李 琨 ， 胡新悅 ， 杜宇帆 ， 陳德圓 ， 李 雪 ， 劉新英

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

中國(guó)是水果的生產(chǎn)大國(guó)[1]，蘋果、柑橘、梨、桃和柿子等果樹的種植面積均居世界前列[2]。農(nóng)業(yè)文明的產(chǎn)生、創(chuàng)造和繼承都離不開土壤[3]。土壤營(yíng)養(yǎng)在不同的耕作時(shí)期會(huì)發(fā)生重大變化[4]，果樹種植占比不斷上升對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)提出了苛刻的要求。施用化肥現(xiàn)已成為果農(nóng)補(bǔ)充土壤肥力的重要手段，但依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)盲目施肥導(dǎo)致化肥利用率低，土壤易板結(jié)，水體富營(yíng)養(yǎng)化等問題[5]。對(duì)于果農(nóng)而言，能夠精確測(cè)量土壤營(yíng)養(yǎng)成分，科學(xué)合理施肥尤為重要。目前，果農(nóng)使用的檢測(cè)土壤速效氮磷鉀、pH等營(yíng)養(yǎng)成分的裝置零散復(fù)雜，操作繁瑣，因此獲取果園的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就變得非常困難。而現(xiàn)在傳感器、單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供強(qiáng)大的動(dòng)力?；诟黜?xiàng)技術(shù)的發(fā)展，本文提出一種針對(duì)果園縱深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測(cè)的裝置，旨在為果農(nóng)了解土壤營(yíng)養(yǎng)成分變化提供依據(jù)，可以根據(jù)農(nóng)民朋友的種植、施肥操作，及時(shí)監(jiān)控土壤中的成分，實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)種植，保證土壤成分的合理化，從而采取有效措施提高果園果品質(zhì)量和產(chǎn)量。

1 裝置硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

由于現(xiàn)在市面上的檢測(cè)裝置五花八門，尚未有一種統(tǒng)一各種數(shù)據(jù)于一體的檢測(cè)裝置，筆者經(jīng)過考察和相關(guān)的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)一款將各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)成分指標(biāo)于一體的裝置。如圖1所示，該裝置是一款果園縱深基數(shù)數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備，內(nèi)部由溫度傳感器、氮磷鉀傳感器等組成，通過單片機(jī)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控土壤的營(yíng)養(yǎng)含量，并實(shí)現(xiàn)以下主要功能：

1)傳感器自動(dòng)插入土壤，減少溫室生產(chǎn)過程中人工操作，提高生產(chǎn)自動(dòng)化。即設(shè)計(jì)某種傳感器動(dòng)力裝置，通過動(dòng)力裝置實(shí)現(xiàn)傳感器自動(dòng)地插入土壤。

2)傳感器垂直插入土壤中，保證精準(zhǔn)檢測(cè)不同深度土壤參數(shù)。

3)傳感器自動(dòng)拔離土壤，同時(shí)檢測(cè)儀自動(dòng)清潔傳感器。一方面，減緩傳感器因電化學(xué)反應(yīng)造成的腐蝕和生銹，延長(zhǎng)使用壽命。另一方面，保證下次測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 果園縱深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置

1.2 設(shè)計(jì)原理

果園縱深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置三維圖如圖2所示。果園縱深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置的主要設(shè)計(jì)思路是：首先將檢測(cè)裝置入土，通過新式土壤營(yíng)養(yǎng)成分傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，使檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行匯總分析，完成上傳，再利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在屏幕終端顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由果農(nóng)根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

圖2 果園縱深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置三維圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 外殼裝置

設(shè)計(jì)外殼采用3D打印技術(shù)。3D打印又稱增材制造（Additive manufacturing，AM），不同于減材制造方式，它是通過復(fù)層疊加方式來制造零件的，首先利用計(jì)算的程序?qū)χ萍Ｐ瓦M(jìn)行分層處理，然后控制機(jī)器逐層地堆積切片材料，周而復(fù)始，將切片薄層堆積成體塊件，獲得三維實(shí)體零件[6]。如圖3所示。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于果園縱深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置，與傳統(tǒng)裝置相比，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1）通過實(shí)體模型即能打印出零件，無需配備或囤積大量備份零部件；2）不受復(fù)雜形狀的限制，解決了傳統(tǒng)裝置制造困難、周期長(zhǎng)等問題；3）精確快速保障，能節(jié)省大量人力物力和時(shí)間成本。

2.2 土壤氮磷鉀傳感器

土壤氮磷鉀傳感器適用于檢測(cè)土壤中氮磷鉀的含量，通過檢測(cè)土壤中氮磷鉀的含量來判斷土壤的肥沃程度，方便評(píng)估土壤情況。但是只能檢測(cè)出大概數(shù)值，精度較低，不過對(duì)于在大棚中應(yīng)用時(shí)土壤氮磷鉀傳感器可以組合在一條485總線使用，理論上一條總線可以254個(gè)485傳感器，但考慮到干擾和電源負(fù)載等因素最多掛載32臺(tái)，傳感器的信號(hào)端接入帶有485接口的PLC、通過485轉(zhuǎn)IC連接單片機(jī)，或者使用USB轉(zhuǎn)485即與電腦連接，使用傳感器配置工具進(jìn)行配置、測(cè)試和讀取數(shù)據(jù)，土壤氮磷鉀傳感器系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖3 果園縱深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置外殼

圖4 土壤氮磷鉀傳感器系統(tǒng)框架圖

2.2 遠(yuǎn)程通訊模塊

遠(yuǎn)程通訊版本主要用于非大棚種植場(chǎng)所或無法取電地區(qū)。例如果園等野外工作環(huán)境下，沒有便捷的充電裝置。在此類環(huán)境中本文中所設(shè)計(jì)的果園縱深監(jiān)測(cè)裝置利用遠(yuǎn)程通信模塊可以有效避免沒有電無法工作的情況。

遠(yuǎn)程通訊采用單片機(jī)搭配物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)通信模塊主要使用SIM卡鏈接互聯(lián)網(wǎng)，只要所在地區(qū)有4G信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳以及程序更新下載。遠(yuǎn)程鏈接配置好的服務(wù)器完成數(shù)據(jù)上傳，每天定時(shí)上傳一次數(shù)據(jù)，方便果園管理人員對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3 電源與顯示模塊

考慮山地果園當(dāng)前作業(yè)過程中存在路途遠(yuǎn)，用電不便等問題，本設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)采用獨(dú)立電源供電方式，供電系統(tǒng)使用4節(jié)18650鋰電池，兩兩串聯(lián)，構(gòu)成電池組接入直流穩(wěn)壓電路，同時(shí)采用太陽能為設(shè)備充電，最終為各電路模塊提供穩(wěn)定的直流電源。鋰電池能量密度較大、綠色環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、冬季電量衰減少。而在野外，采用太陽能充電是較理想供能方式。顯示模塊選用方面，為減小能耗采用0.96寸LCD顯示屏，且在有人查看并激活時(shí)才點(diǎn)亮，這樣能大大節(jié)省屏幕耗電，并且可以控制電池體積，實(shí)現(xiàn)裝置便捷靈巧的價(jià)值。

3 總結(jié)

果園縱深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置引入了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，該技術(shù)能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化人們工作的程序，降低土壤監(jiān)測(cè)站出錯(cuò)的概率，同時(shí)也可以提高土壤信息的實(shí)時(shí)性，及時(shí)判斷土壤成分分布是否合理，進(jìn)一步改進(jìn)人們的應(yīng)用有效性。并且該參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置提高了傳感器使用壽命，提高了溫室生產(chǎn)自動(dòng)化水平，降低了人工勞動(dòng)成本。對(duì)于所需監(jiān)測(cè)的土壤參數(shù)不同，需使用不同的傳感器，可對(duì)夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究與開發(fā)，以滿足不同的監(jiān)測(cè)需求。