杜永鑫

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

農(nóng)業(yè)工程測控技術，主要是基于虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中環(huán)境信息、作物生長信息、土壤信息等的在線監(jiān)測與調控[1-2]。虛擬儀器技術集成了計算機技術、電子信息技術、無線通信技術和網(wǎng)絡技術等，能實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)機設備的網(wǎng)絡通信，執(zhí)行數(shù)據(jù)測試、分析和儲存等功能，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必要條件與技術支撐[3-5]。

虛擬儀器是對傳統(tǒng)測試儀器的重大改革，結合相關硬件系統(tǒng)，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，是目前國內(nèi)外農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術與關注熱點之一。虛擬儀器技術是將測試技術、監(jiān)控技術與計算機科學技術相互結合，用戶可以通過計算機平臺實現(xiàn)遠程監(jiān)控與測試，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概念及應用優(yōu)勢，闡述了虛擬儀器技術在農(nóng)業(yè)工程測控技術的應用現(xiàn)狀與發(fā)展前景。研究結果旨在為提升農(nóng)業(yè)工程測控技術在農(nóng)業(yè)工程中的應用和推廣提供技術參考與支撐。

1 虛擬儀器概念與組成

1.1 概念與特點

虛擬儀器技術是集測試技術與計算機科學技術結合的新型技術之一，代表了現(xiàn)代測控技術與儀器技術的主要發(fā)展方向。虛擬儀器技術主要是指用戶可以通過計算機平臺，根據(jù)自己需求設計相關儀器設備的測控功能，保證測控技術在實際生產(chǎn)中更加高效、便捷，虛擬儀器技術與傳統(tǒng)測控技術的主要區(qū)別如表1所示。目前，已經(jīng)廣泛應用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療器械和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[6]。

表1 虛擬儀器技術與傳統(tǒng)測控技術的區(qū)別

1.2 組成與分類

虛擬儀器組成一般包括計算機主機、硬件系統(tǒng)和專用軟件等，其關鍵組成要素及配合關系如圖1所示。計算機主機一般為個人計算機主機和計算機工作站；硬件組成部分主要包括與計算機主機相連接的硬件系統(tǒng)，以計算機主機為核心，完成數(shù)據(jù)處理和分析結果顯示。軟件部分是虛擬儀器的核心，通過不同測控目標與功能完成軟件程序的設置與編寫。

圖1 虛擬儀器基本組成

2 虛擬儀器在農(nóng)業(yè)工程測控技術的應用

2.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境測控與檢測

采用虛擬儀器技術可以對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中各項數(shù)據(jù)通過高精度傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儲存與分析，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控功能。最早由美國在20世紀末期開發(fā)了農(nóng)業(yè)自動灌溉系統(tǒng)，主要由計算機和現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理器組成，通過對農(nóng)田生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)土壤溫濕度進行監(jiān)控，傳感器與水泵以星型結構連接，農(nóng)業(yè)操作者可以通過遠程監(jiān)控自動控制田間的灌溉時間、灌溉量。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境信息遠程監(jiān)控和控制灌溉，有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。后期，對農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進行了深入研究，將虛擬儀器和網(wǎng)絡技術引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，開發(fā)了多種農(nóng)業(yè)需水灌溉模型、農(nóng)作物需水自動檢測和灌溉系統(tǒng)可視化技術等，可以通過各項技術檢測農(nóng)作物植株受水分脅迫情況，進而實施合理灌溉。

2.2 農(nóng)業(yè)機械測控

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境具有復雜性、變化性等特點，將虛擬儀器應用到農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)中，可以提高農(nóng)業(yè)機械工作效率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。將傳感器、計算機、人工智能技術等應用到農(nóng)業(yè)機械中，可以實現(xiàn)對田間農(nóng)業(yè)機械的速度、制動性能、轉速等技術參數(shù)的自動測試。以谷物聯(lián)合收獲機為例，相關研究人員基于CAN總線實現(xiàn)對聯(lián)合收獲機作業(yè)速度、收獲效率和故障診斷等智能控制系統(tǒng)的監(jiān)控，可以在谷物收獲機運行過程中，對收獲機喂入量、損失量等參數(shù)進行監(jiān)控，操作人員可以根據(jù)谷物收獲機運行狀態(tài)實現(xiàn)各項參數(shù)的實時調整。后期，隨著計算機視覺技術和衛(wèi)星導航技術的逐漸發(fā)展，研發(fā)出谷物收獲機輔助駕駛系統(tǒng)，為智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術支撐。

2.3 農(nóng)產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)物料檢測

相關研究人員基于LabVIEW/CVI和計算機視覺識別技術開發(fā)了農(nóng)業(yè)物料分級清選系統(tǒng)，可以通過圖像實時采集與分析，實現(xiàn)不同物料等級劃分。如浙江大學基于虛擬儀器技術完成水果碰撞特性分析(圖2)，可以檢測水果品質和碰撞擦傷進行水果分級[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

虛擬儀器技術是一種涉及多個學科和領域的綜合技術之一，目前，在計算機技術、無線通信技術、電子信息技術、遠程監(jiān)控、工業(yè)控制等方面得到了廣泛的應用與發(fā)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有較好的應用前景。為了實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程和農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展，應該加強虛擬儀器技術在農(nóng)業(yè)測控技術中的應用，為提高農(nóng)業(yè)測控技術測控效率與精度，應該進一步對虛擬儀器技術進行深入研究。未來應該加強高精度傳感器及可視化技術的深入研究，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控可視化，環(huán)境信息通過對熱力傳感器和天氣數(shù)據(jù)的整合，實時向管理人員呈現(xiàn)當前農(nóng)田的環(huán)境狀態(tài)，以便決定是否需要對環(huán)境進行調節(jié)，支持整合農(nóng)田的農(nóng)作物產(chǎn)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對農(nóng)田的不同作物產(chǎn)量、上市時間、種植周期等關鍵指標進行展示。通過可視化分析圖表，可對農(nóng)戶、農(nóng)田、農(nóng)資、農(nóng)具等要素進行可視化呈現(xiàn)。支持對重點農(nóng)作物進行重點高亮顯示，輔助管理者綜合掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，為農(nóng)業(yè)資源調配及災害防治方案調整提供決策依據(jù)。

另一方面，針對農(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。環(huán)境監(jiān)控技術是基于無線傳感技術、GPRS無線傳輸技術及GPS地理信息技術研發(fā)的，可以顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的精細化管理。例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，環(huán)境測控設備可以通過無線傳感器對農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中的溫度、濕度等影響農(nóng)作物生長的重要環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控，農(nóng)業(yè)管理者只需要通過云端后臺就可以實時可視化地了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各項參數(shù)，當種植環(huán)境出現(xiàn)異常變化，影響到農(nóng)作物的正常生長時，環(huán)境測控設備會立即啟動報警系統(tǒng)，通知農(nóng)戶及時調整農(nóng)作物生長環(huán)境，為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術支撐。

4 結論

虛擬儀器作為農(nóng)業(yè)測控技術的主要技術之一，是傳統(tǒng)測控儀器的改革與創(chuàng)新，具有強大的靈活性、可擴展性等應用優(yōu)勢，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應用前景與發(fā)展意義。但是，目前我國農(nóng)業(yè)測控技術與國外發(fā)達國家差距較遠，農(nóng)業(yè)管理者與科研人員應充分汲取國內(nèi)外先進技術，充分提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進程。

本研究分析了虛擬儀器的相關概念及應用優(yōu)勢，闡述了農(nóng)業(yè)工程測控技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，未來我國應該加強虛擬儀器技術的研究、推廣與應用，結合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與測控精度。研究結果旨在為提升農(nóng)業(yè)工程測控技術在農(nóng)業(yè)工程中的應用和推廣提供技術參考與支撐。

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