年 第 期 第 卷 農(nóng)機(jī)化研究 智能傳感技術(shù)在水肥一體系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 祝 鵬 郭艷光 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 摘 要 以進(jìn)一步提升水肥一體機(jī)系統(tǒng)的作業(yè)效率為目標(biāo) 選取智能傳感的監(jiān)測(cè)技術(shù) 針對(duì)整機(jī)的監(jiān)測(cè)控制與信號(hào)處理 展開應(yīng)用設(shè)計(jì)研究 考慮水肥一體機(jī)過程作業(yè)肥液融合的均勻性及系統(tǒng)各模塊之間的協(xié)同性功能實(shí)現(xiàn) 結(jié)合微分補(bǔ)償?shù)?傳感數(shù)據(jù)算法處理方法 進(jìn)行智能傳感的水肥一體機(jī)架構(gòu)布局 并匹配可執(zhí)行的軟件控制程序及硬件實(shí)施結(jié)構(gòu) 進(jìn)行實(shí)地 傳感應(yīng)用監(jiān)測(cè)與灌施控制作業(yè)試驗(yàn) 結(jié)果表明 水肥一體機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá) 系統(tǒng)故障率相對(duì)降低 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí) 能夠確保系統(tǒng)各環(huán)節(jié)指令得到有效的調(diào)整與反饋 進(jìn)而保證灌施土壤的含水穩(wěn)定率相對(duì)提升 對(duì)于作物的穩(wěn)定生長(zhǎng)與產(chǎn)量提升有重要的參考價(jià)值 關(guān)鍵詞 水肥一體機(jī) 智能傳感 信號(hào)處理 微分補(bǔ)償 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率 中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 文章編號(hào) 收稿日期 基金項(xiàng)目 內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目 內(nèi)蒙古自治區(qū)科 技重大專項(xiàng) 內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究 項(xiàng)目 內(nèi)蒙古哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目 作者簡(jiǎn)介 祝 鵬 男 山東日照人 講師 碩士 通訊作者 郭艷光 男 內(nèi)蒙赤峰人 教授 碩士 引 言 近年來 我國(guó)農(nóng)業(yè)種植培育技術(shù)不斷迭代更新 包 含物聯(lián)網(wǎng) 云網(wǎng)絡(luò) 智能控制等 國(guó)內(nèi)外的農(nóng)機(jī)裝備更 是趨于無人化 智能化與數(shù)字化 且在灌溉與施肥環(huán)節(jié) 的農(nóng)業(yè)設(shè)施更是以多元化 多樣性的技術(shù)方案運(yùn)用到 實(shí)際作業(yè)中 從國(guó)外調(diào)研來看 在控制算法及過程監(jiān) 控方面做得很好 更重視智能傳感與精準(zhǔn)通信的功能 實(shí)現(xiàn) 從國(guó)內(nèi)調(diào)研來看 已經(jīng)將水肥一體機(jī)的同步灌溉 控制運(yùn)用成熟 在肥液的配比方面還做了深入的處理 但在數(shù)據(jù)的信號(hào)傳輸與監(jiān)測(cè)方面應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化 為 此 筆者擬結(jié)合傳感器的智能化控制理念 展開水肥一 體機(jī)的系統(tǒng)應(yīng)用研究 水肥一體機(jī)概述 水肥一體機(jī)是針對(duì)農(nóng)作物及經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行智能 灌溉施肥的綜合裝置 作業(yè)原理核心在于將肥料通過 一定的比例與水分混合 得到最佳的營(yíng)養(yǎng)肥液 并自 動(dòng)地輸送至待灌溉培育作物的根系或者莖葉位置 從通用型水肥一體機(jī)的系統(tǒng)組成 見圖 可知 一套 完整的水肥一體機(jī)系統(tǒng)主要由攝像頭 控制中心 用 戶 傳感器裝置及控制閥等組件組成 通過利用傳感 器與視覺的相互融合 獲取準(zhǔn)確的作物生長(zhǎng) 水肥需 求信息 從而進(jìn)行科學(xué) 精準(zhǔn)的灌施 整體作業(yè)過程 中 信號(hào)的采集與傳輸成為系統(tǒng)良好運(yùn)行的首要因 素 傳感信息的全面性不容忽視 故從通信與決策的 連接環(huán)節(jié) 智能傳感控制角度提出應(yīng)用方案 智能傳感應(yīng)用設(shè)計(jì) 布局架構(gòu)搭建 首先 考慮系統(tǒng)的肥液混合均勻性 將肥液混合 優(yōu)化灌溉控制方法導(dǎo)入系統(tǒng) 確保水肥與肥液充分混 合溶解 灌施量計(jì)算式為 null null 式中 水肥一體機(jī)系統(tǒng)灌施量 水肥一體機(jī)系統(tǒng)中的肥液基質(zhì)含水率 水肥一體機(jī)系統(tǒng)中的傳感器測(cè)定含水率 水肥一體機(jī)系統(tǒng)中肥液體積 灌施土壤的含水比 水肥一體機(jī)系統(tǒng)水分有效利用率 在此基礎(chǔ)上 將基站以無線局域網(wǎng)模式按區(qū)域 分布 同時(shí)設(shè)置各網(wǎng)關(guān)下的傳感器控制節(jié)點(diǎn) 實(shí)行全 面覆蓋 確定設(shè)計(jì)應(yīng)用布局算法的流程 見圖 并通 過準(zhǔn)確獲取各傳感節(jié)點(diǎn)矩陣位置 進(jìn)行一致性判定 分配傳感節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù) 經(jīng)匯集系統(tǒng)中心 進(jìn)行指令的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化 完成智能傳感的算法應(yīng)用 第 期祝鵬等 智能傳感技術(shù)在水肥一體系統(tǒng)中的應(yīng)用研究第 卷 處理 圖 通用型水肥一體機(jī)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖 圖 智能傳感技術(shù)應(yīng)用布局算法流程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)圖 進(jìn)一步在氣候 土壤 作物特征及灌施決策方面 考慮信息傳遞的布局劃分 以各傳感器采集數(shù)據(jù)的實(shí) 時(shí)性與準(zhǔn)確性為出發(fā)點(diǎn) 進(jìn)行有效特征提取處理 采 用跟蹤微分器與補(bǔ)償控制相融合方式深度優(yōu)化 保證 數(shù)據(jù)傳感精度 形成自上而下的監(jiān)測(cè)布局 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)選用單片機(jī)作為主體程序控制 進(jìn)行灌施程 序核心代碼更新導(dǎo)入 將系統(tǒng)軟件控制以功能實(shí)現(xiàn) 為切入點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置 見表 主要分解為灌溉控制 閥 門啟閉 流量監(jiān)測(cè)與肥量監(jiān)測(cè)等 個(gè)模塊 表 基于智能傳感的水肥一體機(jī)系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)置 序號(hào)模塊名稱功能實(shí)現(xiàn) 灌溉控制灌溉過程監(jiān)測(cè) 閥門啟閉閥門智能控制 泵啟閉泵智能控制 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)管路狀況監(jiān)測(cè) 墑情監(jiān)測(cè)墑情信息數(shù)據(jù)傳遞 流量監(jiān)測(cè)流量信息數(shù)據(jù)傳遞 肥量監(jiān)測(cè)肥液信息數(shù)據(jù)傳遞 系統(tǒng)設(shè)置系統(tǒng)輔助功能運(yùn)作 針對(duì)傳感區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化 從系統(tǒng)的作業(yè)便捷性角 度出發(fā) 劃分為作業(yè)區(qū)傳感器與機(jī)載部分傳感器 增設(shè) 相匹配的 異常報(bào)警與修復(fù)程序 得到水肥一體 機(jī)系統(tǒng)的智能傳感區(qū)域劃分 如圖 所示 在作業(yè)區(qū) 將土壤溫濕度 空氣溫濕度及光照強(qiáng)度等作為基礎(chǔ)數(shù) 據(jù) 以知識(shí)庫(kù)形式運(yùn)作 在機(jī)載區(qū) 將 傳感器和 傳感器作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)控運(yùn)作 此傳感布置能達(dá) 到很好的智能監(jiān)測(cè)目標(biāo) 圖 水肥一體機(jī)系統(tǒng)的智能傳感區(qū)域劃分簡(jiǎn)圖 第 卷農(nóng)機(jī)化研究第 期 系統(tǒng)硬件配置 結(jié)合上述水肥一體機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 進(jìn)行系統(tǒng) 硬件核心配置 考慮實(shí)際灌溉管理面積與單位面積 的肥料用量等影響因素 進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi) 值與 值的 閾值設(shè)定 然后 根據(jù)用于灌溉施肥的肥液種類配置 相應(yīng)的控制通道 并導(dǎo)入相應(yīng)的方案選擇模式 確保 系統(tǒng)各過程參數(shù)監(jiān)測(cè)的正確性 信號(hào)傳遞的及時(shí)性 同時(shí) 選用具有無間斷供電且抗信號(hào)干擾能力強(qiáng)的電 源模塊 在電源模塊的支撐下 設(shè)計(jì)水肥一體機(jī)系統(tǒng)主要 硬件配置結(jié)構(gòu) 包括肥液檢測(cè)裝置組件 回液檢測(cè)裝 置組件 灌溉決策裝置組件 通信裝置組件及灌溉裝 置組件 如圖 所示 其中 在通信裝置組件中的傳 感環(huán)節(jié) 進(jìn)行智能傳感模塊參數(shù)選型配置 如表 所 示 表 中 傳感器選用 型 傳感器 選用 型 可保證較好的分辨率 降低監(jiān)測(cè)誤 差 達(dá)到智能傳感的精度要求 同時(shí)提供良好的三級(jí) 過濾裝置 確保肥液在系統(tǒng)及管路中順暢流通 圖 水肥一體機(jī)系統(tǒng)的主要硬件配置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 表 水肥一體機(jī)系統(tǒng)的核心智能傳感模塊參數(shù)選型及配置 序號(hào)名稱型號(hào) 參數(shù) 溫濕度傳感器 數(shù)字型 光強(qiáng)度傳感器 傳感器 續(xù)表 序號(hào)名稱型號(hào) 參數(shù) 傳感器 光強(qiáng)度匹配芯片 空氣傳感器 數(shù)據(jù)接口 連接引腳 應(yīng)用試驗(yàn) 試驗(yàn)條件 選定灌溉培育的生長(zhǎng)期西紅柿作為試驗(yàn)對(duì)象 確 保水源供應(yīng)充足 進(jìn)行氮肥與水分的同步式灌溉 搭 建作業(yè)試驗(yàn)裝置 見圖 在溫室大棚中展開試驗(yàn) 并 滿足核心試驗(yàn)條件 試驗(yàn)裝置線路連接正確 傳感器節(jié)點(diǎn)布 置合理 系統(tǒng)閥組模塊與傳感模塊監(jiān)測(cè)動(dòng)作執(zhí)行及時(shí) 準(zhǔn)確 系統(tǒng)不可控誤差以系數(shù)規(guī)則控制 各試驗(yàn)數(shù)據(jù) 如實(shí)監(jiān)測(cè)輸出 圖 基于智能傳感的水肥一體機(jī)系統(tǒng)作業(yè)試驗(yàn)裝置 討論分析 選取 個(gè)監(jiān)測(cè)位置并進(jìn)行編號(hào) 各區(qū)域位置的灌 第 期祝鵬等 智能傳感技術(shù)在水肥一體系統(tǒng)中的應(yīng)用研究第 卷 溉執(zhí)行以位置獲取到的土壤含水率作為生長(zhǎng)所需肥 料的基準(zhǔn)值 統(tǒng)計(jì) 天的灌溉信號(hào)動(dòng)作執(zhí)行次數(shù) 得 到基于智能傳感的水肥一體機(jī)系統(tǒng)作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng) 計(jì) 如表 所示 由表 可看出 此灌溉區(qū)域的土壤含 水率分布較為穩(wěn)定 在智能傳感的檢查下系統(tǒng)肥液灌 溉信號(hào)執(zhí)行次數(shù)在 之間 土壤含水率能夠通過合 理的灌施執(zhí)行維持在 之間 保證西 紅柿幼苗較好地生長(zhǎng) 同時(shí) 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá) 平均值為 驗(yàn)證了此系統(tǒng)智能傳感設(shè) 計(jì)應(yīng)用的可行性與有效性 滿足智能灌施要求 表 基于智能傳感的水肥一體機(jī)系統(tǒng)作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 監(jiān)測(cè) 位置 肥液灌溉 信號(hào)執(zhí)行 次 土壤含水率 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè) 準(zhǔn)確率 平均 針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 與 軟件處理轉(zhuǎn) 換 選定系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率 系統(tǒng)故障率 系統(tǒng)節(jié)水 率 土壤含水穩(wěn)定率及系統(tǒng)作業(yè)效率為評(píng)定參數(shù) 得 到智能傳感技術(shù)應(yīng)用的水肥一體機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指 標(biāo)對(duì)比情況列表 如表 所示 表 智能傳感應(yīng)用水肥一體機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比 指標(biāo)名稱應(yīng)用前應(yīng)用后對(duì)比效果 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率 系統(tǒng)故障率 系統(tǒng)節(jié)水率 土壤含水穩(wěn)定率 作業(yè)效率 由表 可以看出 智能傳感裝置節(jié)點(diǎn)的合理布置 與內(nèi)部程序的優(yōu)化控制 有利于提升水肥一體機(jī)的各 項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo) 相對(duì)于優(yōu)化應(yīng)用前數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率 由 提升為 系統(tǒng)故障率在內(nèi)部均勻性 較好與監(jiān)測(cè)信號(hào)反饋及時(shí)的條件下由 降低至 系統(tǒng)節(jié)水率由 提升為 土壤含 水穩(wěn)定率由 提升為 具有較好的作物 培育效果 系統(tǒng)作業(yè)效率由 提升為 試驗(yàn)作業(yè)效果良好 結(jié) 論 基于水肥一體機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和作業(yè)機(jī)理 從智能傳感技術(shù)的理念入手 搭建智能傳感優(yōu)化的布 局架構(gòu) 進(jìn)行正確的系統(tǒng)軟件控制設(shè)計(jì)與核心硬件配 置 得到了全新的智能傳感控制水肥一體機(jī)系統(tǒng) 進(jìn)行基于傳感應(yīng)用技術(shù)的水肥一體機(jī)信號(hào)監(jiān) 測(cè)與調(diào)控作業(yè)試驗(yàn) 結(jié)果表明 作業(yè)效率在系統(tǒng)故障 率降低的情況下可達(dá) 整個(gè)過程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與 傳感智能獲取精準(zhǔn) 有效 肥液均勻混合及信號(hào)傳感 節(jié)點(diǎn)分布起到至關(guān)重要的作用 整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定 參考文獻(xiàn) 魯娟利 姜建國(guó) 李鵬偉 基于 數(shù)據(jù)挖掘的水肥一體 機(jī)功能參數(shù)實(shí)現(xiàn) 農(nóng)機(jī)化研究 周良富 金永奎 薛新宇 電磁閥開關(guān)模式下文丘里施肥 器吸肥特性研究 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 邱林 李榮輝 基于計(jì)算機(jī)控制的水肥一體機(jī)通信系統(tǒng)模 塊設(shè)計(jì) 農(nóng)機(jī)化研究 江新蘭 楊邦杰 高萬林 等 基于兩線解碼技術(shù)的水肥一 體化云灌溉系統(tǒng)研究 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 增刊 金永奎 周良富 孫竹 等 水肥一體機(jī)吸肥性能影響因素 試驗(yàn)分析 農(nóng)機(jī)化研究 安勝鑫 王曉麗 薛寶松 等 基于云平臺(tái)的智能水肥一體 機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā) 農(nóng)業(yè)工程 韓洪杰 錢彬 水肥一體機(jī)核心部件間嵌入式通信接口設(shè) 計(jì) 農(nóng)機(jī)化研究 王志強(qiáng) 鈕丹丹 王佳興 等 大規(guī)模用水節(jié)點(diǎn)的灌溉物聯(lián) 網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 張璐璐 孔國(guó)利 基于 和 的農(nóng)田灌溉水質(zhì)監(jiān) 測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 農(nóng)機(jī)化研究 王柳 丁小明 李愷 等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智 能灌溉系統(tǒng)研制 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 劉曉辰 曹春燕 王思思 等 土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)在灌溉 第 卷農(nóng)機(jī)化研究第 期 水利用系數(shù)測(cè)算中的應(yīng)用 農(nóng)機(jī)化研究 張武 張嫚嫚 洪汛 等 基于近鄰傳播算法的茶園土壤 墑情傳感器布局優(yōu)化 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 韓坤林 陳毅飛 喻晨 等 溫室袋培番茄的水肥精準(zhǔn)調(diào) 控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)機(jī)化研究 熊賢沙 蔡家斌 三通道全自動(dòng)施肥機(jī)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)及 關(guān)鍵部件仿真分析 液壓氣動(dòng)與密封 夏永秋 基于 的雙過濾水肥一體機(jī)智能控制研究 農(nóng)機(jī)化研究 楊超輝 基于 互聯(lián)網(wǎng) 模式的水肥一體機(jī)智能終端設(shè) 計(jì) 農(nóng)機(jī)化研究 唐玉婷 楊盛翔 楊進(jìn)平 等 基于正交試驗(yàn)法下對(duì)噴灌 均勻性影響因子的綜合分析 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)