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《吉林农业大学》 2008年
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变量施肥机控制系统的研究

孙成  
【摘要】: 精准农业是农业发展的方向,变量施肥是精准农业的重点研究领域之一。我国传统凭经验的均匀施肥方式已经严重不能适应我国农业现代化的要求,因此改变过去落后的施肥方式实行施肥变革在我国势在必行。 目前我国传统的施肥方式是在一个区域内或一个地块内使用一个平均施肥量,由于土壤肥力在地块的不同区域差别较大,所以在肥力低而其它生产性状好的区域往往施肥量不足,而在某种养分含量高而丰产形状不好的区域则引起过量施肥,其结果不仅仅浪费资源,更重要的是造成资源环境污染,直接危害人体健康。与传统施肥的肥料的浪费及不合理等,没考虑土壤肥力不一致。变量施肥有更高的技术效率,更容易获得规模收益,变量施肥技术本身可以带来良好的经济效益和生态社会效益。变量施肥技术由土壤数据和作物营养实时数据的采集、决策分析系统,变量控制施肥机械设备及变量控制技术等组成。 变量施肥机是在GPS(全球定位系统)、GIS(地理信息系统)、RS(遥感)等技术支持下实现精确定位与变量作业,首先通过GPS确定所处位置,再利用各类传感器采集作物和环境信息,实时信息被输入到预装有农艺、土壤、植株、管理等方面数据的机载决策系统,机载决策系统经过处理作出决策,并传输到执行机构,由执行机构实现对肥料的变量投入或操作调整。变量施肥机依靠客观数据来作决策和动作,针对不同小区的作物,变量而非均一的投入农资,有利于节本增效,减少环境污染。同时也避免了由于人的判断能力和不同操作水平而带来的差异,也可减轻操作人员由于疲劳而带来的判断失误。 传统施肥对一大块甚至一个自然村的农田进行测土和施肥,是一种粗放式经营。事实上,土壤养分在田间分布存在差异,这也是变量施肥的客观基础。传统的施肥方法在同一块农田内均一施肥,因此,在传统施肥中,人们经常为了保证某单项养分(如P)的投入,而造成其它养分的过多施用(如K),这是肥料浪费和环境污染的主要根源之一。 用单片机控制变量施肥,施肥量平均减少60kg/ha,即肥料投入267RMB/ha。而产量平均增加500kg/ha,多收入1350RMB/ha。从增加的产量收益和减少肥料投入两方面考虑,通过变量施肥,相当于在每公顷多获得1400元的收入。玉米亩产694.8~733.5公斤,增产率6.2~10.1%,并使玉米节省肥料15.5~17.6%,同时,采用机械作业,保证了作业季节,提高作业质量,增加农业产量;并能节省大批劳动力,从事其他行业生产,如养殖业等,可提高生产效率20%以上,提高经济效益15.8%。避免了养分在某些地点的过度积累,也就抑制了化肥、农药对农产品的污染,减少了水资源的浪费,降低了地下水的污染。 而且由于PFA田间计算机是国外引进的设备所以价钱比较昂贵,并不能广泛的被使用。单片机代替PFA田间计算机不但能很好的完成读取,控制功能而且在很大程度节约了成本,减少了不必要开销,被广泛应用。 本论文在大量查阅相关资料基础上,综合变量施肥的各方面要求,确定了该变量施肥控制系统的硬件组成,包括ARM7系列微处理器LPC2220代替原有的PFA田间计算机,担任控制系统的核心、U盘、ZLG7290 I~2C接口键盘、240128A-21PIN液晶显示器、CPLD器件、RAM、SST39LF/VF160 FLASH等。硬件部分用了汇编语言开发,软件开发过程中使用ARM ADS开发工具和AXD调试工具,采用了C语言进行编程。 该系统利用ARM7系列微处理器LPC2220,RS232电平与TTL电平转换,来完成与GPS接收机的接收工作,进而完成定位任务,由GIS和专家决策支持系统决策数据存储在U盘中,工作是将U盘作为接口设备与单片机相连接,就完成了GIS和专家系统与单片机的连接,机具的前进速度由测速雷达获得,把机具的前进信号转化成脉冲信号,输入给单片机控制系统,ARM7系列微处理器作为控制系统中央处理芯片,接收GPS定位信号,获取存储于U盘中的专家施肥决策数据,同时读取速度传感器反馈回来的施肥机的行进速度。将这些数据综合处理,来控制马达转速,实现变量施肥。 在实验室通过进行两种变量施肥控制器的对比实验,得出了在误差允许范围内以LPC2220微处理器为核心的控制系统代替PFA田间计算机的结论。对实验误差的产生进行了总结,其中包括GPS延时误差、GPS误差、车速误差、算法误差、控制延迟误差。 总之,试验研究变量施肥机构的控制系统,设计应用了以ARM7控制器为核心全自动智能控制的接口技术,与精密播种配套使用,减少用肥量、提高肥料利用率,减少过多的肥料对环境的污染,具有明显的经济、环境和生态效益,具有通用性。单片机取代PFA田间计算机减少了资金的投入,大大节约了开销。
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