虚拟仪器在农业测控技术应用实例分析

杜永鑫

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

农业工程测控技术，主要是基于虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)实现对农业生产活动中环境信息、作物生长信息、土壤信息等的在线监测与调控[1-2]。虚拟仪器技术集成了计算机技术、电子信息技术、无线通信技术和网络技术等，能实现互联网与农机设备的网络通信，执行数据测试、分析和储存等功能，是实现农业现代化发展的必要条件与技术支撑[3-5]。

虚拟仪器是对传统测试仪器的重大改革，结合相关硬件系统，具有强大的数据处理能力，是目前国内外农业发展的重要技术与关注热点之一。虚拟仪器技术是将测试技术、监控技术与计算机科学技术相互结合，用户可以通过计算机平台实现远程监控与测试，保证生产高效发展。

本研究首先系统分析了虚拟仪器的相关概念及应用优势，阐述了虚拟仪器技术在农业工程测控技术的应用现状与发展前景。研究结果旨在为提升农业工程测控技术在农业工程中的应用和推广提供技术参考与支撑。

1.1 概念与特点

虚拟仪器技术是集测试技术与计算机科学技术结合的新型技术之一，代表了现代测控技术与仪器技术的主要发展方向。虚拟仪器技术主要是指用户可以通过计算机平台，根据自己需求设计相关仪器设备的测控功能，保证测控技术在实际生产中更加高效、便捷，虚拟仪器技术与传统测控技术的主要区别如表1所示。目前，已经广泛应用于航空航天、工业生产、医疗器械和农业生产中[6]。

表1 虚拟仪器技术与传统测控技术的区别

1.2 组成与分类

虚拟仪器组成一般包括计算机主机、硬件系统和专用软件等，其关键组成要素及配合关系如图1所示。计算机主机一般为个人计算机主机和计算机工作站；
硬件组成部分主要包括与计算机主机相连接的硬件系统，以计算机主机为核心，完成数据处理和分析结果显示。软件部分是虚拟仪器的核心，通过不同测控目标与功能完成软件程序的设置与编写。

图1 虚拟仪器基本组成

2.1 农业生产环境测控与检测

采用虚拟仪器技术可以对农业生产环境中各项数据通过高精度传感器实现数据采集、储存与分析，从而实现农业生产环境的监控功能。最早由美国在20世纪末期开发了农业自动灌溉系统，主要由计算机和现场数据处理器组成，通过对农田生产区域内土壤温湿度进行监控，传感器与水泵以星型结构连接，农业操作者可以通过远程监控自动控制田间的灌溉时间、灌溉量。该系统可以实现农田环境信息远程监控和控制灌溉，有效降低农业生产成本。后期，对农田环境监控系统进行了深入研究，将虚拟仪器和网络技术引入农业生产中，开发了多种农业需水灌溉模型、农作物需水自动检测和灌溉系统可视化技术等，可以通过各项技术检测农作物植株受水分胁迫情况，进而实施合理灌溉。

2.2 农业机械测控

农业生产环境具有复杂性、变化性等特点，将虚拟仪器应用到农业机械生产中，可以提高农业机械工作效率和农业生产水平。将传感器、计算机、人工智能技术等应用到农业机械中，可以实现对田间农业机械的速度、制动性能、转速等技术参数的自动测试。以谷物联合收获机为例，相关研究人员基于CAN总线实现对联合收获机作业速度、收获效率和故障诊断等智能控制系统的监控，可以在谷物收获机运行过程中，对收获机喂入量、损失量等参数进行监控，操作人员可以根据谷物收获机运行状态实现各项参数的实时调整。后期，随着计算机视觉技术和卫星导航技术的逐渐发展，研发出谷物收获机辅助驾驶系统，为智慧农业生产提供技术支撑。

2.3 农产品和农业物料检测

相关研究人员基于LabVIEW/CVI和计算机视觉识别技术开发了农业物料分级清选系统，可以通过图像实时采集与分析，实现不同物料等级划分。如浙江大学基于虚拟仪器技术完成水果碰撞特性分析(图2)，可以检测水果品质和碰撞擦伤进行水果分级[7-8]。

图2 水果碰撞特性数据采集系统

虚拟仪器技术是一种涉及多个学科和领域的综合技术之一，目前，在计算机技术、无线通信技术、电子信息技术、远程监控、工业控制等方面得到了广泛的应用与发展，在农业生产中具有较好的应用前景。为了实现我国农业现代化进程和农业智能化发展，应该加强虚拟仪器技术在农业测控技术中的应用，为提高农业测控技术测控效率与精度，应该进一步对虚拟仪器技术进行深入研究。未来应该加强高精度传感器及可视化技术的深入研究，如农业生产环境监控可视化，环境信息通过对热力传感器和天气数据的整合，实时向管理人员呈现当前农田的环境状态，以便决定是否需要对环境进行调节，支持整合农田的农作物产量系统数据，对农田的不同作物产量、上市时间、种植周期等关键指标进行展示。通过可视化分析图表，可对农户、农田、农资、农具等要素进行可视化呈现。支持对重点农作物进行重点高亮显示，辅助管理者综合掌握农业生产情况，为农业资源调配及灾害防治方案调整提供决策依据。

另一方面，针对农业现代化水平不足，农业管理、生产效率低的情况，建议引用物联网环境监控技术。环境监控技术是基于无线传感技术、GPRS无线传输技术及GPS地理信息技术研发的，可以显著提高农业生产过程中的精细化管理。例如，在农业生产过程中，环境测控设备可以通过无线传感器对农业大棚环境中的温度、湿度等影响农作物生长的重要环境参数进行实时监控，农业管理者只需要通过云端后台就可以实时可视化地了解农业生产各项参数，当种植环境出现异常变化，影响到农作物的正常生长时，环境测控设备会立即启动报警系统，通知农户及时调整农作物生长环境，为智慧农业发展提供技术支撑。

虚拟仪器作为农业测控技术的主要技术之一，是传统测控仪器的改革与创新，具有强大的灵活性、可扩展性等应用优势，在农业生产中具有广阔的应用前景与发展意义。但是，目前我国农业测控技术与国外发达国家差距较远，农业管理者与科研人员应充分汲取国内外先进技术，充分提高我国农业生产和现代化农业进程。

本研究分析了虚拟仪器的相关概念及应用优势，阐述了农业工程测控技术国内外研究现状，未来我国应该加强虚拟仪器技术的研究、推广与应用，结合我国农业生产实际情况提高农业生产效率与测控精度。研究结果旨在为提升农业工程测控技术在农业工程中的应用和推广提供技术参考与支撑。

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