全 文 ：稻麦轮作 FACE系统平台 Ⅱ. 系统控制和
数据分析软件 3
韩　勇1 3 3 　刘　钢1 　朱建国1 　冈田益己3 　吉本真由美2
(1 中国科学院南京土壤研究所土壤圈物质循环开放实验室 ,江苏省南京市 ,210008 ;2 日本农业环境技术研究所 , Tsukuba
30528604 ;3 日本东北农业研究中心 ,Morioka 02020198)
【摘要】　稻麦轮作水稻田建立开放式空气 CO2 增加即 FACE系统 ( Free Air CO2 Enrichment)的管理、系统
所测定及系统控制过程中每天都产生大量数据. 用汇编语言和 Visual BASIC 语言编写的 FACE 数据采集
控制和分析处理软件包能够自动操作任务并利用 OL E技术开发 Office 应用程序的功能 ,具有系统平台控
制、数据采集、原始数据存储备份、日数据处理、月数据处理和任意时间段的 FACE系统控制状态分析等功
能 ,FACE系统控制人员可以及时了解 FACE系统的控制状态和改善控制精度 ,研究人员借助软件包可以
随时便利地获取所需数据.
关键词 　CO2 浓度增高 ( FACE) 　数据处理 　软件包
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 10 - 1259 - 05 　中图分类号 　S181 　文献标识码 　A
Rice2wheat rotational FACE platform II. Data processing software package. HAN Yong1 , L IU Gang1 , ZHU
Jianguo1 , Okada M3 , Yoshimoto M2 (1 Institute of Soil Science , Chinese Academy of Science , N anjing
210008 ;2 N ational Institute of A gro2Envi ronmental Sciences , 32121 Kannondai , Tsukuba , Japan 3052
8604 ;3 Depart ment of Biology and Envi ronmental Sciences , Tohoku N ational A gricultural Ex periment S ta2
tion , A kahi ra , S himokuriyagaw a , Morioka , Japan 02020198) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (10) : 1259
～1263.
A large amount data are brought from daily control , data collection and processing of FACE platform. A FACE
system control , data collection and processing software package written in Visual BASIC including OL E to sup2
port office functions can finish the platform control , data collection , original data save and backup , daily data
processing , monthly data processing and whole time FACE system control status analysis functions , so FACE
system controllers can observe FACE system control status and keep control precision timely , and the researchers
can get the data they want at any moment and convenient .
Key words 　Free2air CO2 enrichment ( FACE) , Data processing , Software package.3 中国科学院知识创新重要方向项目 ( KZCX222408) 和国家自然科
学基金重大国际合作研究资助项目 (40120140817) .3 3 通信联系人.
2002 - 06 - 28 收稿 ,2002 - 08 - 18 接受
1 　引 　　言
前文报道了建立在江苏无锡年余农场的稻田稻
麦轮作 FACE 系统平台的系统结构和控制[4 ] . 该系
统由 CO2 储存、气化、送气、调节和数据采集控制和
处理系统组成 ,系统共有 3 个 FACE 试验圈、5 个对
照圈和 1 个气象站. 系统每秒钟采集 3 个 FACE 圈
中心作物冠层高度的 CO2 、各 FACE 圈中 16 个分布
在不同位置和高度的 CO2 、3 个对照圈中心作物冠
层高度的 CO2 、各对照圈中 2 个分布在不同高度的
CO2 以及系统各部位的控制状态数据 ,对数据进行
处理分析 ,根据结果对各个 FACE 圈的 CO2 浓度进
行控制. 因此 ,系统每天处理的数据量达 1M 多 ,建
立一个功能健全的数据采集控制和处理软件包是保
证 FACE 系统运行的基础 ,可以使研究人员及时地
掌握平台的控制状况 ,随时调整控制方程的参数以
保证平台的控制精度. 同时可以将研究人员从繁重
的数据处理工作中解脱出来.
2 　软件包构成
　　软件包由 3 个模块组成 ,即数据采集控制模块、
数据通讯分析模块和数据备份及处理模块. 数据采
集控制模块主要功能是对 FACE 圈和对照圈的 CO2
浓度进行采样分析 ,将数据上传给数据通讯分析模
块 ,并根据数据通讯分析模块设定的 CO2 目标值对
3 个 FACE 圈的 CO2 浓度进行控制. 数据通讯分析
模块主要功能是接受数据采集控制模块传来的数
据 ,对数据进行分析得出 FACE 圈的 CO2 设定值并
传给数据采集控制模块. 数据通讯分析模块的人机
应 用 生 态 学 报 　2002 年 10 月 　第 13 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2002 ,13 (10)∶1259～1263
对话界面将各种数据根据操作员的指令进行显示 ,
记录系统的控制状况. 数据备份及处理模块主要功
能是每天对系统的所有数据进行自动备份 ,每天对
FACE 圈、对照圈、气象数据和系统控制状况进行分
析处理 ,绘出相应的图表.
211 　数据采集控制模块
数据采集控制模块分为 3 部分 : FACE 圈模块、
对照圈模块和气象站模块. 模块用汇编语言编写、编
译后 ,传给 CR10X 测量控制器 ( CAMPBELL SCI.
INC. ) [1 ] ,CR10X 按设定的时间间隔执行. 模块同
时结合 CAMPBELL 公司提供的 PC208W 测量控制
器支持软件包可以根据控制人员的要求以数字方式
和曲线图形方式显示测量数据和控制状态 ,也可以
适时对控制参数进行修改. FACE 圈和对照圈模块
的流程如图 1 所示. FACE 模块每 s 运行一次 ,初始
化过程设定 PID 方程偏差比例调节 Mtr —P、积分比
例调节 Mtr- I 和微分比例调节 Mtr —D 的值、放气阀
门限制方程白天和夜晚的X1 、X2 、Y1 、Y2和中值、
图 1 　数据采集控制模块流程图
Fig. 1 Flow chart of data collection and control module.
(a) FACE 圈 FACE ring , (b)对照圈 Control ring.
0621 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
螺纹杆阀门控制电压的上下限以及调节系统压力的
上下限. 每次运行测定控制采样点的 CO2 浓度、16
个分布采样点中的一个点的 CO2 浓度、风速风向、
送气管道气压、分气缸气压、螺纹阀门出口处气压以
及 2 个 CO2 分析仪的工作气压. 每 5s 时测定测量控
制器的电池电压及内部温度. 根据风速风向和测定
的 CO2 浓度与 CO2 设定值的差异 ,利用放气阀门限
制方程和 PID 方程计算出控制放气阀门的输出电
压 ,控制放气阀门开启幅度. 并选通采样口 ,打开采
样阀门. 每 1min 时模块将存储测量控制仪的编号、
日期、时间、自年初起的总天数、最后 5s 和 30s
FACE 圈中心作物冠层高度的 CO2 浓度平均值、
CO2 设定值、风向、最后 5s 的风速平均值、系统各点
的气压平均值、白天夜晚标志、气体采样点编号以及
该点 CO2 浓度的 30s 平均值. 每 1h 时模块存储测量
控制仪的编号、日期、时间、自年初起的总天数、测量
控制仪电压和温度、白天夜晚标志、Mtr —P、Mtr —I、
Mtr —D、该小时的 X1、X2、Y1、Y2 和中值. 模块放气
阀门限制及应用 PID 方程控制螺纹杆阀门的开启
程度已在FACE系统硬件描述文章中详细讨论了 ,
这里不在描述了. 对照圈模块每 s 运行一次 ,分别测
定 3 个采样口中 1 个口的 CO2 浓度及 CO2 分析仪
的工作气压. 每 2min 时模块将存储测量控制仪的编
号、日期、时间、自年初起的总天数、最后1 min的
图 2 　数据通讯分析模块流程图
Fig. 2 Flow chart of data communications and processing module.
162110 期 　　　　　　　　　　　韩 　勇等 :稻麦轮作 FACE系统平台 Ⅱ. 系统控制和数据分析软件 　　　　　　　　
CO2 浓度平均值、CO2 分析仪的工作气压平均值及
气体采样点编号. 每 1h 时模块存储测量控制仪的编
号、日期、时间、自年初起的总天数、测量控制仪电压
和温度. 气象站模块每 10s 运行一次 ,运行时测定气
温、相对湿度、辐射、光亮子、大气气压和降雨量. 每
10min 时模块将存储测量控制仪的编号、日期、时间
以及所测量的各个值.
212 　数据通讯分析模块
数据通讯分析模块用 Visual BASIC 语言编写 ,
在控制计算机上运行. 程序流程如图 2 所示. 模块利
用 CAMPBELL 公司提供的 CS16 程序库建立控制
计算机与测量控制仪的通讯[2 ] ,在控制计算机上提
供一个人机界面 ,定时从测量控制器提取数据. 程序
设置为每 6 分钟运行一次 ,显示各对照圈的 CO2 浓
度值、各 FACE 圈的 CO2 值、CO2 设定值、风速风
向、各测量控制仪工作状态以及气象数据. 运行时从
3 个对照圈的 CO2 浓度中选取最小值作为环境 CO2
浓度的背景值 ,再加 200μmol·mol - 1传给 3 个 FACE
圈作为 FACE 圈的 CO2 浓度设定值. 模块并在通讯
过程中检查所有的测量控制仪工作是否正常 ,记录
在状态数据文件中. 模块根据本机时间设定测量控
制仪的白天夜晚标志 ,在每天 0 时提取前一天的所
有数据按圈存入数据文件并备份. 如果与某个测量
控制器的通讯没有连接上 ,每隔 6min 程序会尝试连
接 ,共尝试 2 次. 同时 ,模块还包含 2 个 CAMBPELL
公司提供的 PC208W 测量控制器支持软件 ,可以以
表格形式或曲线图形根据控制人员的要求显示测量
数据和系统控制状况.
图 3 　数据处理部分的程序流程图.
Fig. 3 Flow chart of data processing program.
213 　数据备份及处理模块
　　数据备份及处理模块也用 Visual BASIC 语言
编写 ,在服务器计算机上运行. 数据备份及处理模块
分为 2 部分 :数据备份和数据处理. 每天 0 时 30 分
2621 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
数据备份程序启动 ,从控制计算机中提取前一天的
所有数据 ,备份在服务器硬盘上 ,并对数据文件中可
能发生的错误进行修正. 同时检查控制计算机上的
控制状态数据文件 ,若有控制问题即向控制人员发
出警告消息 ,提示故障部位供参考. 数据处理部分的
程序流程如图 3 所示. 数据处理部分程序功能一是
将原始数据中的控制状态数据分离出来 ,再将测量
数据和控制状态数据分别存入数据库以备今后研究
利用. 二是将数据分类、数据预处理、统计分析和制
作图表等工作结合在一起 ,利用编制的程序自动处
理 ,达到既快速处理每天大量的数据又便于操作.
3 　软件功能
软件包经过 2001 年稻季运行已证明可以满足
FACE 系统研究的需要. FACE 系统操作人员和研
究人员无需培训即可使用软件包 ,可以随时掌握系
统的控制状态 ,有助于操作人员对 FACE 系统的控
制.研究人员也可以根据自己的需要获取数据及相
应的图表. 软件包大大减轻了系统控制人员和研究
人员的数据分析和处理的工作量 ,可以在几分钟内
完成所要求的数据分析处理工作. 前文中所有数据
分析处理的图形都是用这个软件包做成的[4 ] .
在软件包的编制过程中作者尝试利用 Visual
BASIC 开发 Office 应用程序的功能. 作为一种简捷、
系统的 Windows 应用程序开发工具 ,Visual BASIC
具有强大的数据处理功能 ,提供了多种数据访问方
法 ,可以方便地存取 Microsoft SQL Server、Oracle、
XBase 等多种数据库 ,被广泛应用于建立各种信息
管理系统. 但是 ,VB 缺乏足够的、符合中文习惯的
数据表格输出功能 ,虽然使用 Crystal Report 控件及
Crystal Reports 程序可以输出报表 ,但操作起来很
麻烦 ,中文处理能力也不理想. Excel 作为 Microsoft
公司的表格处理软件在表格和绘制各种图形方面有
着强大的功能 ,我们可用 VB 编写直接控制 Excel 操
作的程序 ,用 VB 的 OL E 自动化技术获取 Excel 的
控制句柄 ,从而直接控制 Excel 的一系列操作.
用 VB 可编写直接控制 Excel 操作的程序 ,用
VB 的 OL E 自动化技术获取 Excel 的控制句柄 ,从
而直接控制 Excel 的一系列操作[3 ] . 与用 VBA 语言
编写的 Excel 控制程序相比 ,两者主要有如下差异 :
1)实现 VB 对 Excel 的直接控制后 ,可在用户所编的
程序中调用 Excel ,即从控制界面直接调入 Excel ,且
退出 Excel 后又回到控制界面 ,使人看起来就如 Ex2
cel 是依附于用户程序上. 这给既想获取 Excel 的强
大支持 ,又想编写”傻瓜”软件交给不熟悉计算机的
用户使用的程序员来说 ,其好处是不言而喻的.
VBA 则必须依附于特定的 Excel 环境 ,且只有先进
入确定的 Excel 环境后 ,才能运行 VBA 程序. 2) 用
VB 实现 Excel 的控制后 ,所有程序可编译成完整的
EXE执行文件 ,直接在 Windows 平台上执行 ,运行
环境更为简洁明了 ,程序更易加密. 不会因为有多个
程序指令块带来管理麻烦 ,也不易因用户的不小心
使用而出现程序丢失 ,造成功能短缺. VBA 编写的
程序最大的不方便是不能编译成执行文件 ,不能脱
离其主应用程序独立运行. 3) VBA 在 Excel 环境中 ,
几乎是一个万能的工具 ,可通过建立功能强大的宏
指令来扩展或模拟 Excel 的全部功能. 而 VB 的
OL E 自动技术目前还不能实现 Excel 所有功能的模
拟与控制. 编程人员可以直接利用录制宏功能 ,在
Excel 中将所需要的绘制图形的操作、制表操作、图
表格式化等直接录制为 VBA 的程序 ,将 VBA 的程
序直接在 VB 程序中引用 ,这样编程人员既可以避
免繁重的 Excel 功能开发的编程又能够保证程序的
可靠性.
在软件包里测量数据的分析如计算平均值、
TAR 值、按各种不同风速分类的 TAR 值、风向在各
个方向上的分布等等用 VB 做 ,而各种图形和表格
由 VB 调用 Office 的相应作图功能完成.
致谢 　作者真诚地感谢日本东北农业研究中心的 Nakamura
先生在制作 FACE数据采集控制和分析处理软件包时所给
予的帮助.
参考文献
1 　Campbell Scientific , Inc. 1997. CR10X Measurement and Control
Module Operator’s Manual. Campbell Scientific , Inc.
2 　Campbell Scientific , Inc. 1999. PC208W Datalogger Support
Software. Campbell Scientific , Inc.
3 　David B. 1999. The Basic of Microsoft Visual Basic for Application.
Redmond , Washington : Microsoft Press.
4 　Liu G(刘 　钢) , Han Y(韩　勇) , Zhu J2G(朱建国) , et al . 2002.
Rice2wheat rotational FACE platform I. System sturcture and con2
trol , Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,13 (10) :1253～1258 (in
Chinese)
作者简介 　韩 　勇 ,男 ,1956 年生 ,副研究员 ,主要从事溶质
迁移模型研究 ,发表相关论文多篇. E2mail : hanyong @issas.
ac. cn
362110 期 　　　　　　　　　　　韩 　勇等 :稻麦轮作 FACE系统平台 Ⅱ. 系统控制和数据分析软件