果園縱深基礎數據檢測裝置的設計＊

李 琨 ， 胡新悅 ， 杜宇帆 ， 陳德圓 ， 李 雪 ， 劉新英

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

中國是水果的生產大國[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]。農業文明的產生、創造和繼承都離不開土壤[3]。土壤營養在不同的耕作時期會發生重大變化[4]，果樹種植占比不斷上升對土壤營養提出了苛刻的要求。施用化肥現已成為果農補充土壤肥力的重要手段，但依靠個人經驗盲目施肥導致化肥利用率低，土壤易板結，水體富營養化等問題[5]。對于果農而言，能夠精確測量土壤營養成分，科學合理施肥尤為重要。目前，果農使用的檢測土壤速效氮磷鉀、pH等營養成分的裝置零散復雜，操作繁瑣，因此獲取果園的基礎數據就變得非常困難。而現在傳感器、單片機、物聯網技術、大數據的發展可為農業生產提供強大的動力。基于各項技術的發展，本文提出一種針對果園縱深基礎數據檢測的裝置，旨在為果農了解土壤營養成分變化提供依據，可以根據農民朋友的種植、施肥操作，及時監控土壤中的成分，實現土壤的可持續種植，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量和產量。

1 裝置硬件設計

1.1 總體結構設計思路

由于現在市面上的檢測裝置五花八門，尚未有一種統一各種數據于一體的檢測裝置，筆者經過考察和相關的學習，設計一款將各項營養成分指標于一體的裝置。如圖1所示，該裝置是一款果園縱深基數數據檢測設備，內部由溫度傳感器、氮磷鉀傳感器等組成，通過單片機技術及物聯網技術，實現遠程監控土壤的營養含量，并實現以下主要功能：

1)傳感器自動插入土壤，減少溫室生產過程中人工操作，提高生產自動化。即設計某種傳感器動力裝置，通過動力裝置實現傳感器自動地插入土壤。

2)傳感器垂直插入土壤中，保證精準檢測不同深度土壤參數。

3)傳感器自動拔離土壤，同時檢測儀自動清潔傳感器。一方面，減緩傳感器因電化學反應造成的腐蝕和生銹，延長使用壽命。另一方面，保證下次測量數據的準確性。

圖1 果園縱深基礎數據檢測裝置

1.2 設計原理

果園縱深基礎數據檢測裝置三維圖如圖2所示。果園縱深基礎數據檢測裝置的主要設計思路是：首先將檢測裝置入土，通過新式土壤營養成分傳感器進行數據的獲取，使檢測的數據進入單片機進行匯總分析，完成上傳，再利用物聯網技術，在屏幕終端顯示實時數據，由果農根據數據的實際情況，提出相應的應對措施。

圖2 果園縱深基礎數據檢測裝置三維圖

2 關鍵部件設計

2.1 外殼裝置

設計外殼采用3D打印技術。3D打印又稱增材制造（Additive manufacturing，AM），不同于減材制造方式，它是通過復層疊加方式來制造零件的，首先利用計算的程序對制件模型進行分層處理，然后控制機器逐層地堆積切片材料，周而復始，將切片薄層堆積成體塊件，獲得三維實體零件[6]。如圖3所示。將3D打印技術應用于果園縱深基礎數據檢測裝置，與傳統裝置相比，具有以下突出優點：1）通過實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）不受復雜形狀的限制，解決了傳統裝置制造困難、周期長等問題；3）精確快速保障，能節省大量人力物力和時間成本。

2.2 土壤氮磷鉀傳感器

土壤氮磷鉀傳感器適用于檢測土壤中氮磷鉀的含量，通過檢測土壤中氮磷鉀的含量來判斷土壤的肥沃程度，方便評估土壤情況。但是只能檢測出大概數值，精度較低，不過對于在大棚中應用時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485傳感器，但考慮到干擾和電源負載等因素最多掛載32臺，傳感器的信號端接入帶有485接口的PLC、通過485轉IC連接單片機，或者使用USB轉485即與電腦連接，使用傳感器配置工具進行配置、測試和讀取數據，土壤氮磷鉀傳感器系統框架如圖4所示。

圖3 果園縱深基礎數據檢測裝置外殼

圖4 土壤氮磷鉀傳感器系統框架圖

2.2 遠程通訊模塊

遠程通訊版本主要用于非大棚種植場所或無法取電地區。例如果園等野外工作環境下，沒有便捷的充電裝置。在此類環境中本文中所設計的果園縱深監測裝置利用遠程通信模塊可以有效避免沒有電無法工作的情況。

遠程通訊采用單片機搭配物聯網模塊實現，物聯網通信模塊主要使用SIM卡鏈接互聯網，只要所在地區有4G信號就可以實現數據上傳以及程序更新下載。遠程鏈接配置好的服務器完成數據上傳，每天定時上傳一次數據，方便果園管理人員對數據的實時監測。

2.3 電源與顯示模塊

考慮山地果園當前作業過程中存在路途遠，用電不便等問題，本設計的供電系統采用獨立電源供電方式，供電系統使用4節18650鋰電池，兩兩串聯，構成電池組接入直流穩壓電路，同時采用太陽能為設備充電，最終為各電路模塊提供穩定的直流電源。鋰電池能量密度較大、綠色環保、使用壽命長、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才點亮，這樣能大大節省屏幕耗電，并且可以控制電池體積，實現裝置便捷靈巧的價值。

3 總結

果園縱深基礎數據檢測裝置引入了先進的計算機軟件技術，該技術能夠進一步簡化人們工作的程序，降低土壤監測站出錯的概率，同時也可以提高土壤信息的實時性，及時判斷土壤成分分布是否合理，進一步改進人們的應用有效性。并且該參數監測裝置提高了傳感器使用壽命，提高了溫室生產自動化水平，降低了人工勞動成本。對于所需監測的土壤參數不同，需使用不同的傳感器，可對夾持機構進行進一步研究與開發，以滿足不同的監測需求。