基于虛擬儀器的土壤多參數(shù)信息獲取實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)new

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1、http://www.paper.edu.cn1基于虛擬儀器的土壤多參數(shù)信息獲取實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)※林劍輝孫宇瑞馬道坤中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中心（100083）摘要：為了更好的研究土壤各參數(shù)及其之間的相關(guān)性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于同時(shí)獲取多個(gè)土壤參數(shù)信息。本文詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，它主要包括一個(gè)雙參數(shù)傳感器、SWVI數(shù)據(jù)采集模塊和GEP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中SWVI數(shù)據(jù)采集模塊采用MSP430單片機(jī)開發(fā)，GEP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用LabView語言開發(fā)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)為研究土壤特性提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)于開發(fā)和研制其

2、它基于虛擬儀器的測(cè)試、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：信息獲取；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；虛擬儀器；MSP430；LabView；土壤1.引言精細(xì)農(nóng)業(yè)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)，它是指通過對(duì)土壤參數(shù)、作物長(zhǎng)勢(shì)等田間信息的監(jiān)測(cè)及對(duì)產(chǎn)量的測(cè)量等方法來獲取數(shù)據(jù)以了解整個(gè)田塊的作物生長(zhǎng)環(huán)境的空間變異特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)各生產(chǎn)要素的最優(yōu)控制，以達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益最大化的目的。精細(xì)農(nóng)業(yè)的研究在我國(guó)處于一個(gè)剛剛開始的起步階段。目前在我國(guó)發(fā)展精細(xì)農(nóng)業(yè)過程中最為薄弱一個(gè)環(huán)節(jié)是農(nóng)田信息的采集技術(shù)。尤其對(duì)于土壤這個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要影響因素，現(xiàn)有的各種信息采集技術(shù)還很難達(dá)到精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。

3、這主要是由于土信號(hào)線壤本身的特性—空間變異性極大且各參數(shù)之間的相互影響較為緊密所造成的。因此，尋求土壤多參數(shù)信息的同手柄時(shí)獲取并分析它們之間的相關(guān)性成為當(dāng)前土壤信息采集壓力傳感器技術(shù)研究一個(gè)前沿方向。孫宇瑞首先提出了在研究土壤特性時(shí)對(duì)土壤多個(gè)物電位器理參數(shù)同時(shí)獲取并實(shí)時(shí)解耦的思想，并于2002將該思想具體化為土壤壓實(shí)度與土壤含水率的同時(shí)測(cè)量，同時(shí)根[1]據(jù)該思想設(shè)計(jì)出了一個(gè)雙參數(shù)傳感器（Dual-Sensor）。為了能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)信息輸入的采集與處理，實(shí)驗(yàn)介電傳感器要求設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以滿足此項(xiàng)要求。對(duì)于傳統(tǒng)的儀器儀表來說，由于功能單一，輸入通

4、道有限，很難實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)的同時(shí)采集與處理。但當(dāng)前虛擬儀器概念圖1傳感器外形結(jié)構(gòu)示意圖的提出為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立提供了一個(gè)最佳的實(shí)現(xiàn)方案。1本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金（30270775）（30370823）和高校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20030019012）項(xiàng)目支助※孫宇瑞，教授，博士生導(dǎo)師，email:yurui828@yahoo.com-1-http://www.paper.edu.cn虛擬儀器（VirtualInstrument）是指以計(jì)算機(jī)為核心部件，以虛擬控制面板為標(biāo)志的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)裝置。它突破了傳統(tǒng)儀器儀表形式單一，功能固定的局限，使得用戶可以自

5、行定義儀器的功能。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測(cè)量系統(tǒng)到以軟件為中心的測(cè)量系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變。美國(guó)NI公司為虛擬儀器提供了專門的開發(fā)語言—LabView。LabView是一種可視化圖形編程語言，它為不熟悉文本式編程方式的設(shè)計(jì)者在實(shí)驗(yàn)過程中建立虛擬儀器提供了一個(gè)便捷、輕松的圖形化編程環(huán)境[2]。2.實(shí)驗(yàn)要求本實(shí)驗(yàn)所采用的傳感器為一雙參數(shù)傳感器，示意圖如圖1所示。傳感器為一錐式外形，總長(zhǎng)400mm，上部有一手柄，用于將傳感器插入土壤中。傳感器的底部為一銅質(zhì)圓錐，該圓錐的外形完全按ASAE標(biāo)準(zhǔn)制作。同時(shí)，銅圓錐與其上方一銅環(huán)組成一介電傳感器，用于測(cè)量土壤的介

6、電常數(shù)。在介電傳感器上方有一電位器用作深度傳感器，以測(cè)量傳感器插入土壤的深度。當(dāng)手持手柄把傳感器向土壤里插時(shí)，傳感器頂部的壓力傳感器會(huì)輸出壓力信號(hào)，反應(yīng)出該土壤的壓實(shí)度。因此該傳感器在測(cè)量時(shí)可同時(shí)獲取兩個(gè)有關(guān)土壤的參數(shù)信息—土壤介電常數(shù)和土壓實(shí)度。針對(duì)傳感器的上述結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)出一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)下述要求：（1）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求能夠同時(shí)采集介電信號(hào)（共兩路）、壓力信號(hào)、深度信號(hào)并能獲得當(dāng)前時(shí)間信息。（2）在傳感器插入土壤的過程中，只有當(dāng)傳感器中的壓力信號(hào)輸出大于給定的一個(gè)門檻壓力值，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)才開始采集信號(hào)。（3）傳感器每向下行進(jìn)5mm實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)才記錄一組

7、信號(hào)數(shù)據(jù)，而該組數(shù)據(jù)是對(duì)在這5mm過程中所有采集值的一個(gè)平均。（4）當(dāng)傳感器插入土壤達(dá)到最大深度時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)停止。（5）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要能夠計(jì)算出傳感器插入土壤的行進(jìn)速度，并最終給出整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的平均速度。（6）將所采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)以曲線方式顯示，橫坐標(biāo)為深度值，縱坐標(biāo)分別為介電信號(hào)值，壓力值，及行進(jìn)速度。（7）對(duì)于所采集到的數(shù)據(jù)要能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)以供進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。3.系統(tǒng)綜述傳感器信號(hào)線SWVI實(shí)時(shí)多路串口通訊PC機(jī)虛擬儀器Dual-Sensor數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)GEP電源圖2實(shí)驗(yàn)系整體結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)包括四個(gè)部分：傳感

8、器、實(shí)時(shí)多路數(shù)據(jù)采集模塊-2-http://www.paper.edu.cnSWVI、PC機(jī)虛