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智能传感技术在水肥一体系统中的应用研究

2024-09-05 54 上传者：管理员

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95.25%,系统故障率相对降低3.79%,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7.87%,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：
信号处理
微分补偿
数据监测准确率
智能传感
水肥一体机
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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。

1、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1)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。

2、智能传感应用设计

2.1 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

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2),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处理。

图1 通用型水肥一体机系统组成简图

图2 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。

2.2 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1),主要分解为灌溉控制、阀门启闭、流量监测与肥量监测等8个模块。

表1 基于智能传感的水肥一体机系统软件功能模块设置

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EC/pH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3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EC传感器和pH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3 水肥一体机系统的智能传感区域划分简图

2.3 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EC值与pH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4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2所示。表2中，EC传感器选用SM2130B型，pH传感器选用SM2123B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4 水肥一体机系统的主要硬件配置结构简图

表2 水肥一体机系统的核心智能传感模块参数选型及配置

3、应用试验

3.1 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5),在温室大棚中展开试验，并满足核心试验条件：

1)试验装置线路连接正确，传感器节点布置合理；

2)系统阀组模块与传感模块监测动作执行及时准确；

3)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5 基于智能传感的水肥一体机系统作业试验装置

3.2 讨论分析

选取6个监测位置并进行编号，各区域位置的灌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30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3所示。由表3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3～6之间，土壤含水率能够通过合理的灌施执行维持在17.50%～18.10%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95.68%,平均值为95.25%,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3 基于智能传感的水肥一体机系统作业试验数据统计

针对试验数据采用EXCEL与MatLab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4所示。

表4 智能传感应用水肥一体机的关键技术指标对比

由表4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88.90%提升为95.25%,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7.30%降低至3.51%,系统节水率由84.97%提升为90.66%,土壤含水稳定率由85.58%提升为93.45%,具有较好的作物培育效果。系统作业效率由90.50%提升为96.48%,试验作业效果良好。

4、结论

1)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。

2)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96.48%,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。

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