農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化中智能控制儀表系統(tǒng)應(yīng)用方法研究

孟旭堯?何婷

摘要：當(dāng)前中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系發(fā)生了巨大革新，向現(xiàn)代化和科技化方向發(fā)展。在此背景下，農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并被廣泛使用到各種農(nóng)作物種植環(huán)節(jié)中，對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。其中智能控制儀表系統(tǒng)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，具有智能化程度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更為安全有效的保障。基于此，重點(diǎn)探討農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化中智能控制儀表系統(tǒng)應(yīng)用，并提出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化；智能控制儀表系統(tǒng)；應(yīng)用方法；路徑探析

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人力，效率和機(jī)械化程度較低。在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的情況下，自動(dòng)化技術(shù)逐漸成了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要部分，很大程度上提升了中國整體農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。引進(jìn)新技術(shù)的同時(shí)，必須考慮其應(yīng)用效果以及未來發(fā)展前景，加強(qiáng)對(duì)智能控制儀表系統(tǒng)的研發(fā)工作，并將該系統(tǒng)合理有效地運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)成本，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的可持續(xù)化發(fā)展。

1 智能控制儀表系統(tǒng)分析

1.1 智能控制儀表系統(tǒng)簡(jiǎn)介

農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化中智能控制儀表的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過程的智能化監(jiān)控。其主要原理為采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，以單片機(jī)為核心，通過傳感器檢測(cè)農(nóng)田信息并進(jìn)行處理后輸出相應(yīng)的信號(hào)至PLC，由PLC完成各種自動(dòng)控制功能[1]。同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)需要時(shí)可以直接調(diào)用該數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、判斷。智能控制儀表主要由單片機(jī)和傳感器組成，其中傳感器是系統(tǒng)最重要也是最常使用的一種元件，它負(fù)責(zé)采集土壤溫度、濕度、光照強(qiáng)度等多種參數(shù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行運(yùn)算、比較后輸出一個(gè)或幾個(gè)特定頻率的電信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備工作。而單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，承擔(dān)著對(duì)所需物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)處理的任務(wù)。運(yùn)行過程中，各功能模塊之間必須相互協(xié)調(diào)配合才能使系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，促進(jìn)單片機(jī)與PC機(jī)的融合，提高測(cè)控系統(tǒng)性能。隨著技術(shù)的更新?lián)Q代，如今智能控制儀表已逐漸發(fā)展成為集計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)以及電力電子技術(shù)于一體的新型機(jī)電一體化產(chǎn)品，被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如：溫室大棚的溫度控制，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)，工業(yè)環(huán)境下的電能計(jì)量等方面。

1.2 智能控制儀表系統(tǒng)工作原理

農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化中，為充分發(fā)揮智能控制儀表系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，首先應(yīng)明確其工作原理，作為重要組成部分，傳感器主負(fù)責(zé)信息采集與傳輸?shù)墓δ?，而控制器則是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理并轉(zhuǎn)化為輸出結(jié)果的核心器件[2]。傳輸過程中，難免會(huì)遇到信號(hào)干擾，這時(shí)應(yīng)利用濾波器有效濾除干擾源，保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，將信號(hào)傳輸?shù)蕉嗦纺M器開關(guān)中。單片機(jī)通過串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和顯示，同時(shí)在程序上加入濾波算法以提升運(yùn)算效率，最終完成對(duì)數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理。應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字量后再發(fā)送給微處理器。若要確保設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定，還需定期檢測(cè)系統(tǒng)各部件性能是否達(dá)標(biāo)，如溫度、濕度等參數(shù)，以此保障裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 智能控制儀表系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 自動(dòng)操作性能

智能控制儀表系統(tǒng)具有自動(dòng)化操作特點(diǎn)，利用微控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)與分析[3]。具體而言，其自動(dòng)操作性能主要體現(xiàn)在以下幾方面：其一，數(shù)據(jù)采集模塊將檢測(cè)到的各種信息傳輸至處理中心。其二，數(shù)據(jù)處理模塊通過運(yùn)算算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，并根據(jù)結(jié)果生成相應(yīng)的圖表或報(bào)告輸出顯示。其三，報(bào)警及故障指示功能可及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)設(shè)置和調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。其四，遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，工作人員可以隨時(shí)隨地查看現(xiàn)場(chǎng)情況，方便地了解設(shè)備運(yùn)行狀況[4]。

2.2 較好的自測(cè)功能

農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化智能控制儀表系統(tǒng)的自測(cè)功能主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，及時(shí)反映各個(gè)部件工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，通過分析故障原因查找解決問題方法，以便快速恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，還能全面檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免因操作不當(dāng)引起系統(tǒng)癱瘓現(xiàn)象。

2.3 數(shù)據(jù)處理能力

任何儀表在運(yùn)行中難免會(huì)出現(xiàn)各種故障，農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化智能控制儀表系統(tǒng)也不例外，其故障主要集中于硬件和軟件兩個(gè)方面。其中硬件部分的故障一般表現(xiàn)為：電源供電不足或短路。電壓互感器、電流互感器等二次回路損壞，繼電器觸點(diǎn)接觸不良引起誤動(dòng)作等。但智能控制儀表系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理能力，它可以將采集到的信號(hào)經(jīng)過處理后傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、運(yùn)算并做出判斷，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。而軟件系統(tǒng)則是由上位機(jī)通過人機(jī)界面來顯示所檢測(cè)的信息，用戶可對(duì)儀表系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與操作，完成相應(yīng)的任務(wù)，如設(shè)置參數(shù)、查詢歷史數(shù)據(jù)。

2.4 人機(jī)對(duì)話功能

智能控制儀表系統(tǒng)最大的特點(diǎn)為人機(jī)對(duì)話功能，即由用戶通過鍵盤選擇所需的參數(shù)或狀態(tài)。這種人機(jī)友好型的操作方式不僅能減少人為因素對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的影響，還能使整個(gè)控制系統(tǒng)更具智能化水平。并且使用該功能搜索時(shí)可在屏幕上直接顯示出各被測(cè)物理量（如溫度、壓力、流量等）和相應(yīng)的數(shù)值及曲線。當(dāng)需要改變某一個(gè)量時(shí)，只要輸入該值后即可自動(dòng)切換到另一不同的設(shè)定值并輸出與之對(duì)應(yīng)的結(jié)果，從而大大地提高了測(cè)量精度，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，避免了人為誤動(dòng)作發(fā)生。

3 農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化中智能控制儀表系統(tǒng)應(yīng)用方法探析

3.1 對(duì)土壤的檢測(cè)分析

智能控制儀表系統(tǒng)在土壤檢測(cè)分析應(yīng)用中主要對(duì)土壤水分和溫度進(jìn)行測(cè)量，其功能的實(shí)現(xiàn)依賴于傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)[5]。眾所周知，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤的物理特性對(duì)農(nóng)作物健康生長(zhǎng)起到了關(guān)鍵作用，為此必須控制好土壤的濕度與其他參數(shù)。而智能控制儀表系統(tǒng)則能準(zhǔn)確地檢測(cè)出土壤條件，進(jìn)而為科學(xué)施肥提供可靠依據(jù)，提高作物產(chǎn)量。其分析方法如下：第一，根據(jù)不同地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)確定需要采集的環(huán)境溫濕度值，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后傳輸給微處理器。第二，通過比較各環(huán)境參數(shù)之間的相關(guān)性識(shí)別異常點(diǎn)所在區(qū)域，利用K－均值聚類算法提取特征信息，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)土壤含水量。利用所得到的預(yù)測(cè)值對(duì)目標(biāo)變量進(jìn)行優(yōu)化選擇，獲得最優(yōu)的灌溉量和種植密度，指導(dǎo)農(nóng)田管理。例如，玉米種植中，種子對(duì)土壤的需求條件包括土壤容重、田間持水量及有效水勢(shì)等。土壤養(yǎng)分狀況又受到水分含量、PH值及有機(jī)質(zhì)等因素影響，為合理分配肥料用量，避免不合理使用農(nóng)藥造成環(huán)境污染，必須掌握這些關(guān)鍵因子的變化情況。通過利用智能控制儀表系統(tǒng)能測(cè)出上述指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，達(dá)到精準(zhǔn)施肥目的[6]。

3.2 水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)灌溉的主要目的是將作物所需要的水供給到農(nóng)作物生長(zhǎng)區(qū)域，確保其正常生長(zhǎng)。然而由于農(nóng)民濫用亂用化肥等現(xiàn)象，導(dǎo)致水質(zhì)不斷惡化，影響了農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。為解決這一問題，應(yīng)科學(xué)引入智能控制儀表系統(tǒng)，優(yōu)化水質(zhì)檢測(cè)過程，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。水質(zhì)檢測(cè)中智能控制儀表系統(tǒng)能在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析處理，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)水質(zhì)進(jìn)行合理調(diào)控，提高水質(zhì)檢測(cè)效率及準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)還具有良好的預(yù)警功能，通過報(bào)警提示操作人員及時(shí)了解水體污染程度，并出具報(bào)告幫助維護(hù)部門作出正確決策?？傊?，在水質(zhì)檢測(cè)中利用智能控制儀表系統(tǒng)需要注意以下幾點(diǎn)：其一，根據(jù)實(shí)際情況選擇水質(zhì)檢測(cè)器型號(hào)，保證儀器運(yùn)行穩(wěn)定可靠。其二，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況調(diào)整采樣時(shí)間，如：SBD-1型溶解氧檢測(cè)儀采用24h連續(xù)自動(dòng)定時(shí)采樣法，而DQS—2型溶解氧傳感器則需每天定期取樣測(cè)定。其三，針對(duì)不同類型水樣分別制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，通常情況下，ZJG-1A型地表水質(zhì)儀規(guī)定每次測(cè)試前必須先記錄好所取樣品量、PH值、電導(dǎo)率、濁度、總硬度以及氨氮含量。ZJ-2B型地下水質(zhì)分析儀則要求每小時(shí)要測(cè)量一次水樣，以便于后期數(shù)據(jù)分析處理。其四，水質(zhì)檢測(cè)時(shí)，為減輕人員工作壓力應(yīng)使用便攜式水情測(cè)報(bào)儀實(shí)時(shí)獲取測(cè)點(diǎn)水位信息，通過GPRS傳輸至服務(wù)器或上位機(jī)軟件方便工作人員查詢。

3.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)蟲害檢測(cè)的應(yīng)用

病蟲害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的常見問題，如何有效控制這一病害發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)智能控制儀表系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。第一，根據(jù)植保工作需要設(shè)計(jì)基于Lab VIEW軟件和單片機(jī)技術(shù)的植物保護(hù)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。第二，針對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，包括傳感器模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，MCU控制器等。第三，通過在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效果并得出相關(guān)數(shù)據(jù)。具體應(yīng)用中，系統(tǒng)先分析植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和農(nóng)藥作用機(jī)理與特點(diǎn)，結(jié)合作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)結(jié)果制定相應(yīng)防治方案。然后利用所研制的植保遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采集農(nóng)作物葉片圖像信息，將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控中心，再由下位機(jī)以無線方式傳輸給中央控制室顯示或報(bào)警。當(dāng)植株出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象時(shí)，自動(dòng)開啟噴藥功能，隨著土壤含水量下降至田間持水量以下（即低于田間持水率），自動(dòng)關(guān)閉噴藥功能，直至土壤恢復(fù)水分含量后再次開始噴藥。若出現(xiàn)害蟲危害癥狀時(shí)，則自動(dòng)打開殺蟲燈照明及燈光強(qiáng)度調(diào)節(jié)功能，直到完成蟲害處理為止，最終實(shí)現(xiàn)無人值守情況下的精準(zhǔn)施藥目的。

3.4 農(nóng)業(yè)氣象檢測(cè)功能

智能控制儀表系統(tǒng)還具有農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)功能，不僅能及時(shí)搜集氣象數(shù)據(jù)，還能自動(dòng)完成對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的分析和評(píng)估。農(nóng)業(yè)氣象智能控制儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了Zig Bee技術(shù)作為主要通信手段，GPRS作為無線數(shù)據(jù)傳輸方式，GSM短信服務(wù)作為輔助通訊方式，結(jié)合了傳感器、嵌入式技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)[7]。在硬件上，利用MSP430單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)溫濕度采集模塊、雨量檢測(cè)模塊、光照測(cè)量模塊以及土壤濕度測(cè)量模塊的集成。軟件方面，通過串口與上位機(jī)進(jìn)行無線連接，Socket編程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)確定相應(yīng)的控制策略。便于技術(shù)人員第一時(shí)間了解天氣狀況，同時(shí)，能將溫度、降雨信息發(fā)送到手機(jī)端或者其他移動(dòng)設(shè)備中，方便農(nóng)民查看當(dāng)前實(shí)時(shí)天氣，提前做出應(yīng)對(duì)方案，保證生產(chǎn)安全。

4 優(yōu)化農(nóng)業(yè)電氣智能控制儀表系統(tǒng)策略

4.1 控制干擾儀表因素

農(nóng)業(yè)電氣智能儀表系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)受到外界等多種原因的干擾，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。其中差模干擾與外部共模干擾是產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要因素之一。因此，為了解決該問題技術(shù)人員應(yīng)采用適當(dāng)措施降低差模和共模信號(hào)對(duì)儀表精度造成影響。深入檢測(cè)儀表故障位置，通過分析不同類型的干擾源找出具體成因，根據(jù)實(shí)際情況提出相應(yīng)對(duì)策。在研究中設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)基于FPGA技術(shù)的數(shù)字信號(hào)調(diào)理芯片（ADSP）具有良好的抗干擾能力，能將差?；蚬材２ㄟM(jìn)行隔離處理，并有效消除引起的誤差。硬件設(shè)計(jì)中選用了高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP2812作為核心控制器，利用其高速運(yùn)算能力，使電路工作更加穩(wěn)定可靠，同時(shí)使用高精度模擬器件LM3S9B060完成信號(hào)調(diào)理任務(wù)。軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化編程思想，結(jié)合軟件濾波方法減小傳感器輸出電壓的諧波含量。此外，VHDL語言也能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜可編程邏輯門陣列（PLD）功能，為電路設(shè)計(jì)提供便利條件，提高設(shè)計(jì)效率。

4.2 優(yōu)化智能控制儀表系統(tǒng)

智能控制儀表系統(tǒng)的優(yōu)化中需注意以下幾點(diǎn)：其一，正確選擇傳感器，根據(jù)所要求的精度及使用環(huán)境確定型號(hào)和規(guī)格[8]。對(duì)所測(cè)物理量進(jìn)行必要的校正，如溫度補(bǔ)償、壓力補(bǔ)償?shù)?。了解被測(cè)量與測(cè)量值之間關(guān)系，合理地設(shè)置量程范圍。其二，為保證較高的精確度，應(yīng)盡可能采用高精度的變送器，同時(shí)要注意其接線方式以及安裝位置。其三，選用合適的控制器，在滿足工藝需求的前提下盡量降低成本。其四，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員的培訓(xùn)，提高其專業(yè)素質(zhì)，使其能將理論靈活應(yīng)用于實(shí)踐中，充分發(fā)揮智能控制技術(shù)作用。其五，為了提高系統(tǒng)可靠性，可通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或更換硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)，達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低功耗，延長(zhǎng)使用壽命目的。

5 結(jié)語

綜上所述，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化智能控制儀表系統(tǒng)的發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)業(yè)集約化、智能化、高效化管理?？傊?，我國目前農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化智能控制儀表系統(tǒng)研發(fā)正處于初步發(fā)展階段，要想突破現(xiàn)狀，必須對(duì)其進(jìn)行深入研究分析，結(jié)合當(dāng)下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況和未來發(fā)展趨勢(shì)制定合理科學(xué)的實(shí)施方案。另外，技術(shù)人員作為主要推廣者與實(shí)施者，應(yīng)積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，遵循因地制宜原則，從當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)實(shí)際出發(fā)設(shè)計(jì)出適合本地使用的儀器儀表設(shè)備，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

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