ＬａｂＶＩＥＷ及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：為使水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)控制得更加精確，創(chuàng)造良好的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境，本文采用以LabVIEW為代表的虛擬儀器技術(shù)，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行了有益的探討。設(shè)計(jì)了水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)具體地監(jiān)測(cè)，及時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的變化，以便及時(shí)地采取相關(guān)措施使水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境處于最佳狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；水產(chǎn)養(yǎng)殖；環(huán)境監(jiān)測(cè)

1引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)不斷地被運(yùn)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，使得水產(chǎn)養(yǎng)殖的技術(shù)也日益提高。這為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件，極大地促進(jìn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。為保證水產(chǎn)養(yǎng)殖條件監(jiān)測(cè)控制得更加精確，創(chuàng)造良好的水池養(yǎng)殖環(huán)境，需對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和控制，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取措施處理，保持養(yǎng)殖水體的最佳狀況。這不僅能最大限度地維持水產(chǎn)養(yǎng)殖安全，而且還能保證養(yǎng)殖環(huán)境最佳，促進(jìn)魚(yú)類(lèi)等水產(chǎn)品的生長(zhǎng)，縮短養(yǎng)殖周期，提前上市時(shí)間，增加水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

要更好地對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需采取先進(jìn)技術(shù)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，以LabVIEW為代表的虛擬儀器技術(shù)正在朝著高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械、電子、航空航天、農(nóng)業(yè)工程等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，而在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

2虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器（Virtual Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)VI）的概念是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Crop，簡(jiǎn)稱(chēng)NI）在1986年提出的。虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通訊及圖形用戶(hù)界面的軟件組成的測(cè)控系統(tǒng)，是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)代計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，推動(dòng)測(cè)量?jī)x器和檢測(cè)系統(tǒng)朝著數(shù)字化、智能化、模塊化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[1]。

3LabVIEW語(yǔ)言

LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域中最具代表性的圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是目前國(guó)際上首推并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域，并適用于多種不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)。LabVIEW 采用強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言（G語(yǔ)言） 編程，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。利用LabVIEW強(qiáng)大的信號(hào)處理和數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，可以開(kāi)發(fā)出各種功能強(qiáng)大的虛擬儀器[2]。它是在通用計(jì)算機(jī)環(huán)境中，依托功能強(qiáng)大的處理單元和高速的數(shù)據(jù)總線，利用LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)，在顯示屏幕上構(gòu)建與真實(shí)儀器類(lèi)似的可視化軟面板，通過(guò)軟面板上虛擬控件控制低層硬件，用功能強(qiáng)大的軟件來(lái)完成信號(hào)的采集、實(shí)時(shí)或事后分析、顯示和存儲(chǔ)，并給出檢測(cè)結(jié)果。

4虛擬儀器技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

虛擬儀器是一種主要靠軟件實(shí)現(xiàn)控制的儀器，它緊跟計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是軟件技術(shù)和儀器技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶(hù)定義專(zhuān)用儀器系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，在科研開(kāi)發(fā)、測(cè)量監(jiān)測(cè)、計(jì)量測(cè)控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3]。

目前，LabVIEW在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用還很少涉及，但只要開(kāi)發(fā)出相關(guān)軟硬件系統(tǒng)，其在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會(huì)越來(lái)越廣。

4.1含氧量監(jiān)測(cè)

氧氣是各種水產(chǎn)品生長(zhǎng)繁殖必不可少的元素之一。養(yǎng)殖水池中水的含氧量對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的參量。要發(fā)展好水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，就必須對(duì)養(yǎng)殖水體的含氧量進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，這是發(fā)展好水產(chǎn)養(yǎng)殖的一個(gè)必要條件。

4.2水池水量監(jiān)測(cè)

養(yǎng)殖水池的水量是一個(gè)十分重要的參量，需要有適合的水量，合理的養(yǎng)殖密度才能取得較大的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用該系統(tǒng)可非常準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)水量。

4.3水池水溫監(jiān)測(cè)

每一種水產(chǎn)品的生長(zhǎng)都有一個(gè)最佳的溫度，為了讓水產(chǎn)品在最好的狀態(tài)下，快速生長(zhǎng)并上市就要對(duì)養(yǎng)殖水體的水溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以提供適宜各種不同的水產(chǎn)品生長(zhǎng)的水溫條件。

4.4水質(zhì)監(jiān)測(cè)

養(yǎng)殖水體水質(zhì)的好壞直接影響著水產(chǎn)品的質(zhì)量，為提高水產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，需要對(duì)水池的水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)，保證水產(chǎn)品在良好的水質(zhì)環(huán)境下生長(zhǎng)，生產(chǎn)消費(fèi)者信賴(lài)的“綠色水產(chǎn)品”。

此外，還可以對(duì)水中二氧化碳含量以及其它需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5基于虛擬儀器的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)

5.1虛擬儀器總體結(jié)構(gòu)

虛擬儀器系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出三大功能塊。具有性能高、靈活性、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少、無(wú)縫集成等優(yōu)勢(shì)[4]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)條件和要求，本文采用了信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集卡的方式。

系統(tǒng)主要由溫度傳感器、二氧化碳傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等主要部分組成。養(yǎng)殖池的各種環(huán)境條件通過(guò)傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成微弱電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理裝置放大、隔離、濾波后，輸入到插在PC機(jī)擴(kuò)展槽內(nèi)的數(shù)據(jù)采集板上，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析與監(jiān)測(cè)控制軟件是基于LabVIEW的開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的。軟件由參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析、控制輸出等模塊組成。運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕上的虛擬旋鈕和按鍵進(jìn)行操作。

圖1. 虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.1 The system structure of virtual instrumentation

5.2硬件構(gòu)成

虛擬儀器系統(tǒng)的硬件由數(shù)據(jù)采集板（DAQ）和信號(hào)調(diào)理部分為硬件來(lái)組成的PC—DAQ測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成。虛擬儀器的基本構(gòu)成框圖如圖2所示。基于PC—DAQ的虛擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于PC機(jī)性能、操作系統(tǒng)性能和應(yīng)用軟件性能以及數(shù)據(jù)采集板的速度、精度和可靠性等性能的不斷提高，以其較高的性能價(jià)格比、靈活性成為目前的測(cè)試系統(tǒng)中最為常用的一種方案。

圖2. 虛擬儀器的基本構(gòu)成框圖

Fig.2 The basic structure frame chart of virtual instrumentation

5.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)工具主要有NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI以及HP公司的VEE，還可以結(jié)合VC++、C/C++、VB等語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。LabVIEW是目前國(guó)際上唯一的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，由于流程圖式的程序設(shè)計(jì)與工程人員比較熟悉的數(shù)據(jù)流和方塊圖是一致的，加之流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，因此使用流程圖方法構(gòu)建和測(cè)試程序可節(jié)約80%的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，而速度幾乎不受影響[5]。

利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的水產(chǎn)養(yǎng)殖信息監(jiān)測(cè)與水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖池的總體環(huán)境，進(jìn)而實(shí)施基于適合水產(chǎn)品生長(zhǎng)生理需要條件的自動(dòng)采集，同時(shí)完成對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3. 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

Fig.3 The interface of the system of aquiculture environment examination

6結(jié)論

應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)， 能滿足監(jiān)測(cè)不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的要求。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)成本低、自動(dòng)化程度高、測(cè)試精度高、測(cè)試速度快、可靠性高、方便數(shù)據(jù)查看和統(tǒng)計(jì)的特點(diǎn)，能給水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)或個(gè)人企業(yè)提供服務(wù)，以達(dá)到及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)殖水體的調(diào)節(jié)之目的，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊世鳳，袁宏等. 虛擬儀器及其在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用. 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2007.8

[2] 荊學(xué)東等. 虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用. 陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào). 2007(4):128-131.

[3] 王京春，姜立標(biāo). 基于LabVIEW的車(chē)速信號(hào)采集與處理. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2004，32(4):102-104.

[4] U.S. National Instruments Inc. [M]. Measurement and Automation Catalogue . U.S.A， 2000.

[5] 王文. 基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集檢測(cè)處理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn). [碩士學(xué)位論文] 西北工業(yè)大學(xué)，2007.3.