LabVIEW平台在植物生长环境监测系统设计的应用

苏州大学机电工程学院 管 理

针对植物生长环境的复杂性，结合植物生长特性，本文基于LabVIEW平台建立了植物生长环境检测系统。该系统对于提高单位面积的耕地作物产物、实行立体式的种植以及利用家庭庭院、室内种植等具有重要指导意义。

随着人民生活水平的提高，人们越来越注重蔬菜瓜果的品质。一方面是工业化和城市化所导致的耕地面积减少，一方面又要保障菜篮子安全，让人民吃上“放心菜”，这一全球粮食问题要求我们突破传统的种植方式。目前，植物的栽培主要依赖于人工，针对此问题本研究在植物工厂概念的基础上，设计出一套植物生长环境监测系统，实现了植物工厂的自动控制。

1 植物工厂影响因子分析

植物工厂采用封闭式的立体结构对植株进行栽培，不同的环境因素对植物生长的影响差别很大，下面对植物工厂中的环境因素进行分析。

（1）温度对植物的影响

温度对植物的生长有着至关重要的作用，植物的光合作用和呼吸作用要求温度在合适的范围内才能达到最大生长效率。一般植物生长的最适温度为20-30℃。

（2）湿度对植物的影响

植物工厂内的湿度影响植物的蒸腾作用，空气中的相对湿度过大，则会引起植物病害的发生。一般空气相对湿度在20%到50%时能使植物长势良好。

（3）对植物的影响

作为光合作用的原料，能提高光合作用的效率。空气中的含量过高，会抑制光合作用，使植物“窒息”停止光合作用。一般植物进行正常生理活动的为1000ppm。

（4）光照强度对植物的影响

光照强度影响着植物生长速度及生长形态，植物的光合作用随着光照强度的升高而增强，合理调控光照强度的大小，光照周期对植物生长具有重要意义。

（5）营养液对植物的影响

营养液直接影响植物生长的质量，合理的营养液温度、最优的酸碱度配比是植物生长的基础。对于植物在生长过程中出现长势弱化的现象，可以通过对营养液中某一元素的调整来改变植物的生长趋势。

2 植物工厂系统设计

2.1 控制系统功能设计

如图1所示，植物工厂系统由控制器、传感器、人机交互模块、电源模块、输出执行机构组成。传感器模块能够对植物工厂内的环境进行检测，通过变送器将信号转化为标准信号送控制器处理。通过控制器的分析决策，对输出模块进行调节，使环境因素达到植物生长的最优状态，实现对种植环境的自动化管理并通过WiFi模块接入云平台，基于Labview编程搭建一套对植物工厂的远程监测系统。

图1 系统功能图

2.2 控制系统算法分析

模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，就能简单的设计出系统的控制方式。在植物工厂系统中，环境参数的时变性和复杂性使得其模型很难建立，应用模糊控制可以方便的对系统进行控制。如图2所示，本系统把温度、湿度、光照强度、营养液浓度作为模糊控制的输入端，将浓度作为输出，实现对浓度的精准控制。

图2 模糊控制原理图

2.3 控制系统工作方式

控制器的采样周期为10s，采用卡尔曼滤波对采样数据进行处理，再根据模糊控制模型对植物工厂内的输出执行机构进行调控。

补光模块采用RGBW多色光LED光源实现可控光谱的补光方案，通过控制多色LED灯珠的红绿蓝白单元的驱动电流，在植物生长的不同阶段调整补光光谱，促进植物生长或结果，提高单位产量。

灌溉控制器控制水分的失散，使土壤水分含量保持在合适有效范围内，农作物的灌溉水量由植物蒸发散量和土壤水分散发量所决定。根据不同生长周期植物的需求量和特定的生长环境因素，在不同时段内设置土壤水分张力的上限和下限，当土壤处于张力下限时，控制器控制水泵出水，从而实现定量不定时灌溉管理。

3 基于LABVIEW的上位机系统

通过对植物生长发育的深入研究，在实验室中模拟出了一个小型的植物生长系统，图3为电脑端软件设计。本系统采用LabVIEW软件设计和数据采集卡的硬件设计相结合，搭建了植物生长环境测量系统。

图3 电脑端软件设计

总结与展望：本文基于Labview设计了一套植物工厂的检测系统，对于植物工厂智能控制，实现植物工厂普及具有重要意义。在控制方式上选择模糊控制，智能化程度不高，可以引入神经网络对系统进行控制，提高系统稳定性；同时，可以建立植物数据库，对缺乏农业知识的使用者提供便利。