虛擬儀器在農業測控技術應用實例分析

杜永鑫

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

農業工程測控技術，主要是基于虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)實現對農業生產活動中環境信息、作物生長信息、土壤信息等的在線監測與調控[1-2]。虛擬儀器技術集成了計算機技術、電子信息技術、無線通信技術和網絡技術等，能實現互聯網與農機設備的網絡通信，執行數據測試、分析和儲存等功能，是實現農業現代化發展的必要條件與技術支撐[3-5]。

虛擬儀器是對傳統測試儀器的重大改革，結合相關硬件系統，具有強大的數據處理能力，是目前國內外農業發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遠程監控與測試，保證生產高效發展。

本研究首先系統分析了虛擬儀器的相關概念及應用優勢，闡述了虛擬儀器技術在農業工程測控技術的應用現狀與發展前景。研究結果旨在為提升農業工程測控技術在農業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，代表了現代測控技術與儀器技術的主要發展方向。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中更加高效、便捷，虛擬儀器技術與傳統測控技術的主要區別如表1所示。目前，已經廣泛應用于航空航天、工業生產、醫療器械和農業生產中[6]。

表1 虛擬儀器技術與傳統測控技術的區別

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，以計算機主機為核心，完成數據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 虛擬儀器在農業工程測控技術的應用

2.1 農業生產環境測控與檢測

采用虛擬儀器技術可以對農業生產環境中各項數據通過高精度傳感器實現數據采集、儲存與分析，從而實現農業生產環境的監控功能。最早由美國在20世紀末期開發了農業自動灌溉系統，主要由計算機和現場數據處理器組成，通過對農田生產區域內土壤溫濕度進行監控，傳感器與水泵以星型結構連接，農業操作者可以通過遠程監控自動控制田間的灌溉時間、灌溉量。該系統可以實現農田環境信息遠程監控和控制灌溉，有效降低農業生產成本。后期，對農田環境監控系統進行了深入研究，將虛擬儀器和網絡技術引入農業生產中，開發了多種農業需水灌溉模型、農作物需水自動檢測和灌溉系統可視化技術等，可以通過各項技術檢測農作物植株受水分脅迫情況，進而實施合理灌溉。

2.2 農業機械測控

農業生產環境具有復雜性、變化性等特點，將虛擬儀器應用到農業機械生產中，可以提高農業機械工作效率和農業生產水平。將傳感器、計算機、人工智能技術等應用到農業機械中，可以實現對田間農業機械的速度、制動性能、轉速等技術參數的自動測試。以谷物聯合收獲機為例，相關研究人員基于CAN總線實現對聯合收獲機作業速度、收獲效率和故障診斷等智能控制系統的監控，可以在谷物收獲機運行過程中，對收獲機喂入量、損失量等參數進行監控，操作人員可以根據谷物收獲機運行狀態實現各項參數的實時調整。后期，隨著計算機視覺技術和衛星導航技術的逐漸發展，研發出谷物收獲機輔助駕駛系統，為智慧農業生產提供技術支撐。

2.3 農產品和農業物料檢測

相關研究人員基于LabVIEW/CVI和計算機視覺識別技術開發了農業物料分級清選系統，可以通過圖像實時采集與分析，實現不同物料等級劃分。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 水果碰撞特性數據采集系統

3 發展趨勢

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、遠程監控、工業控制等方面得到了廣泛的應用與發展，在農業生產中具有較好的應用前景。為了實現我國農業現代化進程和農業智能化發展，應該加強虛擬儀器技術在農業測控技術中的應用，為提高農業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，如農業生產環境監控可視化，環境信息通過對熱力傳感器和天氣數據的整合，實時向管理人員呈現當前農田的環境狀態，以便決定是否需要對環境進行調節，支持整合農田的農作物產量系統數據，對農田的不同作物產量、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，可對農戶、農田、農資、農具等要素進行可視化呈現。支持對重點農作物進行重點高亮顯示，輔助管理者綜合掌握農業生產情況，為農業資源調配及災害防治方案調整提供決策依據。

另一方面，針對農業現代化水平不足，農業管理、生產效率低的情況，建議引用物聯網環境監控技術。環境監控技術是基于無線傳感技術、GPRS無線傳輸技術及GPS地理信息技術研發的，可以顯著提高農業生產過程中的精細化管理。例如，在農業生產過程中，環境測控設備可以通過無線傳感器對農業大棚環境中的溫度、濕度等影響農作物生長的重要環境參數進行實時監控，農業管理者只需要通過云端后臺就可以實時可視化地了解農業生產各項參數，當種植環境出現異常變化，影響到農作物的正常生長時，環境測控設備會立即啟動報警系統，通知農戶及時調整農作物生長環境，為智慧農業發展提供技術支撐。

4 結論

虛擬儀器作為農業測控技術的主要技術之一，是傳統測控儀器的改革與創新，具有強大的靈活性、可擴展性等應用優勢，在農業生產中具有廣闊的應用前景與發展意義。但是，目前我國農業測控技術與國外發達國家差距較遠，農業管理者與科研人員應充分汲取國內外先進技術，充分提高我國農業生產和現代化農業進程。

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

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