智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)與探索

劉永華

（江蘇農林職業(yè)技術學院，江蘇 句容 212400）

0 引 言

隨著中國城鎮(zhèn)化和勞動力老齡化的加劇，勞動力成本越來越高，農業(yè)面臨著“誰來種地，怎樣種好地”的重大問題，將現(xiàn)代信息技術與大田作物智慧生產深度融合，大力發(fā)展智慧種植業(yè)已成為重要國家戰(zhàn)略之一，實現(xiàn)農作物生產過程的精準感知、定量決策、智能作業(yè)與智慧服務，全面提升農產品質量效益和促進種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。大田種植業(yè)是中國農業(yè)生產的主要組成部分，中國政府一直把糧食生產放在農業(yè)主要地位，國家統(tǒng)計局發(fā)布2022 年糧食產量數(shù)據顯示，糧食總產量68 653 萬t，比2021 年增加368 萬t，增長0.5%[2]。2023 年中央一號文件《中共中央、國務院關于做好2023 年全面推進鄉(xiāng)村振興重點工作的意見》中指出，要加強高標準農田建設，重點補上農田灌排設施等短板，統(tǒng)籌推進高效節(jié)水灌溉。

智慧大田生產管理系統(tǒng)由生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能精準灌溉施肥系統(tǒng)、壓力補償噴灌系統(tǒng)、智慧大田管控平臺等組成，屬于典型的機電一體化系統(tǒng)，在機電一體化技術等專業(yè)引入智慧大田系統(tǒng)的實驗、實訓教學非常有必要。但系統(tǒng)在實際生產安裝過程中，存在區(qū)域廣、設備重、現(xiàn)場教學難等問題，因此設計開發(fā)一套智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)，按照大田的實際場景來建設虛擬場景，開展智慧大田相應系統(tǒng)的虛擬仿真教學，實現(xiàn)虛實結合[3-5]。

1 智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)總體設計

智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)主要應用于機電一體化技術、電氣自動化技術等專業(yè)課程的實踐教學，以江蘇農博園的智慧大田為對象，基于OBE 成果導向的教學理念，以學生最終能進行智慧大田系統(tǒng)的設計為目標，進行智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)總體設計，見圖1。共有5 個模塊：第1 個模塊是“走進智慧大田”，以第一視角的方式進入江蘇農博園，到智慧大田；第2 個模塊是“智慧大田仿真系統(tǒng)的搭建”，進行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、精準灌溉施肥系統(tǒng)、灌溉閘閥控制系統(tǒng)等硬件部分的搭建和軟件平臺的操作；第3 個模塊是“精準灌溉施肥機的使用”，掌握高效節(jié)水灌溉的原理和操作；第4 個模塊是“精準灌溉施肥機的電氣控制”，進行虛擬接線和調試；第5 個模塊是“在線評價”，在前4 個模塊中設置相應的答題評價，答完會反饋相應的分數(shù)，做到即學即評價。

2 智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)實驗設計

智慧大田生產管理系統(tǒng)由生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能精準灌溉施肥系統(tǒng)、壓力補償噴灌系統(tǒng)、智慧大田管控平臺等組成。生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測作物生長環(huán)境的溫度、濕度、光照強度、風速、風向、降雨量等環(huán)境參數(shù)，虛擬仿真軟件中展現(xiàn)的數(shù)據，是安裝在大田的智能氣象站通過傳感器實時采集而來的；精準灌溉施肥系統(tǒng)主要包括精準灌溉施肥機的組裝、工作原理、電氣控制等，實際工作時，在虛擬仿真軟件中也能看到對應部分的動畫展示；壓力補償噴灌系統(tǒng)由主管道、地里的分支管道、灌水器等組成。操作人員可以通過虛擬仿真軟件中的智慧大田管控平臺控制主泵、地塊電磁閥、精準灌溉施肥機等執(zhí)行機構，實現(xiàn)依據各地塊對水肥的需求進行分區(qū)灌溉與施肥管理。通過智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)的功能分析，進行了虛擬仿真的實驗設計，主要達到以下目的：

（1）熟悉智慧大田的系統(tǒng)結構、基本組成和日常運維。

（2）掌握環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成、傳感器的布置及安裝、組網原理等。

（3）掌握精準灌溉施肥機的施肥管路搭建、硬件安裝、工作原理等。

（4）掌握智慧大田系統(tǒng)的電氣控制原理、電氣控制系統(tǒng)的線路連接與調試、遠程控制等。

（5）了解智慧大田各子系統(tǒng)之間的連接關系，最終實現(xiàn)整機聯(lián)調及運行。

2.1 走進智慧大田

以學校第一實訓基地江蘇農博園內的智慧大田為對象，讓學生以第一視角的方式進入江蘇農博園，通過漫游的場景、輔助的動畫文字等，引導學生了解智慧大田的組成、操作方法與注意事項，達到讓學生直觀認知的效果。

2.2 智慧大田仿真系統(tǒng)的搭建

基于OBE 教學理念，以實際智慧大田的需求為目標，在虛擬仿真軟件中搭建出與實際智慧大田場景一致的智慧大田仿真系統(tǒng)，培養(yǎng)學生的學習興趣、整體設計能力、虛擬仿真操作能力和調試能力。智慧大田仿真系統(tǒng)的搭建主要包括以下3 個部分：

（1）環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的搭建。通過環(huán)境溫度、濕度、光照強度、風速、風向、降雨量等傳感器的搭配使用，完成大田智能氣象站的搭建，了解各類傳感器的功能、量程、精度、數(shù)據傳輸方式等，最終將大田現(xiàn)場實時采集到的相關參數(shù)在虛擬仿真軟件中展現(xiàn)。

（2）精準灌溉施肥系統(tǒng)的搭建。從精準灌溉施肥機各部分硬件的搭建開始，到灌溉施肥管路的搭建，再到電氣控制部分的搭建，通過一步一步的搭建，讓學生掌握精準灌溉施肥系統(tǒng)的組成、各部分的功能和操作方法等。

（3）壓力補償噴灌系統(tǒng)的搭建。按照大田的實際面積和具體地塊位置，選擇主管與支管的口徑，規(guī)劃田間管道布局，計算所需的噴頭數(shù)量，并在虛擬仿真軟件中進行搭建，配合地塊電磁閥，實現(xiàn)通過控制電磁閥分區(qū)精準灌溉與施肥。

通過智慧大田仿真系統(tǒng)的搭建，逐步引導學生從頂層設計開始，到各個子系統(tǒng)的搭建，通過自己的動手操作，一步一步實現(xiàn)功能，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。例如精準灌溉施肥系統(tǒng)的搭建實驗教學過程分為以下4 步進行：

（1）對照實驗室精準灌溉施肥系統(tǒng)的實物，引導學生了解精準灌溉施肥系統(tǒng)的組成。

（2）讓學生在虛擬仿真軟件中獨立進行精準灌溉施肥系統(tǒng)的搭建，學生虛實結合，教師巡回指導。

（3）對學生操作過程中出現(xiàn)的常見問題，老師進行集中講解，并示范操作。

（4）學生獨立完成精準灌溉施肥系統(tǒng)的搭建，并完成相應模塊的答題練習。

2.3 精準灌溉施肥機的使用

精準灌溉施肥機采用學院自主研發(fā)的NL-3 型施肥機為模型，給傳統(tǒng)教學增加了更形象、更直觀的展示方式。通過虛擬仿真操作讓學生掌握精準灌溉施肥機的工作原理、各部分的功能、使用方式等。精準灌溉施肥機的工作原理通過動畫方式展示，直觀易懂。一方面，實際精準灌溉施肥機的操作會在虛擬仿真軟件中展示出來，虛實結合，彌補了設備實際操作時觀察難的問題；另一方面，可以通過虛擬仿真軟件來控制實際精準灌溉施肥機的相應操作，實現(xiàn)了虛擬軟件對實際設備的控制。

2.4 精準灌溉施肥機的電氣控制

精準灌溉施肥機的電氣控制接線需要先畫出原理圖、接線圖，然后一步一步接線，可能會出現(xiàn)線全部接好了，但調試卻出現(xiàn)了故障。查故障的過程會有些繁瑣，還可能存在查不出故障的現(xiàn)象。因此，在精準灌溉施肥機的電氣控制部分，通過虛擬仿真軟件進行模擬接線非常重要，可以讓學生先模擬完成虛擬接線，再進行實物接線，保證接線的準確性。這一部分主要在虛擬軟件中設計3 個部分：（1）各個元器件的功能介紹及使用說明；（2）虛擬接線，包括數(shù)據采集模塊的虛擬接線和執(zhí)行機構的虛擬接線；（3）PLC 的編程、模擬仿真調試。

2.5 在線測評系統(tǒng)

改變傳統(tǒng)的課堂教學評價方式，采用多元評價體系，注重過程評價。通過在虛擬仿真軟件中設置相應模塊的答題，學生答題結束后及時反饋答題的分數(shù)，來檢驗學生的學習效果，即做即評有利于學生更好地了解自身的掌握情況，也方便老師隨時了解每個學生的學習情況，做到心中有數(shù)、分類施教，真正做到教學相長。

3 智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)基于Unity3D 平臺開發(fā)，采用C#語言編程，3Ds Max、MAYA 建模，利用虛擬現(xiàn)實技術，構建智慧大田實訓場景及場景內各個互動設備的三維模型，用戶可在三維場景中自由漫游，掌握基于精準灌溉施肥機的智慧大田系統(tǒng)的組成、作業(yè)過程、精準灌溉施肥機的工作原理等。系統(tǒng)利用動態(tài)數(shù)學模型實時模擬真實實驗現(xiàn)象和過程，通過3D 仿真交互式操作，產生和實際一致的實驗現(xiàn)象和結果。支持鼠標點擊交互、鍵盤移動操作，通過文字說明、動畫演示等輔助效果提供立體感受，真正使用戶實現(xiàn)身臨其境的學習體驗，每位學生都能親自動手操作。

智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)可與學校的開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺進行無縫對接，實現(xiàn)資源共享和網絡學習。

4 結 語

通過智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)與探索，進一步將機電技術賦能現(xiàn)代農業(yè)的典型案例引入到課堂教學中，培養(yǎng)學生學農、愛農、為農服務的意識和動手操作能力。通過虛實結合的方式進行實驗方案的設計，讓學生先了解實物，再利用虛擬仿真軟件模擬搭建實物進行實操訓練，由實到虛，再由虛到實，虛實結合、虛實互補。另外，虛擬仿真軟件全天開放，方便學生隨時隨地進行在線實驗，教師給學生布置探究性的學習任務，鼓勵學生自己查閱資料，寫預習報告或實驗改進報告，教師在線指導，培養(yǎng)學生的自主學習能力。