虛擬儀器技術(shù)的農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)探析

韓懷陽，王俊飛

（1．廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2．廣西氣象局，廣西 南寧 530022）

農(nóng)業(yè)氣象觀測以自然狀態(tài)下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的理化環(huán)境、氣候變化及生物的響應(yīng)情況為研究對(duì)象，通過對(duì)相關(guān)因子的監(jiān)測， 研究氣象條件與農(nóng)業(yè)生態(tài)間的作用機(jī)理和相互影響。目前國內(nèi)的農(nóng)業(yè)氣象觀測技術(shù)及方法主要以人工觀測為主， 不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象研究及服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)高精度、高密度、高時(shí)效的要求。在信息技術(shù)的發(fā)展趨勢之下，農(nóng)業(yè)信息科技也迅速運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。農(nóng)業(yè)信息技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)、信息處理系統(tǒng)以及通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化以及數(shù)字化，可帶來農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的跨越式發(fā)展[1]。我國作為農(nóng)業(yè)大國，依靠農(nóng)業(yè)信息技術(shù)可有效提高我國農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境對(duì)其生長發(fā)育的狀況有著較大的影響，如果能對(duì)光照、濕度、溫度、土壤水分、空氣中的二氧化碳含量等作出實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理，那將有效提高農(nóng)產(chǎn)品的收成。近年來，自動(dòng)化觀測在各國的大氣、土壤、水文監(jiān)測、常規(guī)氣象、交通氣象、極地高原氣象及相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［2－7］。

1 虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展趨勢

1．1 虛擬儀器概念

虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）技術(shù)采用了“軟件即儀器”的突破性概念［8］，就是在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上虛擬儀器控制面板，充分利用計(jì)算機(jī)的顯示功能，并由軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的測試和分析。因此虛擬儀器必須具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果輸出三大基本功能。

1．2 虛擬儀器的特點(diǎn)

虛擬儀器并非一種物理意義上的儀器，是通過測控設(shè)備與儀器、計(jì)算機(jī)等各硬件接口的連接通信，從而實(shí)現(xiàn)的一種集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)輸出的功能儀器[9]。與傳統(tǒng)的儀器相比具有較多的優(yōu)勢[10]：①功能設(shè)計(jì)上比較靈活多變，傳統(tǒng)儀器只具備一種特定的功能，而虛擬儀器可通過用戶的需要來定義儀器的功能；②操作使用方面更加簡便；③兼容性較好，能支持多家廠商，并做到與計(jì)算機(jī)技術(shù)的同步發(fā)展；④互聯(lián)性能優(yōu)越，虛擬儀器可與多種設(shè)備連接通信，但傳統(tǒng)儀器僅能與特定設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立連接；⑤開發(fā)成本及維護(hù)費(fèi)用較低，同時(shí)可以重復(fù)使用，傳統(tǒng)儀器不僅價(jià)格昂貴，還不具備重復(fù)利用的功能。⑥更新周期短，由于虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)技術(shù)之上進(jìn)行發(fā)展，因而具備較快的更新升級(jí)速度，不僅能夠迅速適應(yīng)時(shí)代的需求，還具備較低的升級(jí)成本。⑦通用性能較強(qiáng)，傳統(tǒng)儀器在設(shè)備的連接通用功能上較差，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷等功能，而虛擬儀器則可充分發(fā)揮這一優(yōu)勢。從上述優(yōu)勢特點(diǎn)可以看出，軟件即虛擬儀器的核心競爭力。

1．3 虛擬儀器的組成

虛擬儀器的系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要包括計(jì)算機(jī)、接口以及工作站，軟件部分主要包括儀器驅(qū)動(dòng)程序、虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)庫 （Virtual Instrumentation Software Architecture，VISA）以及應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境[11]。儀器驅(qū)動(dòng)程序主要是對(duì)硬件部分的通信進(jìn)行控制，為數(shù)據(jù)的采集及傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。VISA庫也是一種I／O接口軟件，是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)I／O函數(shù)庫的儀器編程以及相關(guān)規(guī)范的總體概括，可實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)的軟件層連接。應(yīng)用軟件的開發(fā)系統(tǒng)可分為兩種，一種以文本語言為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)環(huán)境，如Lab Windows、VB等；一種是以圖形化語言為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)環(huán)境，如DASP、Lab VIEW等。虛擬儀器的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1．4 虛擬儀器的類型

圖1 虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)不同的總線方式，可以將虛擬儀器分為以下幾種：①GPIB系統(tǒng)；②PC總線－插卡型虛擬儀器；③串口系統(tǒng)；④VXI及PXI總線系統(tǒng)；⑤現(xiàn)場總線系統(tǒng)；⑥PC端口－LPT并行口式、USB口式以及1394口式虛擬儀器[12]。

1．5 虛擬儀器的應(yīng)用趨勢

虛擬儀器的開發(fā)是儀器行業(yè)發(fā)展的一個(gè)新標(biāo)志，它不僅可以發(fā)揮與傳統(tǒng)儀器相比更大的優(yōu)越性和性價(jià)比，還能利用在各行各業(yè)，大大提高了工業(yè)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率。目前已有不少國家將虛擬儀器作為一種大學(xué)的必修課程，也有不少公司利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)出農(nóng)田監(jiān)控管理的產(chǎn)品。例如美國Geomatica公司在Lab VIEW虛擬技術(shù)的基礎(chǔ)之上開發(fā)出一套AgriMate自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行了有效的管理，最大程度的降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本費(fèi)用[13]。隨著信息科技的不斷發(fā)展，虛擬儀器也不斷優(yōu)化，進(jìn)一步向外掛式虛擬儀器、網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器以及PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng)等方向發(fā)展。

2 基于虛擬儀器技術(shù)的農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2．1 農(nóng)田氣象信息管理

由于我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理生產(chǎn)集約化程度較低，同時(shí)缺少一定的管理人才，大多是農(nóng)民依靠經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行管理，這種方式不利于農(nóng)田經(jīng)濟(jì)效益的最大化。隨著城市化發(fā)展的不斷加劇，農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效率也越來越受到人們的關(guān)注。如果利用農(nóng)田氣象監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和管理，將大大提高農(nóng)田的管理效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的集中式管理，不僅方便管理，還能降低成本。農(nóng)田氣象管理的任務(wù)主要包括對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)測、采集節(jié)點(diǎn)的信息管理、農(nóng)田環(huán)境的信息管理、系統(tǒng)的設(shè)置、用戶信息的管理、處理手機(jī)授權(quán)用戶信息以及網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)布[14]。如圖2所示。

2．2 農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖2 農(nóng)田氣象信息管理結(jié)構(gòu)圖

農(nóng)田氣象信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測主要是利用遠(yuǎn)程虛擬儀器采集或輸送局域網(wǎng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端信號(hào)的控制。這項(xiàng)技術(shù)不僅能夠利用儀器對(duì)氣象信息進(jìn)行檢測，還能利用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的交互操作。

表1 溫濕度變送器相關(guān)參數(shù)

2．2．2 采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)通常要完成農(nóng)田氣象信息的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理的功能，主要包括采集節(jié)點(diǎn)的傳感器設(shè)計(jì)、核心板設(shè)計(jì)、采集節(jié)點(diǎn)的封裝設(shè)計(jì)等[15]。

（1）傳感器的設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)的傳感器主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器。溫濕度傳感器可設(shè)置為三線制輸出，溫濕度傳感器的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

光照傳感器主要是利用光敏二極管的光伏特效應(yīng)制作而成，同時(shí)利用可變電阻將信號(hào)放大數(shù)倍。二氧化碳傳感器主要是利用紅外傳感器探測空氣中二氧化碳的濃度，并將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以電阻電路將信號(hào)放大。

（2）核心板的設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)的核心板設(shè)計(jì)包括對(duì)存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)、采集電路的設(shè)計(jì)以及電源電路的設(shè)計(jì)等。在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)電路時(shí)可將AT24C01與CPU在I2C總線的基礎(chǔ)上進(jìn)行連接，同時(shí)完成時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)等各接口的連接[16]。采集電路可通過將8路模擬電壓信號(hào)與傳感器相連，連接方式利用8針排線法，主要的連接方式如圖3所示。

選SPSS21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)做出分析，（± s）表示神經(jīng)功能缺損情況，實(shí)施t檢驗(yàn)，（%）表示不良反應(yīng)、療效，實(shí)施χ2檢驗(yàn)，當(dāng)P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

（3）采集系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

圖3 采集模塊接口電路

通過傳感器將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行收集并處理后，可由各種電路模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸，整個(gè)系統(tǒng)功能的設(shè)置和實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 采集系統(tǒng)程序流程圖

2．2．3 通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用無線GPRS通信方式對(duì)農(nóng)田氣象信息進(jìn)行傳輸，選擇公網(wǎng)固定的IP方式，并對(duì)系統(tǒng)添加定時(shí)機(jī)制和報(bào)警機(jī)制，對(duì)各項(xiàng)信息的發(fā)送進(jìn)行合理的規(guī)劃，以免發(fā)生信息阻塞的現(xiàn)象。同時(shí)可在系統(tǒng)監(jiān)控軟件中加入信息報(bào)告和信息緩沖機(jī)制，通過信息的發(fā)送和反饋來對(duì)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行異常診斷。

2．2．4 氣象信息管理模塊以及用戶信息管理模塊

氣象信息管理模塊主要是對(duì)農(nóng)田氣象信息進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、刪除以及打印的功能。該模塊首先將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行解析，并存入數(shù)據(jù)庫中。在信息存儲(chǔ)的功能模塊還有一項(xiàng)優(yōu)勢特點(diǎn)，即存入的開始記錄和停止記錄都有相應(yīng)的按鈕來對(duì)其進(jìn)行控制。管理人員在進(jìn)行信息查詢時(shí)可輸入相應(yīng)的編號(hào)、時(shí)間、位置等關(guān)鍵字，以此達(dá)到精確查詢和組合查詢的目的。

用戶信息管理模塊主要是對(duì)授權(quán)用戶進(jìn)行管理，由系統(tǒng)管理員對(duì)用戶的信息進(jìn)行添加，一般包括用戶名、用戶ID、密碼、號(hào)碼以及請求次數(shù)。

2．2．5 系統(tǒng)的安全與維護(hù)

該系統(tǒng)通過Windows身份認(rèn)證的模式對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行安全管理，在對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息進(jìn)行查詢或遠(yuǎn)程訪問時(shí)需要Web服務(wù)器對(duì)計(jì)算機(jī)管理權(quán)限進(jìn)行認(rèn)證，對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的加密及審核[17]。通過數(shù)據(jù)庫的完整備份和差異備份對(duì)農(nóng)田氣象信息提供有力保障。

3 系統(tǒng)測試與實(shí)驗(yàn)

本文通過對(duì)某地區(qū)的農(nóng)田基地進(jìn)行氣象信息的監(jiān)測，并與同時(shí)期的氣象臺(tái)信息對(duì)比，觀察兩組數(shù)據(jù)的偏差，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試。

3．1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)通過使用12V的蓄電池、溫濕度傳感器、光照傳感器、核心板、采集箱、通信終端、監(jiān)控中心等裝置共同組成氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

3．2 實(shí)驗(yàn)過程

首先對(duì)采集箱進(jìn)行封裝，依次安裝蓄電池、傳感器以及核心板，頂層部分裝置光照傳感器，第二層安裝溫濕度傳感器以及蓄電池，同時(shí)將核心板安裝在采集箱最前端，以便于進(jìn)行操控。然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，將采集節(jié)點(diǎn)初始化，并對(duì)通信功能是否正常進(jìn)行檢驗(yàn)。若采集節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)功能正常，就將其置于農(nóng)田中，通過遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的監(jiān)控功能。

表2 氣象信息值監(jiān)測結(jié)果

3．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)農(nóng)田氣象信息進(jìn)行為期30d的觀測，每天監(jiān)測10h，并設(shè)置好定時(shí)發(fā)送，本次實(shí)驗(yàn)將4d的觀測結(jié)果與氣象臺(tái)信息進(jìn)行對(duì)比，體現(xiàn)當(dāng)天的平均溫度、濕度、雨量、風(fēng)速以及氣壓，具體結(jié)果如下。

3．4 結(jié)論分析

通過上述數(shù)據(jù)的比較可知，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際的測量數(shù)據(jù)與氣象臺(tái)的信息有一定的偏差，但兩者之間比較并未發(fā)現(xiàn)較大差異。從數(shù)據(jù)比較可以看出，兩者表現(xiàn)出正相關(guān)的線性關(guān)系。說明本次設(shè)計(jì)的農(nóng)田信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與傳輸具有良好的性能，但對(duì)于部分?jǐn)?shù)據(jù)的精度還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文通過對(duì)虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行了簡單的介紹，進(jìn)而將其利用于農(nóng)田氣象信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、農(nóng)田信息管理模塊、用戶信息管理模塊以及數(shù)據(jù)的安全與維護(hù)模塊，將其與某農(nóng)田進(jìn)行實(shí)際氣象信息的測量與實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果測量數(shù)據(jù)符合氣象規(guī)律，可大力推廣運(yùn)用。

［1］齊龍，馬旭，周海波等．基于虛擬儀器技術(shù)的田間多光譜視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（1）：157－161．

［2］林墨，林宗桂，胡萌琦．一種可變采樣率數(shù)據(jù)采集方法與應(yīng)用 ［J］ ．氣象研究與應(yīng)用， 2008， 29 （4）： 77－79．

［3］陸小玉，陳德誠，丘平珠．廣西自動(dòng)氣象站平行觀測資料質(zhì)量評(píng)估 ［J］ ．氣象研究與應(yīng)用，2007，28（4）：69－72．

［4］潘田風(fēng)，李榮迪．自動(dòng)氣象站一些故障的處理方法 ［J］．氣象研究與應(yīng)用， 2007， 28 （4）： 76－77．

［5］殷明潔．廣西大氣成分站的建設(shè) ［J］．氣象研究與應(yīng)用，2007， 28 （1）： 72－73．

［6］吳勇．自動(dòng)氣象站風(fēng)要素的采集和算法 ［J］．氣象研究與應(yīng)用， 2007， 28 （4）： 73－75．

［7］王永林．自動(dòng)氣象站風(fēng)向傳感器的安裝和校驗(yàn)方法 ［J］．氣象研究與應(yīng)用， 2004， 25 （2）： 38－41．

［8］胡萌琦，黎家宜，唐新等．基于虛擬儀器技術(shù)的農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)觀測系統(tǒng)研究 ［J］．氣象研究與應(yīng)用，2010，31（2）： 57－59．

［9］郭志偉，張?jiān)苽?，李霜等．基于GSM的農(nóng)田氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（3）：161－166．

［10］戴洪德，吳曉男，于進(jìn)勇等．基于虛擬儀器技術(shù)的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］．測控技術(shù)，2014，33（2）： 43－45．

［11］吳玉潔，陳晨，孫連偉等．虛擬儀器技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中的應(yīng)用 ［J］ ．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（12）：7450－7451， 7454．

［12］王珅，黃松嶺，趙偉等．基于虛擬儀器技術(shù)的電磁超聲數(shù)據(jù)采集和分析軟件設(shè)計(jì) ［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2009， （5）： 37－39．

［13］張婷．基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］ ．河南科學(xué)， 2012， 30 （6）： 733－736．

［14］楊紹輝，楊衛(wèi)中，王一鳴等．土壤墑情信息采集與遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng) ［J］ ．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41 （9）：173－177．

［15］徐小華，賀斌．基于LabVIEW的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)［J］．昭通師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009，31（5）：15－18．

［16］武永峰，宮志宏，劉布春等．基于遠(yuǎn)程監(jiān)控的農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（10）： 174－179．

［17］郭志偉，張?jiān)苽?，李霜等．基于GSM的農(nóng)田氣象信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案 ［J］．計(jì)算機(jī)工程，2009，35（13）： 274－276．