虛擬儀器在農(nóng)業(yè)測(cè)控技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

杜永鑫

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

農(nóng)業(yè)工程測(cè)控技術(shù)，主要是基于虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中環(huán)境信息、作物生長(zhǎng)信息、土壤信息等的在線監(jiān)測(cè)與調(diào)控[1-2]。虛擬儀器技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)機(jī)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信，執(zhí)行數(shù)據(jù)測(cè)試、分析和儲(chǔ)存等功能，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必要條件與技術(shù)支撐[3-5]。

虛擬儀器是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試儀器的重大改革，結(jié)合相關(guān)硬件系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，是目前國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)與關(guān)注熱點(diǎn)之一。虛擬儀器技術(shù)是將測(cè)試技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)相互結(jié)合，用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與測(cè)試，保證生產(chǎn)高效發(fā)展。

本研究首先系統(tǒng)分析了虛擬儀器的相關(guān)概念及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，闡述了虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景。研究結(jié)果旨在為提升農(nóng)業(yè)工程測(cè)控技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用和推廣提供技術(shù)參考與支撐。

1 虛擬儀器概念與組成

1.1 概念與特點(diǎn)

虛擬儀器技術(shù)是集測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)結(jié)合的新型技術(shù)之一，代表了現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)與儀器技術(shù)的主要發(fā)展方向。虛擬儀器技術(shù)主要是指用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)平臺(tái)，根據(jù)自己需求設(shè)計(jì)相關(guān)儀器設(shè)備的測(cè)控功能，保證測(cè)控技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中更加高效、便捷，虛擬儀器技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)控技術(shù)的主要區(qū)別如表1所示。目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療器械和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[6]。

表1 虛擬儀器技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)控技術(shù)的區(qū)別

1.2 組成與分類

虛擬儀器組成一般包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、硬件系統(tǒng)和專用軟件等，其關(guān)鍵組成要素及配合關(guān)系如圖1所示。計(jì)算機(jī)主機(jī)一般為個(gè)人計(jì)算機(jī)主機(jī)和計(jì)算機(jī)工作站；硬件組成部分主要包括與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連接的硬件系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)主機(jī)為核心，完成數(shù)據(jù)處理和分析結(jié)果顯示。軟件部分是虛擬儀器的核心，通過(guò)不同測(cè)控目標(biāo)與功能完成軟件程序的設(shè)置與編寫(xiě)。

圖1 虛擬儀器基本組成

2 虛擬儀器在農(nóng)業(yè)工程測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用

2.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境測(cè)控與檢測(cè)

采用虛擬儀器技術(shù)可以對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)高精度傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存與分析，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控功能。最早由美國(guó)在20世紀(jì)末期開(kāi)發(fā)了農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理器組成，通過(guò)對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)土壤溫濕度進(jìn)行監(jiān)控，傳感器與水泵以星型結(jié)構(gòu)連接，農(nóng)業(yè)操作者可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控自動(dòng)控制田間的灌溉時(shí)間、灌溉量。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制灌溉，有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。后期，對(duì)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，將虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，開(kāi)發(fā)了多種農(nóng)業(yè)需水灌溉模型、農(nóng)作物需水自動(dòng)檢測(cè)和灌溉系統(tǒng)可視化技術(shù)等，可以通過(guò)各項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)農(nóng)作物植株受水分脅迫情況，進(jìn)而實(shí)施合理灌溉。

2.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械測(cè)控

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境具有復(fù)雜性、變化性等特點(diǎn)，將虛擬儀器應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)中，可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械工作效率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。將傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能技術(shù)等應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)田間農(nóng)業(yè)機(jī)械的速度、制動(dòng)性能、轉(zhuǎn)速等技術(shù)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試。以谷物聯(lián)合收獲機(jī)為例，相關(guān)研究人員基于CAN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)速度、收獲效率和故障診斷等智能控制系統(tǒng)的監(jiān)控，可以在谷物收獲機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)收獲機(jī)喂入量、損失量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，操作人員可以根據(jù)谷物收獲機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。后期，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的逐漸發(fā)展，研發(fā)出谷物收獲機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)，為智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

2.3 農(nóng)產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)物料檢測(cè)

相關(guān)研究人員基于LabVIEW/CVI和計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)開(kāi)發(fā)了農(nóng)業(yè)物料分級(jí)清選系統(tǒng)，可以通過(guò)圖像實(shí)時(shí)采集與分析，實(shí)現(xiàn)不同物料等級(jí)劃分。如浙江大學(xué)基于虛擬儀器技術(shù)完成水果碰撞特性分析(圖2)，可以檢測(cè)水果品質(zhì)和碰撞擦傷進(jìn)行水果分級(jí)[7-8]。

圖2 水果碰撞特性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 發(fā)展趨勢(shì)

虛擬儀器技術(shù)是一種涉及多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的綜合技術(shù)之一，目前，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、電子信息技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、工業(yè)控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有較好的應(yīng)用前景。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程和農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展，應(yīng)該加強(qiáng)虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)測(cè)控技術(shù)中的應(yīng)用，為提高農(nóng)業(yè)測(cè)控技術(shù)測(cè)控效率與精度，應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行深入研究。未來(lái)應(yīng)該加強(qiáng)高精度傳感器及可視化技術(shù)的深入研究，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控可視化，環(huán)境信息通過(guò)對(duì)熱力傳感器和天氣數(shù)據(jù)的整合，實(shí)時(shí)向管理人員呈現(xiàn)當(dāng)前農(nóng)田的環(huán)境狀態(tài)，以便決定是否需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，支持整合農(nóng)田的農(nóng)作物產(chǎn)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)農(nóng)田的不同作物產(chǎn)量、上市時(shí)間、種植周期等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行展示。通過(guò)可視化分析圖表，可對(duì)農(nóng)戶、農(nóng)田、農(nóng)資、農(nóng)具等要素進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。支持對(duì)重點(diǎn)農(nóng)作物進(jìn)行重點(diǎn)高亮顯示，輔助管理者綜合掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，為農(nóng)業(yè)資源調(diào)配及災(zāi)害防治方案調(diào)整提供決策依據(jù)。

另一方面，針對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平不足，農(nóng)業(yè)管理、生產(chǎn)效率低的情況，建議引用物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控技術(shù)。環(huán)境監(jiān)控技術(shù)是基于無(wú)線傳感技術(shù)、GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)及GPS地理信息技術(shù)研發(fā)的，可以顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的精細(xì)化管理。例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，環(huán)境測(cè)控設(shè)備可以通過(guò)無(wú)線傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中的溫度、濕度等影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，農(nóng)業(yè)管理者只需要通過(guò)云端后臺(tái)就可以實(shí)時(shí)可視化地了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各項(xiàng)參數(shù)，當(dāng)種植環(huán)境出現(xiàn)異常變化，影響到農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)時(shí)，環(huán)境測(cè)控設(shè)備會(huì)立即啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，通知農(nóng)戶及時(shí)調(diào)整農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

虛擬儀器作為農(nóng)業(yè)測(cè)控技術(shù)的主要技術(shù)之一，是傳統(tǒng)測(cè)控儀器的改革與創(chuàng)新，具有強(qiáng)大的靈活性、可擴(kuò)展性等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景與發(fā)展意義。但是，目前我國(guó)農(nóng)業(yè)測(cè)控技術(shù)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家差距較遠(yuǎn)，農(nóng)業(yè)管理者與科研人員應(yīng)充分汲取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，充分提高我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進(jìn)程。

本研究分析了虛擬儀器的相關(guān)概念及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，闡述了農(nóng)業(yè)工程測(cè)控技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，未來(lái)我國(guó)應(yīng)該加強(qiáng)虛擬儀器技術(shù)的研究、推廣與應(yīng)用，結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與測(cè)控精度。研究結(jié)果旨在為提升農(nóng)業(yè)工程測(cè)控技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用和推廣提供技術(shù)參考與支撐。

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