年 第 期 第 卷 農機化研究 智能傳感技術在水肥一體系統中的應用研究 祝 鵬 郭艷光 內蒙古農業大學職業技術學院 內蒙古包頭 摘 要 以進一步提升水肥一體機系統的作業效率為目標 選取智能傳感的監測技術 針對整機的監測控制與信號處理 展開應用設計研究 考慮水肥一體機過程作業肥液融合的均勻性及系統各模塊之間的協同性功能實現 結合微分補償的 傳感數據算法處理方法 進行智能傳感的水肥一體機架構布局 并匹配可執行的軟件控制程序及硬件實施結構 進行實地 傳感應用監測與灌施控制作業試驗 結果表明 水肥一體機系統的數據監測準確率可達 系統故障率相對降低 監測數據準確及時 能夠確保系統各環節指令得到有效的調整與反饋 進而保證灌施土壤的含水穩定率相對提升 對于作物的穩定生長與產量提升有重要的參考價值 關鍵詞 水肥一體機 智能傳感 信號處理 微分補償 數據監測準確率 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 收稿日期 基金項目 內蒙古自治區科技計劃項目 內蒙古自治區科 技重大專項 內蒙古自治區高等學校科學研究 項目 內蒙古哲學社會科學規劃項目 作者簡介 祝 鵬 男 山東日照人 講師 碩士 通訊作者 郭艷光 男 內蒙赤峰人 教授 碩士 引 言 近年來 我國農業種植培育技術不斷迭代更新 包 含物聯網 云網絡 智能控制等 國內外的農機裝備更 是趨于無人化 智能化與數字化 且在灌溉與施肥環節 的農業設施更是以多元化 多樣性的技術方案運用到 實際作業中 從國外調研來看 在控制算法及過程監 控方面做得很好 更重視智能傳感與精準通信的功能 實現 從國內調研來看 已經將水肥一體機的同步灌溉 控制運用成熟 在肥液的配比方面還做了深入的處理 但在數據的信號傳輸與監測方面應進一步優化 為 此 筆者擬結合傳感器的智能化控制理念 展開水肥一 體機的系統應用研究 水肥一體機概述 水肥一體機是針對農作物及經濟作物進行智能 灌溉施肥的綜合裝置 作業原理核心在于將肥料通過 一定的比例與水分混合 得到最佳的營養肥液 并自 動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的系統組成 見圖 可知 一套 完整的水肥一體機系統主要由攝像頭 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 獲取準確的作物生長 水肥需 求信息 從而進行科學 精準的灌施 整體作業過程 中 信號的采集與傳輸成為系統良好運行的首要因 素 傳感信息的全面性不容忽視 故從通信與決策的 連接環節 智能傳感控制角度提出應用方案 智能傳感應用設計 布局架構搭建 首先 考慮系統的肥液混合均勻性 將肥液混合 優化灌溉控制方法導入系統 確保水肥與肥液充分混 合溶解 灌施量計算式為 null null 式中 水肥一體機系統灌施量 水肥一體機系統中的肥液基質含水率 水肥一體機系統中的傳感器測定含水率 水肥一體機系統中肥液體積 灌施土壤的含水比 水肥一體機系統水分有效利用率 在此基礎上 將基站以無線局域網模式按區域 分布 同時設置各網關下的傳感器控制節點 實行全 面覆蓋 確定設計應用布局算法的流程 見圖 并通 過準確獲取各傳感節點矩陣位置 進行一致性判定 分配傳感節點目標的數據監測任務 經匯集系統中心 進行指令的精準轉化 完成智能傳感的算法應用 第 期祝鵬等 智能傳感技術在水肥一體系統中的應用研究第 卷 處理 圖 通用型水肥一體機系統組成簡圖 圖 智能傳感技術應用布局算法流程實現簡圖 進一步在氣候 土壤 作物特征及灌施決策方面 考慮信息傳遞的布局劃分 以各傳感器采集數據的實 時性與準確性為出發點 進行有效特征提取處理 采 用跟蹤微分器與補償控制相融合方式深度優化 保證 數據傳感精度 形成自上而下的監測布局 系統軟件設計 系統選用單片機作為主體程序控制 進行灌施程 序核心代碼更新導入 將系統軟件控制以功能實現 為切入點進行設置 見表 主要分解為灌溉控制 閥 門啟閉 流量監測與肥量監測等 個模塊 表 基于智能傳感的水肥一體機系統軟件功能模塊設置 序號模塊名稱功能實現 灌溉控制灌溉過程監測 閥門啟閉閥門智能控制 泵啟閉泵智能控制 管網監測管路狀況監測 墑情監測墑情信息數據傳遞 流量監測流量信息數據傳遞 肥量監測肥液信息數據傳遞 系統設置系統輔助功能運作 針對傳感區域進行優化 從系統的作業便捷性角 度出發 劃分為作業區傳感器與機載部分傳感器 增設 相匹配的 異常報警與修復程序 得到水肥一體 機系統的智能傳感區域劃分 如圖 所示 在作業區 將土壤溫濕度 空氣溫濕度及光照強度等作為基礎數 據 以知識庫形式運作 在機載區 將 傳感器和 傳感器作為實時數據動態調控運作 此傳感布置能達 到很好的智能監測目標 圖 水肥一體機系統的智能傳感區域劃分簡圖 第 卷農機化研究第 期 系統硬件配置 結合上述水肥一體機系統的軟件設計 進行系統 硬件核心配置 考慮實際灌溉管理面積與單位面積 的肥料用量等影響因素 進行系統內 值與 值的 閾值設定 然后 根據用于灌溉施肥的肥液種類配置 相應的控制通道 并導入相應的方案選擇模式 確保 系統各過程參數監測的正確性 信號傳遞的及時性 同時 選用具有無間斷供電且抗信號干擾能力強的電 源模塊 在電源模塊的支撐下 設計水肥一體機系統主要 硬件配置結構 包括肥液檢測裝置組件 回液檢測裝 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 感環節 進行智能傳感模塊參數選型配置 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 降低監測誤 差 達到智能傳感的精度要求 同時提供良好的三級 過濾裝置 確保肥液在系統及管路中順暢流通 圖 水肥一體機系統的主要硬件配置結構簡圖 表 水肥一體機系統的核心智能傳感模塊參數選型及配置 序號名稱型號 參數 溫濕度傳感器 數字型 光強度傳感器 傳感器 續表 序號名稱型號 參數 傳感器 光強度匹配芯片 空氣傳感器 數據接口 連接引腳 應用試驗 試驗條件 選定灌溉培育的生長期西紅柿作為試驗對象 確 保水源供應充足 進行氮肥與水分的同步式灌溉 搭 建作業試驗裝置 見圖 在溫室大棚中展開試驗 并 滿足核心試驗條件 試驗裝置線路連接正確 傳感器節點布 置合理 系統閥組模塊與傳感模塊監測動作執行及時 準確 系統不可控誤差以系數規則控制 各試驗數據 如實監測輸出 圖 基于智能傳感的水肥一體機系統作業試驗裝置 討論分析 選取 個監測位置并進行編號 各區域位置的灌 第 期祝鵬等 智能傳感技術在水肥一體系統中的應用研究第 卷 溉執行以位置獲取到的土壤含水率作為生長所需肥 料的基準值 統計 天的灌溉信號動作執行次數 得 到基于智能傳感的水肥一體機系統作業試驗數據統 計 如表 所示 由表 可看出 此灌溉區域的土壤含 水率分布較為穩定 在智能傳感的檢查下系統肥液灌 溉信號執行次數在 之間 土壤含水率能夠通過合 理的灌施執行維持在 之間 保證西 紅柿幼苗較好地生長 同時 數據監測準確率可達 平均值為 驗證了此系統智能傳感設 計應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系統作業試驗數據統計 監測 位置 肥液灌溉 信號執行 次 土壤含水率 數據監測 準確率 平均 針對試驗數據采用 與 軟件處理轉 換 選定系統數據監測準確率 系統故障率 系統節水 率 土壤含水穩定率及系統作業效率為評定參數 得 到智能傳感技術應用的水肥一體機系統關鍵技術指 標對比情況列表 如表 所示 表 智能傳感應用水肥一體機的關鍵技術指標對比 指標名稱應用前應用后對比效果 數據監測準確率 系統故障率 系統節水率 土壤含水穩定率 作業效率 由表 可以看出 智能傳感裝置節點的合理布置 與內部程序的優化控制 有利于提升水肥一體機的各 項關鍵性能指標 相對于優化應用前數據監測準確率 由 提升為 系統故障率在內部均勻性 較好與監測信號反饋及時的條件下由 降低至 系統節水率由 提升為 土壤含 水穩定率由 提升為 具有較好的作物 培育效果 系統作業效率由 提升為 試驗作業效果良好 結 論 基于水肥一體機的系統結構組成和作業機理 從智能傳感技術的理念入手 搭建智能傳感優化的布 局架構 進行正確的系統軟件控制設計與核心硬件配 置 得到了全新的智能傳感控制水肥一體機系統 進行基于傳感應用技術的水肥一體機信號監 測與調控作業試驗 結果表明 作業效率在系統故障 率降低的情況下可達 整個過程數據監測與 傳感智能獲取精準 有效 肥液均勻混合及信號傳感 節點分布起到至關重要的作用 整機運行穩定 參考文獻 魯娟利 姜建國 李鵬偉 基于 數據挖掘的水肥一體 機功能參數實現 農機化研究 周良富 金永奎 薛新宇 電磁閥開關模式下文丘里施肥 器吸肥特性研究 農業工程學報 邱林 李榮輝 基于計算機控制的水肥一體機通信系統模 塊設計 農機化研究 江新蘭 楊邦杰 高萬林 等 基于兩線解碼技術的水肥一 體化云灌溉系統研究 農業機械學報 增刊 金永奎 周良富 孫竹 等 水肥一體機吸肥性能影響因素 試驗分析 農機化研究 安勝鑫 王曉麗 薛寶松 等 基于云平臺的智能水肥一體 機控制系統研發 農業工程 韓洪杰 錢彬 水肥一體機核心部件間嵌入式通信接口設 計 農機化研究 王志強 鈕丹丹 王佳興 等 大規模用水節點的灌溉物聯 網監控系統設計 排灌機械工程學報 張璐璐 孔國利 基于 和 的農田灌溉水質監 測控制系統設計 農機化研究 王柳 丁小明 李愷 等 椰糠條栽培番茄的蒸騰反饋智 能灌溉系統研制 農業工程學報 劉曉辰 曹春燕 王思思 等 土壤墑情監測技術在灌溉 第 卷農機化研究第 期 水利用系數測算中的應用 農機化研究 張武 張嫚嫚 洪汛 等 基于近鄰傳播算法的茶園土壤 墑情傳感器布局優化 農業工程學報 韓坤林 陳毅飛 喻晨 等 溫室袋培番茄的水肥精準調 控系統設計與試驗 農機化研究 熊賢沙 蔡家斌 三通道全自動施肥機灌溉系統設計及 關鍵部件仿真分析 液壓氣動與密封 夏永秋 基于 的雙過濾水肥一體機智能控制研究 農機化研究 楊超輝 基于 互聯網 模式的水肥一體機智能終端設 計 農機化研究 唐玉婷 楊盛翔 楊進平 等 基于正交試驗法下對噴灌 均勻性影響因子的綜合分析 排灌機械工程學報