孫 琦

(廊坊市廣播電視大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

在當(dāng)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著非常重要的地位，出現(xiàn)了各種類型的農(nóng)藥，用量逐年上升。但是施藥中，工作人員缺乏重要的安全意識，農(nóng)作物及環(huán)境中的農(nóng)藥殘留問題更是嚴(yán)重，對人體和環(huán)境造成非常大的危害[1]。農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著非常大的推動作用，也無法避免地對四周環(huán)境和食用者產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染和損害。人體經(jīng)常食用農(nóng)殘過高的食物，農(nóng)藥在體內(nèi)長期積累，嚴(yán)重危害著食用者的身體健康[2]。經(jīng)統(tǒng)計：2015年水稻、小麥和玉米這三大農(nóng)作物的農(nóng)藥利用率為36.6%，與農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家還是存在很大差距；發(fā)達(dá)國家的農(nóng)藥利用率最高可達(dá)到60%，平均比我國高20個百分點。施藥的機(jī)器、技術(shù)和觀念的落后這些都是主要的影響因素[3-5]。為此，通過區(qū)分農(nóng)田中作物的不同信息，然后通過變量施藥，以達(dá)到精準(zhǔn)施藥的目的。工作時，通過使用多種不同傳感器，實時采集施藥參量數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的信息變量精準(zhǔn)施藥[6-14]，并實時收集并長期儲存施藥信息。

我國土地等資源利用強(qiáng)度很大，歐美等國家耕地層一般在35cm以上，我國大部分地區(qū)的耕地層只有15～20cm，保水保肥能力差。因此，提高化肥農(nóng)藥利用率，發(fā)展綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)，使用高效科學(xué)的施藥方法。本文設(shè)計基于STC89C52RC單片機(jī)的施藥監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳感器收集實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫處理編輯儲存施藥參量，根據(jù)長期儲存的施藥參量進(jìn)行變量施藥，合理用藥。

1 試驗設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

以STC89C52RC單片機(jī)為控制中心，組合信息采集器(各類傳感器、單片機(jī)、SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊)、信息傳送模塊、顯示模塊、電腦，以及串口通信模塊等主要結(jié)構(gòu)形成系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 總體設(shè)計

本設(shè)計采用STC89C52RC單片機(jī)監(jiān)控整個施藥監(jiān)測過程。STC89C52RC單片機(jī)是STC生產(chǎn)的一款低耗、高性能的微控制器，具有 8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。該機(jī)型可以支持串口通信，工作電壓為5.5～3.3V，代碼指令可以兼容以前的型號，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)具有更強(qiáng)大的兼容性。

該系統(tǒng)中使用的顯示裝置為液晶顯示器，使用者可以設(shè)置成數(shù)字或漢字，適用多種電路。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的其他模塊的需求，采用串口電路，減少裝置中的線路連接，簡化安裝程序。

信息傳送模塊為用戶與系統(tǒng)互換信息的門戶，采用字母與數(shù)字結(jié)合的簡單形式，使用4×4按鍵，共16個按鍵。

SD卡數(shù)據(jù)庫儲存?zhèn)鞲衅鞑杉氖┧幮畔ⅰ鞲衅鏖L期采集施藥信息，分析施藥過程，并在用戶分析數(shù)據(jù)時，將前面儲存的數(shù)據(jù)以圖表或數(shù)字的形式輸出。

采用的傳感器主要有數(shù)字型和模擬型兩種類型：數(shù)字型傳感器可將得到的信息直接與數(shù)字設(shè)施互換信息，快速讀取信息；模擬型傳感器提取信息速度快，處理信息的范圍寬。本系統(tǒng)從傳感器的特點和設(shè)計成本綜合考慮，傳感器采用數(shù)字傳感器。系統(tǒng)以20個施藥監(jiān)控點為試驗點，測試各個試驗點的系統(tǒng)測量值和實際測量值的誤差，通過對比驗證該系統(tǒng)是否可行。同時，采取多個試驗點驗證可測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，表明該系統(tǒng)中使用的傳感器可用。采用的壓力傳感器，如圖2所示；速度傳感器，如圖3所示；流量傳感器，如圖4所示。

采用單片機(jī)為控制中心的施藥監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，從而最大程度上減少農(nóng)藥的各種危害，降低資源的浪費(fèi)，維持生態(tài)穩(wěn)定和減輕環(huán)境壓力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。精準(zhǔn)施藥的核心是收集田間病蟲草害的信息，采取變量分區(qū)精準(zhǔn)噴灑施藥，按照農(nóng)作物的不同需求進(jìn)行合理施肥施藥，減少種植戶的成本輸出。

圖4流速傳感器

該系統(tǒng)通過傳感器采集農(nóng)作物的參量信息，將信息傳送至單片機(jī)STC89C52，分析長期儲存的參量信息，根據(jù)采集的信息變量施藥，將收集的信息儲存于SD卡，用戶可以用電腦中將收集信息以圖表或數(shù)據(jù)的形式觀察分析，觀察施藥系統(tǒng)是否工作準(zhǔn)確。

2 機(jī)構(gòu)組成和施藥監(jiān)控

2.1 機(jī)構(gòu)組成

施藥監(jiān)控系統(tǒng)組成。以STC89C52RC單片機(jī)為核心，包括信息采集器(各類傳感器、SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊)、信息傳送模塊、顯示模塊、電腦以及串口通信模塊等主要結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的電路圖如圖5所示。

2.2 施藥監(jiān)控控制

施藥監(jiān)控系統(tǒng)主要根據(jù)傳感器監(jiān)控施藥收集施藥管道中農(nóng)藥的流速、壓力、流量等信息，將信息輸送至單片機(jī)，通過單片機(jī)的分析，校正系統(tǒng)設(shè)置，監(jiān)控施藥量是否符合系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)據(jù)，保證施藥的準(zhǔn)確性。

圖5 系統(tǒng)電路圖

3 試驗與結(jié)果

3.1 試驗基本條件

為了試驗施藥監(jiān)控裝置可靠性和準(zhǔn)確性，在試驗田上進(jìn)行試驗，將本文設(shè)計的系統(tǒng)安裝在行走的施藥機(jī)械上進(jìn)行速度、壓力和流量等參量的試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析比較。

3.2 試驗設(shè)計

為了檢測采用基于STC89C52RC單片機(jī)的施藥監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，首先驗證送藥管道速度的準(zhǔn)確性[15]，測試施藥系統(tǒng)所在機(jī)械速度值與實際值的相對誤差。該速度值可在系統(tǒng)顯示器中讀取，速度檢測原理如圖6所示。實際值采用秒表記錄，根據(jù)秒表記錄，以機(jī)械行走100m為試驗段，以20個施藥監(jiān)控點為試驗點，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

圖6 速度檢測原理圖表1 施藥速度測試

試驗點系統(tǒng)速度/km·h-1實際速度/km·h-1誤差/%10.7650.7731.0521.3451.3782.4531.8751.9152.1342.2452.3092.8552.5462.6132.6362.9643.0242.0273.5833.6852.8583.8743.9882.9494.1364.2232.1104.7434.8031.27114.9865.0831.95125.2385.3361.87135.7395.8682.25146.4656.6242.46156.9727.1762.93167.2427.3571.59177.7467.9142.17188.0728.3012.84198.5738.6791.24208.8989.0331.52

由上述數(shù)據(jù)中可以了解到：系統(tǒng)速度和實際速度的相對誤差最大值2.85%，最小值為1.05%，平均誤差值為2.16%。該誤差對施藥系統(tǒng)的準(zhǔn)確性影響不大，故速度這個影響因素不會造成施藥監(jiān)控系統(tǒng)的偏差。

壓力試驗測量值來自藥監(jiān)控系統(tǒng)通過壓力變送器上的壓力值[16]，而實際壓力值采集于試驗裝置上的標(biāo)準(zhǔn)壓力表。以20個施藥監(jiān)控點為試驗點，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 施藥壓力試驗

續(xù)表2

由表2中數(shù)據(jù)了解到，測量壓力和實際壓力的誤差最大值3.5%，最小值為1.19%，平均誤差值為2.15%。由此可見，該系統(tǒng)設(shè)計可以達(dá)到施藥監(jiān)控的目的。

流量試驗測試監(jiān)控系統(tǒng)藥液流量誤差。其中，實際流量直接用量筒量出，系統(tǒng)流量由安裝在行走農(nóng)藥噴灑機(jī)械上的施藥監(jiān)控系統(tǒng)液晶顯示裝置直接讀取數(shù)據(jù)。在同一時段測量藥液流量，以20個同樣施藥監(jiān)控點為試驗點，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 施藥流量試驗

續(xù)表3

從上述數(shù)據(jù)檢測結(jié)果可知，系統(tǒng)流量和實際流量的相對誤差最大值2.93%，最小值為1.19%，平均誤差值為2.09%，該系統(tǒng)設(shè)計可以達(dá)到施藥監(jiān)控的目的。

4 結(jié)論

本研究對單片機(jī)的施藥監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：采用STC89C52RC單片機(jī)為控制中心的施藥監(jiān)測系統(tǒng)，完全滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，可實時采集施藥信息，監(jiān)控施藥過程。該系統(tǒng)的目的就是為了施藥精確，控制農(nóng)藥的使用，減少農(nóng)作物內(nèi)過多殘留，確保噴灑的農(nóng)藥可以達(dá)到殺蟲除草的量。

試驗表明：該系統(tǒng)可保證農(nóng)藥噴灑機(jī)械的正常運(yùn)行，減少種植戶的成本投入，減少農(nóng)殘對人體的危害，減輕農(nóng)藥對生態(tài)環(huán)境危害，在多樣化種植中的變量施藥有著非常大的應(yīng)用價值。

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