)采集板 數(shù)據(jù)采集板也稱DAQ（Date Acquisition）,由數(shù)據(jù)采集器、存儲單元和控制邏輯等部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集器包括多路開關MUX、測量放大器AMP、數(shù)據(jù)保持器和A/D轉(zhuǎn)換器等，它負責將多個現(xiàn)場模擬信號采樣量化為數(shù)字信號，以便