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(duì)種植戶來(lái)說(shuō)是最重要和最常用的數(shù)據(jù)信息，是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵指標(biāo)。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(shí)掌握區(qū)域土壤狀態(tài)的動(dòng)態(tài)信息，探明作物生長(zhǎng)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(duì)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(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化種植具有重要意義[1]。

我國(guó)是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展也因此而被制約，土壤墑情檢測(cè)器可以采集到土壤中水分的信息，由此可以有效地進(jìn)行節(jié)水灌溉，從而側(cè)面體現(xiàn)出對(duì)于我國(guó)水資源的節(jié)約。為使得農(nóng)作物保持良好的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)，需要適時(shí)檢測(cè)土壤中各個(gè)層級(jí)的數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)有的土壤墑情采集監(jiān)測(cè)裝置引入多層監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，在不同深度的土壤中分別布局一個(gè)監(jiān)測(cè)單元，每個(gè)監(jiān)測(cè)單元均設(shè)有探針外露的采集器，但對(duì)采集器沒(méi)有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，導(dǎo)致采集器磨損嚴(yán)重[2]。通過(guò)對(duì)原有裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，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(cè)、節(jié)水灌溉、溫室控制、精細(xì)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(cè)桿及安裝在探測(cè)桿頂部上的控制箱，探測(cè)桿的側(cè)壁上沿間隔設(shè)有若干滑動(dòng)件，滑動(dòng)件包括滑套，探測(cè)桿與滑套之間設(shè)有緊固件?；瑒?dòng)件沿豎向間隔設(shè)有2～4個(gè)，沿周向設(shè)有3～6個(gè)弧形支撐片，每個(gè)弧形支撐片上設(shè)有一個(gè)土壤墑情傳感器，每個(gè)滑動(dòng)件上的多個(gè)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。滑套的周側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)有若干弧形支撐片，弧形支撐片上設(shè)有探測(cè)孔，弧形支撐片的底部安裝有采集器，采集器的探針穿過(guò)探測(cè)孔設(shè)置。控制箱內(nèi)設(shè)有控制器、存儲(chǔ)模塊、通信模塊、電源電路、充放電控制電路、信號(hào)處理模塊及電池，控制箱上安裝有太陽(yáng)能板。

1.2 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.2.1 實(shí)現(xiàn)不同深度的土壤采集方式

通過(guò)滑套滑動(dòng)設(shè)于探測(cè)桿上，便于對(duì)滑套于探測(cè)桿上的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)緊固件固定其位置，便于對(duì)不同深度的土壤同時(shí)進(jìn)行采集。

1.2.2 實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方位的土壤多角度采集

采集器通過(guò)弧形支撐片于探測(cè)桿向周向活動(dòng)分布，使得弧形支撐片帶動(dòng)采集器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(duì)采集器的防護(hù)作用

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

1.2.4 實(shí)現(xiàn)土壤信息的集中化處理

太陽(yáng)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(jī)及各硬件模塊供電，信號(hào)處理模塊將土壤信息處理后發(fā)送給控制器并儲(chǔ)存在存儲(chǔ)模塊中，控制器通過(guò)通信模塊與外部管理設(shè)備進(jìn)行信息交互。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 采集裝置模塊

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

2.2 信號(hào)傳輸模塊

控制箱內(nèi)設(shè)有控制器、存儲(chǔ)模塊、通信模塊、電源電路、充放電控制電路、信號(hào)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(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)驅(qū)動(dòng)安裝板旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)第二驅(qū)動(dòng)電路分別與控制器電連接，通過(guò)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度，并在設(shè)定時(shí)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(shí)，打開(kāi)防水塞，通過(guò)設(shè)置充電接口，便于在急需且無(wú)法更換太陽(yáng)能板的情況下，采用外部電源對(duì)土壤墑情采集監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行充電，以提高實(shí)用性；通過(guò)設(shè)置通信接口，便于將土壤墑情采集監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)存儲(chǔ)的信息導(dǎo)出。不使用時(shí)，將防水塞裝配在充電接口、通信接口上，避免水或塵土進(jìn)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(duì)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(duì)流效果，提高散熱性能。

控制箱上安裝太陽(yáng)能板，上鉸接有轉(zhuǎn)動(dòng)座，太陽(yáng)能板安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)座上?？筛鶕?jù)太陽(yáng)的方位，人工對(duì)太陽(yáng)能板的朝向進(jìn)行調(diào)節(jié)，以更高效地利用太陽(yáng)能。太陽(yáng)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(jī)及各硬件模塊供電，信號(hào)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(chǔ)存在存儲(chǔ)模塊中，控制器通過(guò)通信模塊與外部管理設(shè)備進(jìn)行信息交互，便于土壤信息的集中化處理，便于維護(hù)，經(jīng)濟(jì)可靠。存儲(chǔ)模塊、電源電路、通信模塊、信號(hào)處理模塊分別與控制器電連接，同時(shí)存儲(chǔ)模塊與通信模塊電連接。通過(guò)設(shè)置定位模塊，當(dāng)太陽(yáng)能板損壞或到達(dá)使用年限，或無(wú)法知道土壤墑情采集監(jiān)測(cè)裝置的位置，又或者土壤墑情采集監(jiān)測(cè)裝置因人為原因丟失，或電池電量不足時(shí)，通過(guò)內(nèi)置的電池供電，將土壤墑情采集監(jiān)測(cè)裝置的位置經(jīng)控制器實(shí)時(shí)發(fā)送給外部管理設(shè)備，以便及時(shí)對(duì)太陽(yáng)能板進(jìn)行更換，或快速知曉土壤墑情采集監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)裝置不僅適用于野外大規(guī)模的田間水分連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，也能滿足室內(nèi)試驗(yàn)土壤含水量測(cè)定的需求，是一種具有應(yīng)用前景的土壤水分測(cè)定設(shè)備，對(duì)水分反應(yīng)靈敏[3]。

2.3 傳動(dòng)裝置模塊

通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)弧形支撐片沿著探測(cè)桿外壁轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)弧形支撐片上采集器的探針轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)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(dòng)至貼近探測(cè)桿，使采集器配合容置于凹陷部，對(duì)采集器形成防護(hù)，避免插入的過(guò)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(cè)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(guò)伸縮管對(duì)活動(dòng)伸出穿線孔外的導(dǎo)線進(jìn)行防護(hù)，設(shè)置密封圈，避免土壤中的水分進(jìn)入探測(cè)桿。固定好采集監(jiān)測(cè)裝置后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)弧形支撐片轉(zhuǎn)動(dòng)，使采集器的探針插入土壤內(nèi)指定深度及角度。

3 對(duì)于裝置改進(jìn)的討論

3.1 裝置改進(jìn)的最終目標(biāo)

通過(guò)添加弧形支撐片和滑動(dòng)與支撐桿結(jié)合等技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)土壤墑情采集監(jiān)測(cè)裝置解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，進(jìn)而提高裝置的工作效率。

3.2 在模型制作過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題與解決方案

在原有裝置上添加弧形支撐片時(shí)，可能有不兼容情況的出現(xiàn)，因此，在模型制作過(guò)程中，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jìn)后的工作原理

電機(jī)驅(qū)動(dòng)弧形支撐片沿著探測(cè)桿外壁轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠帶動(dòng)弧形支撐片上采集器的探針轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)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(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)采集器的防護(hù)，避免在插入的過(guò)程中土壤中的碎石對(duì)采集器的磨損，固定好采集監(jiān)測(cè)裝置后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)弧形支撐片轉(zhuǎn)動(dòng)，使采集器的探針插入土壤內(nèi)指定深度及角度進(jìn)行勘測(cè)。

3.4 土壤信息處理方式

在經(jīng)過(guò)采集器收集土壤信息后，信號(hào)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(chǔ)存在存儲(chǔ)模塊中，控制器通過(guò)通信模塊與外部管理設(shè)備進(jìn)行信息交互，便于土壤信息的集中化處理，便于維護(hù)，經(jīng)濟(jì)可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)的農(nóng)業(yè)種植理念是農(nóng)業(yè)發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)，科學(xué)的農(nóng)業(yè)種植在美國(guó)、加拿大等一些發(fā)達(dá)國(guó)家中已經(jīng)從理念變成了現(xiàn)實(shí)，高科技與農(nóng)業(yè)種植結(jié)合發(fā)展已經(jīng)成為國(guó)民基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)之一。中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食的產(chǎn)量直接影響著國(guó)計(jì)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(xiàng)損失，已成為各級(jí)防汛抗旱部門的最主要的任務(wù)之一[4]。

土壤環(huán)境檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與我國(guó)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(jià)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，我國(guó)整體環(huán)境受到了嚴(yán)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(cè)系統(tǒng)就顯得尤為重要。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和擴(kuò)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(duì)土壤環(huán)境狀況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)措施提出的依據(jù)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，需要兼顧好現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、檢測(cè)布點(diǎn)、樣品采集等一系列工作。環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展十分悠久，但是真正進(jìn)入現(xiàn)代化，還要追溯到20世紀(jì)70年代。環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于土壤監(jiān)測(cè)，需要對(duì)土壤環(huán)境因素進(jìn)行多次測(cè)定，如此才能獲得環(huán)境變化趨勢(shì)的準(zhǔn)確認(rèn)知[5]。在檢測(cè)中，主要的檢測(cè)對(duì)象是對(duì)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(cè)技術(shù)，土壤污染物及其消極影響可以得到有效控制。