多用途土壤墑情采集裝置的設(shè)計

曹 勇，周賀凱，殷 飛

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林 132101)

0 引言

現(xiàn)今，在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域，土壤中的水分、溫度、電導(dǎo)率(含鹽量)等，對種植戶來說是最重要和最常用的數(shù)據(jù)信息，是影響農(nóng)作物生長發(fā)育的關(guān)鍵指標。由于區(qū)域地形地貌、土壤物理化學(xué)特性、氣象等因素的差異，致使區(qū)域土壤的狀態(tài)分布不均勻，適時掌握區(qū)域土壤狀態(tài)的動態(tài)信息，探明作物生長發(fā)育期內(nèi)土壤水分盈虧、溫度高低、電導(dǎo)率(含鹽量)高低，以便做出灌溉、施肥決策或排水措施、升溫或降溫，對于提高農(nóng)作物管理水平，科學(xué)指導(dǎo)抗旱救災(zāi)，預(yù)防和減輕干旱災(zāi)害，保障生活用水、生態(tài)用水，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準化種植具有重要意義[1]。

我國是一個水資源匱乏的國家，我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展也因此而被制約，土壤墑情檢測器可以采集到土壤中水分的信息，由此可以有效地進行節(jié)水灌溉，從而側(cè)面體現(xiàn)出對于我國水資源的節(jié)約。為使得農(nóng)作物保持良好的生長發(fā)育狀態(tài)，需要適時檢測土壤中各個層級的數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)有的土壤墑情采集監(jiān)測裝置引入多層監(jiān)測設(shè)計，在不同深度的土壤中分別布局一個監(jiān)測單元，每個監(jiān)測單元均設(shè)有探針外露的采集器，但對采集器沒有適當?shù)姆雷o措施，導(dǎo)致采集器磨損嚴重[2]。通過對原有裝置的設(shè)計與改進，可以解決現(xiàn)有技術(shù)的不足。該裝置能夠在土壤墑情監(jiān)測、節(jié)水灌溉、溫室控制、精細農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

該裝置包括中空的探測桿及安裝在探測桿頂部上的控制箱，探測桿的側(cè)壁上沿間隔設(shè)有若干滑動件，滑動件包括滑套，探測桿與滑套之間設(shè)有緊固件?；瑒蛹刎Q向間隔設(shè)有2～4個，沿周向設(shè)有3～6個弧形支撐片，每個弧形支撐片上設(shè)有一個土壤墑情傳感器，每個滑動件上的多個土壤墑情傳感器可為相同功能的傳感器，也可為不同功能的傳感器?；椎闹軅?cè)轉(zhuǎn)動設(shè)有若干弧形支撐片，弧形支撐片上設(shè)有探測孔，弧形支撐片的底部安裝有采集器，采集器的探針穿過探測孔設(shè)置。控制箱內(nèi)設(shè)有控制器、存儲模塊、通信模塊、電源電路、充放電控制電路、信號處理模塊及電池，控制箱上安裝有太陽能板。

1.2 結(jié)構(gòu)的特點

1.2.1 實現(xiàn)不同深度的土壤采集方式

通過滑套滑動設(shè)于探測桿上，便于對滑套于探測桿上的高度進行調(diào)節(jié)，并通過緊固件固定其位置，便于對不同深度的土壤同時進行采集。

1.2.2 實現(xiàn)對不同方位的土壤多角度采集

采集器通過弧形支撐片于探測桿向周向活動分布，使得弧形支撐片帶動采集器轉(zhuǎn)動時，采集器的探針能插入相同深度、不同方向的土壤中。

1.2.3 增加對采集器的防護作用

傳統(tǒng)裝置對采集器沒有適當?shù)姆雷o措施，導(dǎo)致采集器磨損嚴重，通過弧形支撐片可以對采集器起到一定的防護作用，在插入土壤時更加穩(wěn)定、牢固，能夠避免因探測桿插入土壤過淺或人為、自然原因容易倒伏。

1.2.4 實現(xiàn)土壤信息的集中化處理

太陽能板經(jīng)充放電控制電路給電池充電，電池經(jīng)電源電路為電機及各硬件模塊供電，信號處理模塊將土壤信息處理后發(fā)送給控制器并儲存在存儲模塊中，控制器通過通信模塊與外部管理設(shè)備進行信息交互。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 采集裝置模塊

裝置的弧形支撐片鉸接于探測桿的外壁上，探測桿的外壁上設(shè)有與采集器對應(yīng)的凹陷部，且凹陷部與采集器的形狀相適配，探測桿內(nèi)設(shè)有電機，電機的輸出軸上設(shè)有傳動軸穿過探測桿與弧形支撐片的外側(cè)壁連接，電機通過電機驅(qū)動電路與控制器電連接。通過控制器控制電機的傳動軸伸出或縮回，也可通過氣缸代替電機。

2.2 信號傳輸模塊

控制箱內(nèi)設(shè)有控制器、存儲模塊、通信模塊、電源電路、充放電控制電路、信號處理模塊以及電池。其中通信模塊包括定位模塊，定位模塊為GPRS定位器或GPS定位器，定位模塊與控制器電連接?？刂葡鋬?nèi)也可以設(shè)置驅(qū)動電機，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)軸上安裝有第一齒輪，安裝板上安裝有與第一齒輪相嚙合的第二齒輪，以電動驅(qū)動安裝板旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動電機通過第二驅(qū)動電路分別與控制器電連接，通過在設(shè)定時間內(nèi)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度，并在設(shè)定時間內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)以復(fù)位，方便第二天使用。

控制箱的側(cè)壁上設(shè)有充電接口和通信接口，充電接口與充放電控制電路電連接，通信接口設(shè)置在通信模塊上，充電接口、通信接口均可拆卸且安裝有防水塞。需要使用時，打開防水塞，通過設(shè)置充電接口，便于在急需且無法更換太陽能板的情況下，采用外部電源對土壤墑情采集監(jiān)測裝置進行充電，以提高實用性；通過設(shè)置通信接口，便于將土壤墑情采集監(jiān)測裝置內(nèi)存儲的信息導(dǎo)出。不使用時，將防水塞裝配在充電接口、通信接口上，避免水或塵土進入控制箱影響硬件部分的正常使用。

控制箱的內(nèi)壁上設(shè)有導(dǎo)熱層，控制箱的外壁上設(shè)有與導(dǎo)熱層對應(yīng)的散熱結(jié)構(gòu)，散熱結(jié)構(gòu)包括若干高低間隔排列的散熱鰭片。散熱鰭片上設(shè)有若干散熱孔，以改善對流效果，提高散熱性能。

控制箱上安裝太陽能板，上鉸接有轉(zhuǎn)動座，太陽能板安裝在轉(zhuǎn)動座上?？筛鶕?jù)太陽的方位，人工對太陽能板的朝向進行調(diào)節(jié)，以更高效地利用太陽能。太陽能板經(jīng)充放電控制電路給電池充電，電池經(jīng)電源電路為電機及各硬件模塊供電，信號處理模塊將土壤墑情傳感器采集的土壤信息處理后，發(fā)送給控制器并儲存在存儲模塊中，控制器通過通信模塊與外部管理設(shè)備進行信息交互，便于土壤信息的集中化處理，便于維護，經(jīng)濟可靠。存儲模塊、電源電路、通信模塊、信號處理模塊分別與控制器電連接，同時存儲模塊與通信模塊電連接。通過設(shè)置定位模塊，當太陽能板損壞或到達使用年限，或無法知道土壤墑情采集監(jiān)測裝置的位置，又或者土壤墑情采集監(jiān)測裝置因人為原因丟失，或電池電量不足時，通過內(nèi)置的電池供電，將土壤墑情采集監(jiān)測裝置的位置經(jīng)控制器實時發(fā)送給外部管理設(shè)備，以便及時對太陽能板進行更換，或快速知曉土壤墑情采集監(jiān)測裝置的位置，避免采集數(shù)據(jù)的丟失和使用成本的增加。采集器包括土壤墑情傳感器，主要包括土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、土壤電導(dǎo)率傳感器或土壤pH傳感器。

土壤墑情自動監(jiān)測裝置不僅適用于野外大規(guī)模的田間水分連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，也能滿足室內(nèi)試驗土壤含水量測定的需求，是一種具有應(yīng)用前景的土壤水分測定設(shè)備，對水分反應(yīng)靈敏[3]。

2.3 傳動裝置模塊

通過電機驅(qū)動弧形支撐片沿著探測桿外壁轉(zhuǎn)動，帶動弧形支撐片上采集器的探針轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)插入土壤內(nèi)不同角度，在插入前，將弧形支撐片轉(zhuǎn)動至貼近探測桿，使采集器配合容置于凹陷部，對采集器形成防護，避免插入的過程中土壤中的碎石磨損采集器；凹陷部上設(shè)有穿線孔，與導(dǎo)線之間設(shè)有密封圈，探測桿的側(cè)壁與采集器之間設(shè)有套于導(dǎo)線外的伸縮管。通過伸縮管對活動伸出穿線孔外的導(dǎo)線進行防護，設(shè)置密封圈，避免土壤中的水分進入探測桿。固定好采集監(jiān)測裝置后，電機驅(qū)動弧形支撐片轉(zhuǎn)動，使采集器的探針插入土壤內(nèi)指定深度及角度。

3 對于裝置改進的討論

3.1 裝置改進的最終目標

通過添加弧形支撐片和滑動與支撐桿結(jié)合等技術(shù)方案，實現(xiàn)土壤墑情采集監(jiān)測裝置解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，進而提高裝置的工作效率。

3.2 在模型制作過程中可能遇到的問題與解決方案

在原有裝置上添加弧形支撐片時，可能有不兼容情況的出現(xiàn)，因此，在模型制作過程中，進行多次實驗測定弧形支撐片的使用，以確保裝置可以正常工作。

3.3 裝置改進后的工作原理

電機驅(qū)動弧形支撐片沿著探測桿外壁轉(zhuǎn)動，能夠帶動弧形支撐片上采集器的探針轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)插入土壤內(nèi)不同角度、不同高度，在插入前，將弧形支撐片旋轉(zhuǎn)至與探測桿貼近位置，使采集器剛好配合容位于凹陷部，使得全方位實現(xiàn)對采集器的防護，避免在插入的過程中土壤中的碎石對采集器的磨損，固定好采集監(jiān)測裝置后，電機驅(qū)動弧形支撐片轉(zhuǎn)動，使采集器的探針插入土壤內(nèi)指定深度及角度進行勘測。

3.4 土壤信息處理方式

在經(jīng)過采集器收集土壤信息后，信號處理模塊將土壤墑情傳感器采集的土壤信息處理后發(fā)送至控制器，并穩(wěn)定儲存在存儲模塊中，控制器通過通信模塊與外部管理設(shè)備進行信息交互，便于土壤信息的集中化處理，便于維護，經(jīng)濟可靠。

4 結(jié)語

科學(xué)的農(nóng)業(yè)種植理念是農(nóng)業(yè)發(fā)展的未來趨勢，科學(xué)的農(nóng)業(yè)種植在美國、加拿大等一些發(fā)達國家中已經(jīng)從理念變成了現(xiàn)實，高科技與農(nóng)業(yè)種植結(jié)合發(fā)展已經(jīng)成為國民基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)之一。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，糧食的產(chǎn)量直接影響著國計民生。每年由于旱澇造成的糧食減產(chǎn)的損失巨大，所以，有效防旱、抗旱，防澇、抗災(zāi)，減少災(zāi)難造成的各項損失，已成為各級防汛抗旱部門的最主要的任務(wù)之一[4]。

土壤環(huán)境檢測技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與我國環(huán)境現(xiàn)狀有著直接關(guān)系，經(jīng)歷了數(shù)十年以環(huán)境為代價的經(jīng)濟發(fā)展模式，我國整體環(huán)境受到了嚴重的污染，空氣、水源、土壤等環(huán)境構(gòu)成因素都受到了不同程度的污染。這種情況下，建立全方位的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)就顯得尤為重要。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和擴大，環(huán)境中的污染物類型、含量都在不斷增加，若是直接食用污染土壤種植的農(nóng)作物，就有可能威脅到人們的生命健康。因此，環(huán)境管理部門有必要對土壤環(huán)境狀況進行持續(xù)監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護措施提出的依據(jù)，在環(huán)境監(jiān)測過程中，需要兼顧好現(xiàn)場調(diào)查、檢測布點、樣品采集等一系列工作。環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展十分悠久，但是真正進入現(xiàn)代化，還要追溯到20世紀70年代。環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于土壤監(jiān)測，需要對土壤環(huán)境因素進行多次測定，如此才能獲得環(huán)境變化趨勢的準確認知[5]。在檢測中，主要的檢測對象是對環(huán)境有影響的污染物，借助多種類型的土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)，土壤污染物及其消極影響可以得到有效控制。