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LabVIEW及其在水产养殖环境监测中的应用

摘 要:为使水产养殖环境监测控制得更加精确,创造良好的水产养殖环境,本文采用以LabVIEW为代表的虚拟仪器技术,对水产养殖环境监测进行了有益的探讨。设计了水产养殖监测的硬件系统,开发了水产养殖环境监测软件,对水产养殖环境进行实时具体地监测,及时监测环境参数的变化,以便及时地采取相关措施使水产养殖环境处于最佳状态。 
   
  1引言 
   
  随着科学技术的发展,各种技术不断地被运用到水产养殖业中,使得水产养殖的技术也日益提高。这为水产养殖业的发展创造了良好的条件,极大地促进了水产养殖业的发展。为保证水产养殖条件监测控制得更加精确,创造良好的水池养殖环境,需对养殖环境进行实时准确地监测和控制,以便及时发现问题并采取措施处理,保持养殖水体的最佳状况。这不仅能最大限度地维持水产养殖安全,而且还能保证养殖环境最佳,促进鱼类等水产品的生长,缩短养殖周期,提前上市时间,增加水产养殖业的经济效益。 
  要更好地对养殖环境进行监测,需采取先进技术。近年来,随着计算机技术发展,以LabVIEW为代表的虚拟仪器技术正在朝着高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。虚拟仪器技术已经在机械、电子、航空航天、农业工程等领域有了广泛的应用,而在水产养殖环境监测方面的应用还有待进一步开发。 
   
  2虚拟仪器技术 
   
  虚拟仪器(Virtual Instruments,简称VI)的概念是美国国家仪器公司(National Instruments Crop,简称NI)在1986年提出的。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统,是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟仪器技术是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物,是当代计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术,推动测量仪器和检测系统朝着数字化、智能化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展[1]。 
   
  3LabVIEW语言 
   
  LabVIEW是虚拟仪器领域中最具代表性的图形化编程开发平台,是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一,主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域,并适用于多种不同的操作系统平台。LabVIEW 采用强大的图形化语言(G语言) 编程,人机交互界面直观友好,具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。利用LabVIEW强大的信号处理和数学运算能力,可以开发出各种功能强大的虚拟仪器[2]。它是在通用计算机环境中,依托功能强大的处理单元和高速的数据总线,利用LabVIEW虚拟仪器软件平台,在显示屏幕上构建与真实仪器类似的可视化软面板,通过软面板上虚拟控件控制低层硬件,用功能强大的软件来完成信号的采集、实时或事后分析、显示和存储,并给出检测结果。 
   
  4虚拟仪器技术在水产养殖环境监测中的应用 
   
  虚拟仪器是一种主要靠软件实现控制的仪器,它紧跟计算机技术特别是软件技术和仪器技术的进步而发展。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义专用仪器系统,功能强大,在科研开发、测量监测、计量测控等领域有着广泛的应用[3]。 
  目前,LabVIEW在水产养殖环境监测中的应用还很少涉及,但只要开发出相关软硬件系统,其在水产养殖领域的应用前景将会越来越广。 
  4.1含氧量监测 
  氧气是各种水产品生长繁殖必不可少的元素之一。养殖水池中水的含氧量对水产养殖来说是一个非常重要的参量。要发展好水产养殖业,就必须对养殖水体的含氧量进行适时监测和控制,这是发展好水产养殖的一个必要条件。 
  4.2水池水量监测 
  养殖水池的水量是一个十分重要的参量,需要有适合的水量,合理的养殖密度才能取得较大的经济效益,应用该系统可非常准确的监测水量。 
  4.3水池水温监测 
  每一种水产品的生长都有一个最佳的温度,为了让水产品在最好的状态下,快速生长并上市就要对养殖水体的水温进行监测,以提供适宜各种不同的水产品生长的水温条件。 
  4.4水质监测 
  养殖水体水质的好坏直接影响着水产品的质量,为提高水产品的质量和档次,需要对水池的水质进行严格的监测,保证水产品在良好的水质环境下生长,生产消费者信赖的“绿色水产品”。 
  此外,还可以对水中二氧化碳含量以及其它需要监测的参数进行监测。 
   
  5基于虚拟仪器的水产养殖环境监测系统的构成和设计 
   
  5.1虚拟仪器总体结构 
  虚拟仪器系统包含数据采集、数据分析与处理、结果表达与输出三大功能块。具有性能高、灵活性、扩展性强、开发时间少、无缝集成等优势[4]。其系统结构如图1所示。根据条件和要求,本文采用了信号调理和数据采集卡的方式。 
  系统主要由温度传感器、二氧化碳传感器、数据采集卡等主要部分组成。养殖池的各种环境条件通过传感器检测并转换成微弱电信号,经信号调理装置放大、隔离、滤波后,输入到插在PC机扩展槽内的数据采集板上,最后通过计算机测控系统软件进行处理。系统的数据采集、分析与监测控制软件是基于LabVIEW的开发平台开发的。软件由参数设定、数据采集、状态监视、数据分析、控制输出等模块组成。运行过程中可通过计算机屏幕上的虚拟旋钮和按键进行操作。 
   
  图1. 虚拟仪器系统结构 
  Fig.1 The system structure of virtual instrumentation 
   
  5.2硬件构成 
  虚拟仪器系统的硬件由数据采集板(DAQ)和信号调理部分为硬件来组成的PC—DAQ测试系统构成。虚拟仪器的基本构成框图如图2所示。基于PC—DAQ的虚拟监测系统,由于PC机性能、操作系统性能和应用软件性能以及数据采集板的速度、精度和可靠性等性能的不断提高,以其较高的性能价格比、灵活性成为目前的测试系统中最为常用的一种方案。 
   
  图2. 虚拟仪器的基本构成框图 
  Fig.2 The basic structure frame chart of virtual instrumentation 
   
  5.3系统软件设计 
  虚拟仪器的软件开发工具主要有NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI以及HP公司的VEE,还可以结合VC++、C/C++、VB等语言进行编写。LabVIEW是目前国际上唯一的基于数据流的编译型图形编程环境,由于流程图式的程序设计与工程人员比较熟悉的数据流和方块图是一致的,加之流程图与传统程序设计语言的语法细节无关,因此使用流程图方法构建和测试程序可节约80%的程序开发时间,而速度几乎不受影响[5]。 
  利用LabVIEW开发的水产养殖信息监测与水产养殖环境数据采集系统利用传感器、计算机技术和检测技术来监测水产养殖池的总体环境,进而实施基于适合水产品生长生理需要条件的自动采集,同时完成对植物生长环境的监测。监测系统界面如图3所示。 
   
  图3. 水产养殖环境监测系统界面 
  Fig.3 The interface of the system of aquiculture environment examination 
   
  6结论 
   
  应用本系统进行水产养殖环境监测, 能满足监测不同的水产养殖环境的要求。本监测系统具有监测成本低、自动化程度高、测试精度高、测试速度快、可靠性高、方便数据查看和统计的特点,能给水产养殖企业或个人企业提供服务,以达到及时进行养殖水体的调节之目的,具有很好的发展和应用前景。 
   
  参考文献 
  [1] 杨世凤,袁宏等. 虚拟仪器及其在农业工程中的应用. 中国农业工程学会2007年学术年会论文集.2007.8 
  [2] 荆学东等. 虚拟仪器技术及其应用. 陕西科技大学学报. 2007(4):128-131. 
  [3] 王京春,姜立标. 基于LabVIEW的车速信号采集与处理. 东北林业大学学报.2004,32(4):102-104. 
  [4] U.S. National Instruments Inc. [M]. Measurement and Automation Catalogue . U.S.A, 2000. 
  [5] 王文. 基于虚拟仪器的数据采集检测处理系统的研究与实现. [硕士学位论文] 西北工业大学,2007.3. 

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