智能传感技术在水肥一体系统中的应用研究.pdf

年 第 期 第 卷 农机化研究 智能传感技术在水肥一体系统中的应用研究 祝 鹏 郭艳光 内蒙古农业大学职业技术学院 内蒙古包头 摘 要 以进一步提升水肥一体机系统的作业效率为目标 选取智能传感的监测技术 针对整机的监测控制与信号处理 展开应用设计研究 考虑水肥一体机过程作业肥液融合的均匀性及系统各模块之间的协同性功能实现 结合微分补偿的 传感数据算法处理方法 进行智能传感的水肥一体机架构布局 并匹配可执行的软件控制程序及硬件实施结构 进行实地 传感应用监测与灌施控制作业试验 结果表明 水肥一体机系统的数据监测准确率可达 系统故障率相对降低 监测数据准确及时 能够确保系统各环节指令得到有效的调整与反馈 进而保证灌施土壤的含水稳定率相对提升 对于作物的稳定生长与产量提升有重要的参考价值 关键词 水肥一体机 智能传感 信号处理 微分补偿 数据监测准确率 中图分类号 文献标识码 文章编号 收稿日期 基金项目 内蒙古自治区科技计划项目 内蒙古自治区科 技重大专项 内蒙古自治区高等学校科学研究 项目 内蒙古哲学社会科学规划项目 作者简介 祝 鹏 男 山东日照人 讲师 硕士 通讯作者 郭艳光 男 内蒙赤峰人 教授 硕士 引 言 近年来 我国农业种植培育技术不断迭代更新 包 含物联网 云网络 智能控制等 国内外的农机装备更 是趋于无人化 智能化与数字化 且在灌溉与施肥环节 的农业设施更是以多元化 多样性的技术方案运用到 实际作业中 从国外调研来看 在控制算法及过程监 控方面做得很好 更重视智能传感与精准通信的功能 实现 从国内调研来看 已经将水肥一体机的同步灌溉 控制运用成熟 在肥液的配比方面还做了深入的处理 但在数据的信号传输与监测方面应进一步优化 为 此 笔者拟结合传感器的智能化控制理念 展开水肥一 体机的系统应用研究 水肥一体机概述 水肥一体机是针对农作物及经济作物进行智能 灌溉施肥的综合装置 作业原理核心在于将肥料通过 一定的比例与水分混合 得到最佳的营养肥液 并自 动地输送至待灌溉培育作物的根系或者茎叶位置 从通用型水肥一体机的系统组成 见图 可知 一套 完整的水肥一体机系统主要由摄像头 控制中心 用 户 传感器装置及控制阀等组件组成 通过利用传感 器与视觉的相互融合 获取准确的作物生长 水肥需 求信息 从而进行科学 精准的灌施 整体作业过程 中 信号的采集与传输成为系统良好运行的首要因 素 传感信息的全面性不容忽视 故从通信与决策的 连接环节 智能传感控制角度提出应用方案 智能传感应用设计 布局架构搭建 首先 考虑系统的肥液混合均匀性 将肥液混合 优化灌溉控制方法导入系统 确保水肥与肥液充分混 合溶解 灌施量计算式为 null null 式中 水肥一体机系统灌施量 水肥一体机系统中的肥液基质含水率 水肥一体机系统中的传感器测定含水率 水肥一体机系统中肥液体积 灌施土壤的含水比 水肥一体机系统水分有效利用率 在此基础上 将基站以无线局域网模式按区域 分布 同时设置各网关下的传感器控制节点 实行全 面覆盖 确定设计应用布局算法的流程 见图 并通 过准确获取各传感节点矩阵位置 进行一致性判定 分配传感节点目标的数据监测任务 经汇集系统中心 进行指令的精准转化 完成智能传感的算法应用 第 期祝鹏等 智能传感技术在水肥一体系统中的应用研究第 卷 处理 图 通用型水肥一体机系统组成简图 图 智能传感技术应用布局算法流程实现简图 进一步在气候 土壤 作物特征及灌施决策方面 考虑信息传递的布局划分 以各传感器采集数据的实 时性与准确性为出发点 进行有效特征提取处理 采 用跟踪微分器与补偿控制相融合方式深度优化 保证 数据传感精度 形成自上而下的监测布局 系统软件设计 系统选用单片机作为主体程序控制 进行灌施程 序核心代码更新导入 将系统软件控制以功能实现 为切入点进行设置 见表 主要分解为灌溉控制 阀 门启闭 流量监测与肥量监测等 个模块 表 基于智能传感的水肥一体机系统软件功能模块设置 序号模块名称功能实现 灌溉控制灌溉过程监测 阀门启闭阀门智能控制 泵启闭泵智能控制 管网监测管路状况监测 墒情监测墒情信息数据传递 流量监测流量信息数据传递 肥量监测肥液信息数据传递 系统设置系统辅助功能运作 针对传感区域进行优化 从系统的作业便捷性角 度出发 划分为作业区传感器与机载部分传感器 增设 相匹配的 异常报警与修复程序 得到水肥一体 机系统的智能传感区域划分 如图 所示 在作业区 将土壤温湿度 空气温湿度及光照强度等作为基础数 据 以知识库形式运作 在机载区 将 传感器和 传感器作为实时数据动态调控运作 此传感布置能达 到很好的智能监测目标 图 水肥一体机系统的智能传感区域划分简图 第 卷农机化研究第 期 系统硬件配置 结合上述水肥一体机系统的软件设计 进行系统 硬件核心配置 考虑实际灌溉管理面积与单位面积 的肥料用量等影响因素 进行系统内 值与 值的 阈值设定 然后 根据用于灌溉施肥的肥液种类配置 相应的控制通道 并导入相应的方案选择模式 确保 系统各过程参数监测的正确性 信号传递的及时性 同时 选用具有无间断供电且抗信号干扰能力强的电 源模块 在电源模块的支撑下 设计水肥一体机系统主要 硬件配置结构 包括肥液检测装置组件 回液检测装 置组件 灌溉决策装置组件 通信装置组件及灌溉装 置组件 如图 所示 其中 在通信装置组件中的传 感环节 进行智能传感模块参数选型配置 如表 所 示 表 中 传感器选用 型 传感器 选用 型 可保证较好的分辨率 降低监测误 差 达到智能传感的精度要求 同时提供良好的三级 过滤装置 确保肥液在系统及管路中顺畅流通 图 水肥一体机系统的主要硬件配置结构简图 表 水肥一体机系统的核心智能传感模块参数选型及配置 序号名称型号 参数 温湿度传感器 数字型 光强度传感器 传感器 续表 序号名称型号 参数 传感器 光强度匹配芯片 空气传感器 数据接口 连接引脚 应用试验 试验条件 选定灌溉培育的生长期西红柿作为试验对象 确 保水源供应充足 进行氮肥与水分的同步式灌溉 搭 建作业试验装置 见图 在温室大棚中展开试验 并 满足核心试验条件 试验装置线路连接正确 传感器节点布 置合理 系统阀组模块与传感模块监测动作执行及时 准确 系统不可控误差以系数规则控制 各试验数据 如实监测输出 图 基于智能传感的水肥一体机系统作业试验装置 讨论分析 选取 个监测位置并进行编号 各区域位置的灌 第 期祝鹏等 智能传感技术在水肥一体系统中的应用研究第 卷 溉执行以位置获取到的土壤含水率作为生长所需肥 料的基准值 统计 天的灌溉信号动作执行次数 得 到基于智能传感的水肥一体机系统作业试验数据统 计 如表 所示 由表 可看出 此灌溉区域的土壤含 水率分布较为稳定 在智能传感的检查下系统肥液灌 溉信号执行次数在 之间 土壤含水率能够通过合 理的灌施执行维持在 之间 保证西 红柿幼苗较好地生长 同时 数据监测准确率可达 平均值为 验证了此系统智能传感设 计应用的可行性与有效性 满足智能灌施要求 表 基于智能传感的水肥一体机系统作业试验数据统计 监测 位置 肥液灌溉 信号执行 次 土壤含水率 数据监测 准确率 平均 针对试验数据采用 与 软件处理转 换 选定系统数据监测准确率 系统故障率 系统节水 率 土壤含水稳定率及系统作业效率为评定参数 得 到智能传感技术应用的水肥一体机系统关键技术指 标对比情况列表 如表 所示 表 智能传感应用水肥一体机的关键技术指标对比 指标名称应用前应用后对比效果 数据监测准确率 系统故障率 系统节水率 土壤含水稳定率 作业效率 由表 可以看出 智能传感装置节点的合理布置 与内部程序的优化控制 有利于提升水肥一体机的各 项关键性能指标 相对于优化应用前数据监测准确率 由 提升为 系统故障率在内部均匀性 较好与监测信号反馈及时的条件下由 降低至 系统节水率由 提升为 土壤含 水稳定率由 提升为 具有较好的作物 培育效果 系统作业效率由 提升为 试验作业效果良好 结 论 基于水肥一体机的系统结构组成和作业机理 从智能传感技术的理念入手 搭建智能传感优化的布 局架构 进行正确的系统软件控制设计与核心硬件配 置 得到了全新的智能传感控制水肥一体机系统 进行基于传感应用技术的水肥一体机信号监 测与调控作业试验 结果表明 作业效率在系统故障 率降低的情况下可达 整个过程数据监测与 传感智能获取精准 有效 肥液均匀混合及信号传感 节点分布起到至关重要的作用 整机运行稳定 参考文献 鲁娟利 姜建国 李鹏伟 基于 数据挖掘的水肥一体 机功能参数实现 农机化研究 周良富 金永奎 薛新宇 电磁阀开关模式下文丘里施肥 器吸肥特性研究 农业工程学报 邱林 李荣辉 基于计算机控制的水肥一体机通信系统模 块设计 农机化研究 江新兰 杨邦杰 高万林 等 基于两线解码技术的水肥一 体化云灌溉系统研究 农业机械学报 增刊 金永奎 周良富 孙竹 等 水肥一体机吸肥性能影响因素 试验分析 农机化研究 安胜鑫 王晓丽 薛宝松 等 基于云平台的智能水肥一体 机控制系统研发 农业工程 韩洪杰 钱彬 水肥一体机核心部件间嵌入式通信接口设 计 农机化研究 王志强 钮丹丹 王佳兴 等 大规模用水节点的灌溉物联 网监控系统设计 排灌机械工程学报 张璐璐 孔国利 基于 和 的农田灌溉水质监 测控制系统设计 农机化研究 王柳 丁小明 李恺 等 椰糠条栽培番茄的蒸腾反馈智 能灌溉系统研制 农业工程学报 刘晓辰 曹春燕 王思思 等 土壤墒情监测技术在灌溉 第 卷农机化研究第 期 水利用系数测算中的应用 农机化研究 张武 张嫚嫚 洪汛 等 基于近邻传播算法的茶园土壤 墒情传感器布局优化 农业工程学报 韩坤林 陈毅飞 喻晨 等 温室袋培番茄的水肥精准调 控系统设计与试验 农机化研究 熊贤沙 蔡家斌 三通道全自动施肥机灌溉系统设计及 关键部件仿真分析 液压气动与密封 夏永秋 基于 的双过滤水肥一体机智能控制研究 农机化研究 杨超辉 基于 互联网 模式的水肥一体机智能终端设 计 农机化研究 唐玉婷 杨盛翔 杨进平 等 基于正交试验法下对喷灌 均匀性影响因子的综合分析 排灌机械工程学报