果园纵深基础数据检测装置的设计＊

李 琨 ， 胡新悦 ， 杜宇帆 ， 陈德圆 ， 李 雪 ， 刘新英

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

0 引言

中国是水果的生产大国[1]，苹果、柑橘、梨、桃和柿子等果树的种植面积均居世界前列[2]。农业文明的产生、创造和继承都离不开土壤[3]。土壤营养在不同的耕作时期会发生重大变化[4]，果树种植占比不断上升对土壤营养提出了苛刻的要求。施用化肥现已成为果农补充土壤肥力的重要手段，但依靠个人经验盲目施肥导致化肥利用率低，土壤易板结，水体富营养化等问题[5]。对于果农而言，能够精确测量土壤营养成分，科学合理施肥尤为重要。目前，果农使用的检测土壤速效氮磷钾、pH等营养成分的装置零散复杂，操作繁琐，因此获取果园的基础数据就变得非常困难。而现在传感器、单片机、物联网技术、大数据的发展可为农业生产提供强大的动力。基于各项技术的发展，本文提出一种针对果园纵深基础数据检测的装置，旨在为果农了解土壤营养成分变化提供依据，可以根据农民朋友的种植、施肥操作，及时监控土壤中的成分，实现土壤的可持续种植，保证土壤成分的合理化，从而采取有效措施提高果园果品质量和产量。

1 装置硬件设计

1.1 总体结构设计思路

由于现在市面上的检测装置五花八门，尚未有一种统一各种数据于一体的检测装置，笔者经过考察和相关的学习，设计一款将各项营养成分指标于一体的装置。如图1所示，该装置是一款果园纵深基数数据检测设备，内部由温度传感器、氮磷钾传感器等组成，通过单片机技术及物联网技术，实现远程监控土壤的营养含量，并实现以下主要功能：

1)传感器自动插入土壤，减少温室生产过程中人工操作，提高生产自动化。即设计某种传感器动力装置，通过动力装置实现传感器自动地插入土壤。

2)传感器垂直插入土壤中，保证精准检测不同深度土壤参数。

3)传感器自动拔离土壤，同时检测仪自动清洁传感器。一方面，减缓传感器因电化学反应造成的腐蚀和生锈，延长使用寿命。另一方面，保证下次测量数据的准确性。

图1 果园纵深基础数据检测装置

1.2 设计原理

果园纵深基础数据检测装置三维图如图2所示。果园纵深基础数据检测装置的主要设计思路是：首先将检测装置入土，通过新式土壤营养成分传感器进行数据的获取，使检测的数据进入单片机进行汇总分析，完成上传，再利用物联网技术，在屏幕终端显示实时数据，由果农根据数据的实际情况，提出相应的应对措施。

图2 果园纵深基础数据检测装置三维图

2 关键部件设计

2.1 外壳装置

设计外壳采用3D打印技术。3D打印又称增材制造（Additive manufacturing，AM），不同于减材制造方式，它是通过复层叠加方式来制造零件的，首先利用计算的程序对制件模型进行分层处理，然后控制机器逐层地堆积切片材料，周而复始，将切片薄层堆积成体块件，获得三维实体零件[6]。如图3所示。将3D打印技术应用于果园纵深基础数据检测装置，与传统装置相比，具有以下突出优点：1）通过实体模型即能打印出零件，无需配备或囤积大量备份零部件；2）不受复杂形状的限制，解决了传统装置制造困难、周期长等问题；3）精确快速保障，能节省大量人力物力和时间成本。

2.2 土壤氮磷钾传感器

土壤氮磷钾传感器适用于检测土壤中氮磷钾的含量，通过检测土壤中氮磷钾的含量来判断土壤的肥沃程度，方便评估土壤情况。但是只能检测出大概数值，精度较低，不过对于在大棚中应用时土壤氮磷钾传感器可以组合在一条485总线使用，理论上一条总线可以254个485传感器，但考虑到干扰和电源负载等因素最多挂载32台，传感器的信号端接入带有485接口的PLC、通过485转IC连接单片机，或者使用USB转485即与电脑连接，使用传感器配置工具进行配置、测试和读取数据，土壤氮磷钾传感器系统框架如图4所示。

图3 果园纵深基础数据检测装置外壳

图4 土壤氮磷钾传感器系统框架图

2.2 远程通讯模块

远程通讯版本主要用于非大棚种植场所或无法取电地区。例如果园等野外工作环境下，没有便捷的充电装置。在此类环境中本文中所设计的果园纵深监测装置利用远程通信模块可以有效避免没有电无法工作的情况。

远程通讯采用单片机搭配物联网模块实现，物联网通信模块主要使用SIM卡链接互联网，只要所在地区有4G信号就可以实现数据上传以及程序更新下载。远程链接配置好的服务器完成数据上传，每天定时上传一次数据，方便果园管理人员对数据的实时监测。

2.3 电源与显示模块

考虑山地果园当前作业过程中存在路途远，用电不便等问题，本设计的供电系统采用独立电源供电方式，供电系统使用4节18650锂电池，两两串联，构成电池组接入直流稳压电路，同时采用太阳能为设备充电，最终为各电路模块提供稳定的直流电源。锂电池能量密度较大、绿色环保、使用寿命长、冬季电量衰减少。而在野外，采用太阳能充电是较理想供能方式。显示模块选用方面，为减小能耗采用0.96寸LCD显示屏，且在有人查看并激活时才点亮，这样能大大节省屏幕耗电，并且可以控制电池体积，实现装置便捷灵巧的价值。

3 总结

果园纵深基础数据检测装置引入了先进的计算机软件技术，该技术能够进一步简化人们工作的程序，降低土壤监测站出错的概率，同时也可以提高土壤信息的实时性，及时判断土壤成分分布是否合理，进一步改进人们的应用有效性。并且该参数监测装置提高了传感器使用寿命，提高了温室生产自动化水平，降低了人工劳动成本。对于所需监测的土壤参数不同，需使用不同的传感器，可对夹持机构进行进一步研究与开发，以满足不同的监测需求。