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

摘 要：為使水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測控制得更加精確，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)，對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測進行了有益的探討。設(shè)計了水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測的硬件系統(tǒng)，開發(fā)了水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測軟件，對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境進行實時具體地監(jiān)測，及時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的變化，以便及時地采取相關(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

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)測控制得更加精確，創(chuàng)造良好的水池養(yǎng)殖環(huán)境，需對養(yǎng)殖環(huán)境進行實時準(zhǔn)確地監(jiān)測和控制，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施處理，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，促進魚類等水產(chǎn)品的生長，縮短養(yǎng)殖周期，提前上市時間，增加水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟效益。

要更好地對養(yǎng)殖環(huán)境進行監(jiān)測，需采取先進技術(shù)。近年來，隨著計算機技術(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)測方面的應(yīng)用還有待進一步開發(fā)。

2虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器（Virtual Instruments，簡稱VI）的概念是美國國家儀器公司（National Instruments Crop，簡稱NI）在1986年提出的。虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)代計算機輔助測試（CAT）領(lǐng)域的一項重要技術(shù)，推動測量儀器和檢測系統(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語言

LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域中最具代表性的圖形化編程開發(fā)平臺，是目前國際上首推并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(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。LabVIEW 采用強大的圖形化語言（G語言） 編程，人機交互界面直觀友好，具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點。利用LabVIEW強大的信號處理和數(shù)學(xué)運算能力，可以開發(fā)出各種功能強大的虛擬儀器[2]。它是在通用計算機環(huán)境中，依托功能強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，在顯示屏幕上構(gòu)建與真實儀器類似的可視化軟面板，通過軟面板上虛擬控件控制低層硬件，用功能強大的軟件來完成信號的采集、實時或事后分析、顯示和存儲，并給出檢測結(jié)果。

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

虛擬儀器是一種主要靠軟件實現(xiàn)控制的儀器，它緊跟計算機技術(shù)特別是軟件技術(shù)和儀器技術(shù)的進步而發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義專用儀器系統(tǒng)，功能強大，在科研開發(fā)、測量監(jiān)測、計量測控等領(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)測中的應(yīng)用還很少涉及，但只要開發(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)用前景將會越來越廣。

4.1含氧量監(jiān)測

氧氣是各種水產(chǎn)品生長繁殖必不可少的元素之一。養(yǎng)殖水池中水的含氧量對水產(chǎn)養(yǎng)殖來說是一個非常重要的參量。要發(fā)展好水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，就必須對養(yǎng)殖水體的含氧量進行適時監(jiān)測和控制，這是發(fā)展好水產(chǎn)養(yǎng)殖的一個必要條件。

4.2水池水量監(jiān)測

養(yǎng)殖水池的水量是一個十分重要的參量，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)濟效益，應(yīng)用該系統(tǒng)可非常準(zhǔn)確的監(jiān)測水量。

4.3水池水溫監(jiān)測

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

4.4水質(zhì)監(jiān)測

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，需要對水池的水質(zhì)進行嚴(yán)格的監(jiān)測，保證水產(chǎn)品在良好的水質(zhì)環(huán)境下生長，生產(chǎn)消費者信賴的“綠色水產(chǎn)品”。

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

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

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)果表達與輸出三大功能塊。具有性能高、靈活性、擴展性強、開發(fā)時間少、無縫集成等優(yōu)勢[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)境條件通過傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成微弱電信號，經(jīng)信號調(diào)理裝置放大、隔離、濾波后，輸入到插在PC機擴展槽內(nèi)的數(shù)據(jù)采集板上，最后通過計算機測控系統(tǒng)軟件進行處理。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析與監(jiān)測控制軟件是基于LabVIEW的開發(fā)平臺開發(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。運行過程中可通過計算機屏幕上的虛擬旋鈕和按鍵進行操作。

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）和信號調(diào)理部分為硬件來組成的PC—DAQ測試系統(tǒng)構(gòu)成。虛擬儀器的基本構(gòu)成框圖如圖2所示?；赑C—DAQ的虛擬監(jiān)測系統(tǒng)，由于PC機性能、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，以其較高的性能價格比、靈活性成為目前的測試系統(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

虛擬儀器的軟件開發(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等語言進行編寫。LabVIEW是目前國際上唯一的基于數(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)計語言的語法細節(jié)無關(guān)，因此使用流程圖方法構(gòu)建和測試程序可節(jié)約80%的程序開發(fā)時間，而速度幾乎不受影響[5]。

利用LabVIEW開發(fā)的水產(chǎn)養(yǎng)殖信息監(jiān)測與水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用傳感器、計算機技術(shù)和檢測技術(shù)來監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖池的總體環(huán)境，進而實施基于適合水產(chǎn)品生長生理需要條件的自動采集，同時完成對植物生長環(huán)境的監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3. 水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(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)進行水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測， 能滿足監(jiān)測不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的要求。本監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測成本低、自動化程度高、測試精度高、測試速度快、可靠性高、方便數(shù)據(jù)查看和統(tǒng)計的特點，能給水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)或個人企業(yè)提供服務(wù)，以達到及時進行養(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

[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. 中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會論文集.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. 2007(4):128-131.

[3] 王京春，姜立標(biāo). 基于LabVIEW的車速信號采集與處理. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報.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)采集檢測處理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn). [碩士學(xué)位論文] 西北工業(yè)大學(xué)，2007.3.