9 2018年2月 總第283期 ISSN1672-1438 CN11-4994/T技術(shù)前沿與裝備應(yīng)用 基于Unity 3D的現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 張 軍 張觀山 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 山東泰安 271018 摘 要：結(jié)合現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)要求，采用四層軟件架構(gòu)體系，完成了現(xiàn)代化溫室大棚的結(jié)構(gòu)、溫室大棚 自動(dòng)控制系統(tǒng)以及溫室大棚常用機(jī)械等功能模塊的開(kāi)發(fā)。實(shí)踐結(jié)果表明，基于Unity 3D的現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系 統(tǒng)具備良好的三維展示和交互效果，操作簡(jiǎn)單，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)；四層軟件架構(gòu)體系；應(yīng)用價(jià)值 作者簡(jiǎn)介：張軍，大專(zhuān)，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，電子中心主任；張觀山，工學(xué)碩士，實(shí)驗(yàn)師。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)生成真實(shí)的三維虛擬環(huán)境， 使用戶(hù)沉浸虛擬環(huán)境之中，通過(guò)與虛擬環(huán)境的交互， 可產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在沉浸感、交 互性和實(shí)時(shí)性方面優(yōu)勢(shì)明顯 1,2 。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能 夠構(gòu)建具有真實(shí)感的虛擬仿真展示平臺(tái)，將虛擬仿真 展示平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。 現(xiàn)代化溫室大棚是用來(lái)栽培植物的設(shè)施，配備有各種 先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可通過(guò)各系統(tǒng)的合理運(yùn)作給 作物創(chuàng)造一個(gè)最適合的生長(zhǎng)環(huán)境。溫室內(nèi)各種先進(jìn)自 動(dòng)控制系統(tǒng)及農(nóng)機(jī)裝備集成了無(wú)數(shù)項(xiàng)自動(dòng)化、電氣、 農(nóng)業(yè)機(jī)械等專(zhuān)業(yè)技術(shù)，如果能夠掌握這些專(zhuān)業(yè)技術(shù)， 對(duì)于學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐能力將有很大的提升。由于 條件限制，學(xué)生無(wú)法對(duì)溫室內(nèi)先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行全面的學(xué) 習(xí)和認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展給現(xiàn)代化溫室大棚各 種先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)與認(rèn)知帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)。劉金明 3 等設(shè)計(jì)了基于Unity3D的電動(dòng)機(jī)虛擬仿真展示平臺(tái)設(shè) 計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、拆裝和工作原理進(jìn)行在 線(xiàn)展示。相茂英 4 等設(shè)計(jì)了基于Unity3D的化工設(shè)備 虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，完成了設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理等5個(gè)功 能模塊的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了化工設(shè)備虛擬培訓(xùn)。楊雪松 5 設(shè)計(jì)了基于Unity 3D的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)，解決了 發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)和拆裝訓(xùn)練存在的諸多問(wèn)題。本文提出了 一種基于Unity 3D的現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系 統(tǒng)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將溫室大棚的結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制 系統(tǒng)及農(nóng)機(jī)裝備的工作原理進(jìn)行詳細(xì)的展示。 1 Unity 3D技術(shù)概述 Unity 3D是由Unity Technologies公司研發(fā)的一個(gè) 專(zhuān)業(yè)游戲引擎，開(kāi)發(fā)者利用該游戲引擎可非常方便地 創(chuàng)建3D游戲、三維虛擬環(huán)境、3D動(dòng)畫(huà)模型等內(nèi)容， 近年來(lái)深受廣大軟件開(kāi)發(fā)者的喜愛(ài) 6-8 。Unity3D既可 以運(yùn)行在Windows，Mac等操作系統(tǒng)之下，又可將軟 件發(fā)布到Windows，Mac，Wii，iphone等主流平臺(tái) 下，同時(shí)支持網(wǎng)頁(yè)版本 9 。Unity 3D具有跨平臺(tái)、高度 優(yōu)化的圖形渲染管道、內(nèi)置物理引擎、兼容多種外部 資源、支持多語(yǔ)言并且可進(jìn)行可視化操作等特點(diǎn)，因 而被廣泛地應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、 虛擬展館、家具設(shè)計(jì)展示等各行各業(yè)中。 2 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì) 現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用Unity 3D 軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，結(jié)合三維建模軟件3ds max構(gòu)建模型， 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真教學(xué)及實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能。 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用四層軟件架構(gòu)體系，四層軟件架構(gòu)分別 為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、模型層、Unity 3D服務(wù)層。 如圖1為系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)圖。 動(dòng)態(tài)展示、人機(jī)交互 現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真 教學(xué)與實(shí)訓(xùn) C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā) 溫室大棚及主要設(shè)備模型 放大縮小 相機(jī)控制 聲音控制 動(dòng)作觸發(fā) 表現(xiàn)層 業(yè)務(wù)邏輯層 Unity 3D 服務(wù)層 模型層圖1 系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)圖 DOI:10.13492/j.cnki.cmee.2018.03.00410 2018年2月 總第283期 ISSN1672-1438 CN11-4994/T (1)表現(xiàn)層位于最外層(最上層)，離用戶(hù)最近，主 要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和軟件界面展示，負(fù)責(zé)提供業(yè)務(wù)操作 界面供用戶(hù)操作相關(guān)業(yè)務(wù)，同時(shí)對(duì)用戶(hù)業(yè)務(wù)操作結(jié)果 進(jìn)行展示，不涉及具體的數(shù)據(jù)處理 10 。 (2)業(yè)務(wù)邏輯層是針對(duì)具體邏輯問(wèn)題對(duì)模型層、 Unity3D服務(wù)層進(jìn)行操作，是系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部 分。業(yè)務(wù)邏輯層在整個(gè)架構(gòu)中的位置很關(guān)鍵，它處于 表現(xiàn)層與Unity3D服務(wù)層、模型層中間，在整個(gè)系統(tǒng) 中起到承上啟下的作用。 (3)Unity 3D服務(wù)層主要是控制系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯。 包括模型的放大、縮小、視角轉(zhuǎn)換、場(chǎng)景切換、動(dòng)作 觸發(fā)等。 (4)模型層主要針對(duì)溫室結(jié)構(gòu)、主要自動(dòng)控制系統(tǒng) 及農(nóng)機(jī)裝備模型進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。根據(jù)不同的功能模 塊，系統(tǒng)從模型層中調(diào)取不同的模型到達(dá)表現(xiàn)層，進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)相關(guān)設(shè)備的展示。 3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真系統(tǒng)以現(xiàn)代化溫室大 棚為原型，建立三維虛擬溫室大棚，重點(diǎn)展示內(nèi)容 包括現(xiàn)代化溫室大棚的結(jié)構(gòu)、溫室大棚自動(dòng)控制系 統(tǒng)以及溫室大棚的常用機(jī)械等。系統(tǒng)通過(guò)漫游行 走、熱點(diǎn)顯示、2.5D小地圖、設(shè)備結(jié)構(gòu)展示、設(shè)備 拆裝、工作原理展示等方式進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目 開(kāi)發(fā)。現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu) 圖如圖2所示?，F(xiàn)代化溫室大棚仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng) 溫室大棚結(jié)構(gòu)組成 溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng) 溫室大棚常用機(jī)械 氣 象 儀 控 制 室 墻 體 卷 膜 控 制 卷 簾 控 制 風(fēng) 機(jī) 濕 簾 施 肥 灌 溉 微 耕 機(jī) 播 種 機(jī) 暖 風(fēng) 機(jī) 圖2 現(xiàn)代化溫室大棚虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖 3.1 溫室大棚結(jié)構(gòu)組成 溫室大棚結(jié)構(gòu)組成部分包括氣象儀、控制室、 遮陽(yáng)網(wǎng)、太陽(yáng)能、墻體、骨架等部分。該模塊展示 幾種常見(jiàn)的溫室類(lèi)型，如文洛型玻璃溫室、里歇爾 溫室，并對(duì)溫室的建筑材料、骨架結(jié)構(gòu)以及不同結(jié) 構(gòu)的特點(diǎn)、適用用途等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。該 模塊還有溫室建造過(guò)程數(shù)字模擬功能，通過(guò)虛擬現(xiàn) 實(shí)的方式動(dòng)態(tài)展示溫室整個(gè)的建造過(guò)程，從而使用 戶(hù)對(duì)于溫室結(jié)構(gòu)有更加深刻的理解。此外系統(tǒng)設(shè)置 有考核模塊，用戶(hù)通過(guò)該模塊的學(xué)習(xí)之后，通過(guò)考 核模塊對(duì)溫室大棚結(jié)構(gòu)組成的掌握程度進(jìn)行考核， 考核之后系統(tǒng)給予評(píng)分。如圖3為現(xiàn)代化溫室大棚結(jié) 構(gòu)組成界面。圖3 溫室大棚結(jié)構(gòu)組成界面 3.2 溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng) 溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)為農(nóng)業(yè)溫室、農(nóng)業(yè) 環(huán)境控制、氣象觀測(cè)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)。 該功能模塊通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬測(cè)量風(fēng)向、風(fēng)速、 空氣溫濕度、太陽(yáng)光照度、大氣氣壓、降雨量、太陽(yáng) 輻射量、太陽(yáng)紫外線(xiàn)強(qiáng)度、土壤溫濕度等各種溫室環(huán) 境參數(shù)，并通過(guò)軟件設(shè)置模擬溫室內(nèi)植物生長(zhǎng)需求， 系統(tǒng)結(jié)合作物生長(zhǎng)需求以及當(dāng)前溫室環(huán)境狀況自動(dòng)控 制溫室大棚開(kāi)窗、卷膜、風(fēng)機(jī)濕簾、生物補(bǔ)光、灌溉 施肥等溫室環(huán)境自動(dòng)控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控溫 室內(nèi)環(huán)境達(dá)到適宜植物生長(zhǎng)的范圍的目標(biāo)，為溫室內(nèi) 植物生長(zhǎng)提供最佳環(huán)境。溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)部分 包括有卷簾控制系統(tǒng)、卷膜控制系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)濕簾系 統(tǒng)、遮陽(yáng)系統(tǒng)、補(bǔ)光控制系統(tǒng)、施肥灌溉系統(tǒng)等，采 用三維互動(dòng)、三維動(dòng)畫(huà)、平面動(dòng)畫(huà)等形式，形象化展 示設(shè)備、傳感器工作原理、自動(dòng)控制系統(tǒng)生產(chǎn)工作流 程。此外系統(tǒng)通過(guò)文字或者語(yǔ)音介紹、拆裝動(dòng)畫(huà)、模 擬作業(yè)等形式展示溫室內(nèi)主要控制系統(tǒng)的工作過(guò)程以 及工作原理，從而達(dá)到認(rèn)知與教學(xué)的目的。如圖4為 溫室卷簾機(jī)工作界面，圖5為溫室卷膜機(jī)工作界面。圖4 溫室卷簾機(jī)工作界面11 2018年2月 總第283期 ISSN1672-1438 CN11-4994/T圖5 溫室卷膜機(jī)工作界面 3.3 溫室大棚常用機(jī)械 溫室大棚常用機(jī)械包括微耕機(jī)、播種機(jī)、植保 機(jī)械、暖風(fēng)機(jī)等。該部分包括模擬作業(yè)、虛擬拆裝、 理論教學(xué)三大功能功能模塊。模擬作業(yè)模塊可模擬人 工操作，展示溫室常用機(jī)械的使用方法以及安全注意 事項(xiàng)。虛擬拆裝模塊可對(duì)溫室內(nèi)幾種常用機(jī)械進(jìn)行拆 裝練習(xí)，展示幾種常用機(jī)械的內(nèi)部原理，從而使用戶(hù) 對(duì)溫室常用機(jī)械有一個(gè)更加深刻的認(rèn)識(shí)。理論教學(xué)模 塊基于三維模型，通過(guò)爆炸視圖、透明顯示等方式展 示設(shè)備內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)文字、圖片、語(yǔ)音的形 勢(shì)展示幾種常用機(jī)械的結(jié)構(gòu)組成、工作原理等內(nèi)容， 從而使用戶(hù)針對(duì)溫室常用機(jī)械有更加全面、系統(tǒng)的認(rèn) 識(shí)。如圖6為暖風(fēng)機(jī)工作原理展示界面。圖6 暖風(fēng)機(jī)工作原理展示界面 4 結(jié)語(yǔ) 針對(duì)現(xiàn)代化溫室大棚在使用培訓(xùn)、工作原理學(xué)習(xí) 等方面的需求，借助Unity 3D可跨平臺(tái)、高度優(yōu)化的 圖形渲染管道、內(nèi)置物理引擎、兼容多種外部資源、 支持多語(yǔ)言并且可進(jìn)行可視化操作等特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了現(xiàn)代 化溫室大棚虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的理論學(xué) 習(xí)、實(shí)際操作等培訓(xùn)學(xué)習(xí)方式。軟件界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、 操作友好、上手容易，達(dá)到了理論教學(xué)與操作實(shí)踐并 用的目的。學(xué)生及溫室管理人員通過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)溫室的 結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握溫室內(nèi)設(shè)備使用及維護(hù)知識(shí)， 因此該系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。與此同時(shí)該系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)代化溫室大棚的全面培訓(xùn)，給傳統(tǒng)的 設(shè)備培訓(xùn)方式帶來(lái)了新的思路，具備一定的推廣應(yīng)用 的價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 1 馮桂珍,池建斌,王大鳴.VRML虛擬校園漫游與交互技術(shù)J.工 程圖學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(5):40-45. 2 白海軍,高云麗.計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校體育訓(xùn)練中的應(yīng) 用J.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2013,25(3):105-107. 3 劉金明,馬鐵民,王娜.基于Unity3D的電動(dòng)機(jī)虛擬仿真展示平 臺(tái)設(shè)計(jì)J.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2014,26(3):66-68. 4 相茂英,馬純永,韓勇.基于Unity3D的化工設(shè)備虛擬培訓(xùn)系統(tǒng) 研究J.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2014,24(7):196-200. 5 楊雪松.基于Unity 3D的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬拆裝系統(tǒng)研究J.設(shè)計(jì)與 研究,2016,43(1):32-35. 6 Xie J.Research on key technologies base Unity3D game engineC. 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