智慧大田虚拟仿真系统开发与探索

刘永华

（江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400）

0 引 言

随着中国城镇化和劳动力老龄化的加剧，劳动力成本越来越高，农业面临着“谁来种地，怎样种好地”的重大问题，将现代信息技术与大田作物智慧生产深度融合，大力发展智慧种植业已成为重要国家战略之一，实现农作物生产过程的精准感知、定量决策、智能作业与智慧服务，全面提升农产品质量效益和促进种植业可持续发展[1]。大田种植业是中国农业生产的主要组成部分，中国政府一直把粮食生产放在农业主要地位，国家统计局发布2022 年粮食产量数据显示，粮食总产量68 653 万t，比2021 年增加368 万t，增长0.5%[2]。2023 年中央一号文件《中共中央、国务院关于做好2023 年全面推进乡村振兴重点工作的意见》中指出，要加强高标准农田建设，重点补上农田灌排设施等短板，统筹推进高效节水灌溉。

智慧大田生产管理系统由生长环境监测系统、智能精准灌溉施肥系统、压力补偿喷灌系统、智慧大田管控平台等组成，属于典型的机电一体化系统，在机电一体化技术等专业引入智慧大田系统的实验、实训教学非常有必要。但系统在实际生产安装过程中，存在区域广、设备重、现场教学难等问题，因此设计开发一套智慧大田虚拟仿真系统，按照大田的实际场景来建设虚拟场景，开展智慧大田相应系统的虚拟仿真教学，实现虚实结合[3-5]。

1 智慧大田虚拟仿真系统总体设计

智慧大田虚拟仿真系统主要应用于机电一体化技术、电气自动化技术等专业课程的实践教学，以江苏农博园的智慧大田为对象，基于OBE 成果导向的教学理念，以学生最终能进行智慧大田系统的设计为目标，进行智慧大田虚拟仿真系统总体设计，见图1。共有5 个模块：第1 个模块是“走进智慧大田”，以第一视角的方式进入江苏农博园，到智慧大田；第2 个模块是“智慧大田仿真系统的搭建”，进行环境监测系统、精准灌溉施肥系统、灌溉闸阀控制系统等硬件部分的搭建和软件平台的操作；第3 个模块是“精准灌溉施肥机的使用”，掌握高效节水灌溉的原理和操作；第4 个模块是“精准灌溉施肥机的电气控制”，进行虚拟接线和调试；第5 个模块是“在线评价”，在前4 个模块中设置相应的答题评价，答完会反馈相应的分数，做到即学即评价。

2 智慧大田虚拟仿真系统实验设计

智慧大田生产管理系统由生长环境监测系统、智能精准灌溉施肥系统、压力补偿喷灌系统、智慧大田管控平台等组成。生长环境监测系统主要监测作物生长环境的温度、湿度、光照强度、风速、风向、降雨量等环境参数，虚拟仿真软件中展现的数据，是安装在大田的智能气象站通过传感器实时采集而来的；精准灌溉施肥系统主要包括精准灌溉施肥机的组装、工作原理、电气控制等，实际工作时，在虚拟仿真软件中也能看到对应部分的动画展示；压力补偿喷灌系统由主管道、地里的分支管道、灌水器等组成。操作人员可以通过虚拟仿真软件中的智慧大田管控平台控制主泵、地块电磁阀、精准灌溉施肥机等执行机构，实现依据各地块对水肥的需求进行分区灌溉与施肥管理。通过智慧大田虚拟仿真系统的功能分析，进行了虚拟仿真的实验设计，主要达到以下目的：

（1）熟悉智慧大田的系统结构、基本组成和日常运维。

（2）掌握环境监测系统的组成、传感器的布置及安装、组网原理等。

（3）掌握精准灌溉施肥机的施肥管路搭建、硬件安装、工作原理等。

（4）掌握智慧大田系统的电气控制原理、电气控制系统的线路连接与调试、远程控制等。

（5）了解智慧大田各子系统之间的连接关系，最终实现整机联调及运行。

2.1 走进智慧大田

以学校第一实训基地江苏农博园内的智慧大田为对象，让学生以第一视角的方式进入江苏农博园，通过漫游的场景、辅助的动画文字等，引导学生了解智慧大田的组成、操作方法与注意事项，达到让学生直观认知的效果。

2.2 智慧大田仿真系统的搭建

基于OBE 教学理念，以实际智慧大田的需求为目标，在虚拟仿真软件中搭建出与实际智慧大田场景一致的智慧大田仿真系统，培养学生的学习兴趣、整体设计能力、虚拟仿真操作能力和调试能力。智慧大田仿真系统的搭建主要包括以下3 个部分：

（1）环境监测系统的搭建。通过环境温度、湿度、光照强度、风速、风向、降雨量等传感器的搭配使用，完成大田智能气象站的搭建，了解各类传感器的功能、量程、精度、数据传输方式等，最终将大田现场实时采集到的相关参数在虚拟仿真软件中展现。

（2）精准灌溉施肥系统的搭建。从精准灌溉施肥机各部分硬件的搭建开始，到灌溉施肥管路的搭建，再到电气控制部分的搭建，通过一步一步的搭建，让学生掌握精准灌溉施肥系统的组成、各部分的功能和操作方法等。

（3）压力补偿喷灌系统的搭建。按照大田的实际面积和具体地块位置，选择主管与支管的口径，规划田间管道布局，计算所需的喷头数量，并在虚拟仿真软件中进行搭建，配合地块电磁阀，实现通过控制电磁阀分区精准灌溉与施肥。

通过智慧大田仿真系统的搭建，逐步引导学生从顶层设计开始，到各个子系统的搭建，通过自己的动手操作，一步一步实现功能，激发学生的学习兴趣，培养学生的创新思维能力。例如精准灌溉施肥系统的搭建实验教学过程分为以下4 步进行：

（1）对照实验室精准灌溉施肥系统的实物，引导学生了解精准灌溉施肥系统的组成。

（2）让学生在虚拟仿真软件中独立进行精准灌溉施肥系统的搭建，学生虚实结合，教师巡回指导。

（3）对学生操作过程中出现的常见问题，老师进行集中讲解，并示范操作。

（4）学生独立完成精准灌溉施肥系统的搭建，并完成相应模块的答题练习。

2.3 精准灌溉施肥机的使用

精准灌溉施肥机采用学院自主研发的NL-3 型施肥机为模型，给传统教学增加了更形象、更直观的展示方式。通过虚拟仿真操作让学生掌握精准灌溉施肥机的工作原理、各部分的功能、使用方式等。精准灌溉施肥机的工作原理通过动画方式展示，直观易懂。一方面，实际精准灌溉施肥机的操作会在虚拟仿真软件中展示出来，虚实结合，弥补了设备实际操作时观察难的问题；另一方面，可以通过虚拟仿真软件来控制实际精准灌溉施肥机的相应操作，实现了虚拟软件对实际设备的控制。

2.4 精准灌溉施肥机的电气控制

精准灌溉施肥机的电气控制接线需要先画出原理图、接线图，然后一步一步接线，可能会出现线全部接好了，但调试却出现了故障。查故障的过程会有些繁琐，还可能存在查不出故障的现象。因此，在精准灌溉施肥机的电气控制部分，通过虚拟仿真软件进行模拟接线非常重要，可以让学生先模拟完成虚拟接线，再进行实物接线，保证接线的准确性。这一部分主要在虚拟软件中设计3 个部分：（1）各个元器件的功能介绍及使用说明；（2）虚拟接线，包括数据采集模块的虚拟接线和执行机构的虚拟接线；（3）PLC 的编程、模拟仿真调试。

2.5 在线测评系统

改变传统的课堂教学评价方式，采用多元评价体系，注重过程评价。通过在虚拟仿真软件中设置相应模块的答题，学生答题结束后及时反馈答题的分数，来检验学生的学习效果，即做即评有利于学生更好地了解自身的掌握情况，也方便老师随时了解每个学生的学习情况，做到心中有数、分类施教，真正做到教学相长。

3 智慧大田虚拟仿真系统实现

智慧大田虚拟仿真系统基于Unity3D 平台开发，采用C#语言编程，3Ds Max、MAYA 建模，利用虚拟现实技术，构建智慧大田实训场景及场景内各个互动设备的三维模型，用户可在三维场景中自由漫游，掌握基于精准灌溉施肥机的智慧大田系统的组成、作业过程、精准灌溉施肥机的工作原理等。系统利用动态数学模型实时模拟真实实验现象和过程，通过3D 仿真交互式操作，产生和实际一致的实验现象和结果。支持鼠标点击交互、键盘移动操作，通过文字说明、动画演示等辅助效果提供立体感受，真正使用户实现身临其境的学习体验，每位学生都能亲自动手操作。

智慧大田虚拟仿真系统可与学校的开放式虚拟仿真实验教学管理平台进行无缝对接，实现资源共享和网络学习。

4 结 语

通过智慧大田虚拟仿真系统的开发与探索，进一步将机电技术赋能现代农业的典型案例引入到课堂教学中，培养学生学农、爱农、为农服务的意识和动手操作能力。通过虚实结合的方式进行实验方案的设计，让学生先了解实物，再利用虚拟仿真软件模拟搭建实物进行实操训练，由实到虚，再由虚到实，虚实结合、虚实互补。另外，虚拟仿真软件全天开放，方便学生随时随地进行在线实验，教师给学生布置探究性的学习任务，鼓励学生自己查阅资料，写预习报告或实验改进报告，教师在线指导，培养学生的自主学习能力。