变量施肥（精选7篇）
变量施肥 篇1
0 引言
变量施肥技术能够根据不同地区、不同土壤类型、土壤中各种养分的盈亏情况、作物类别和产量水平,将氮、磷、钾及多种可促进作物生长的微量元素与有机肥加以科学配方,做到有目的地科学施肥,这样既减少了过量施肥造成的环境污染和农产品质量下降,又起到了节本增效的作用[1]。精准农业变量施肥技术是精准农业的重要组成部分,是以不同空间单元的产量数据与土壤理化性质、病虫草害、气候等多层数据的综合分析为依据,以作物生长模型、作物营养专家系统为支持,以高产、优质、环保为目的的施肥技术,要求对农业生态系统进行养分平衡研究,从而可以实现在每一操作单元上因土壤、因作物预计产量的差异而按需施肥,有效控制物质循环中养分的输入和输出,防止农作物品质变坏及化肥对环境的污染和破坏,大大提高了肥料的利用率,降低生产成本,减少了多余肥料对环境的不良影响,增加了农民收入。
1 变量施肥机械现状
1.1 国外发展现状
美国凯斯公司精准农业系统在世界上一直处于领先地位[2],它的空气免耕系统播种机及空气播种机可随时改变播种、施肥量,可改变3种不同类型的种子或肥料的比率。可完成多种作物的作业,如玉米、大豆、小麦及水稻等。具备简便、易控制、精确、可靠性高等优点,但价格昂贵,成本较高。Case公司ST820型空气输送式变量施肥播种机[3],施肥作业前在计算机上利用CaseIH AFS软件制作处方图,生成处方文件,存入PCMCIA卡中,作业时将该数据卡插入变量控制器中,施肥机自动实施变量作业。法国国内使用的肥料撒播机械和植保机械,在全部农业机械中自动化水平较高,并开始由电子化拖拉机与自动喷洒装置组成的联合机组所替代,这为精准农业——变量投入的实施创造了条件。变量离心撒播机和变量自动喷雾机在GPS和GIS的支持下开始投入生产和使用,法国“女骑士”肥料撒播变量控制系统已大量应用于各种类型的离心式肥料撒播机上[4]。
1.2 国内变量施肥机械现状
我国近年来不断增大对农业的投入力度,并把变量施肥技术作为促进农业增产、农民增收的重要手段,进行大力推广。黑龙江八一农垦大学王熙教授经过对变量施肥理论的不断研究,根据精准农业变量投入的技术要求,研制成功国产六行大豆变量施肥播种机。该播种机由变量控制器控制机械式无级变速器,根据GPS的位置信号,完成处方图设计的播种施肥作业。通过对播种机的静止和地块工作试验可知,变量施肥控制可靠,变量数据记录正常,作业效果良好,己经取得了很好的社会效益。吉林农业大学潘世强研制的2BFJ—6型变量施肥播种精密播种机能一次完成开沟、变量施肥 、精量播种 、覆土、镇压等作业。该机变量施肥装置采用 GPS实时定位,根据各个地块的测土配方施肥结果,由田间计算机控制液压马达的转速实现实时变量施肥。该机可有效保证变量施肥系统的稳定性和快速响应性及变量施肥的准确性。
1.3 存在的问题和未来发展方向
目前的精准施肥技术体系不可避免地存在一些问题,如土壤数据采集仪器价格昂贵,性能较差,不能分析一些缓效营养元素的含量,而遥感由于空间分辨率和光谱分辨率问题,使遥感信息和土壤性质、作物营养胁迫的对应关系很不明确,不能满足实际应用的需要。随着高分辨率遥感卫星服务的提供,加强遥感光谱信息与土壤性质、作物营养关系的研究和应用将是近几年精准施肥研究的热点和重点。差分GPS(DGPS)的定位精度已完全能满足精准施肥的技术需要,DGPS导航自动化施肥或耕作机械已有研究,但DGPS与GIS数据库结合进行自动化机械施肥还有待进一步发展,同时GPS—RS—GIS也正趋向于一体化[5]。作物模型和专家系统方面,除进一步加强作物营养机理和生理机理研究外,模型的适用性和通用性方面应于精准施肥紧密结合,因为现在许多模型需要的变量过多或普通方法难以测定,即模型需要进一步简单化和智能化。
2 设计的目的及意义
目前,我国国内变量施肥技术还不十分成熟,很多设备还主要靠进口,进口设备价格昂贵,普通农民根本承受不起,只有少数地区农业机械化程度还相对较高,因此,要在全国范围内发展精确农业,就必须使农业机械国产化,降低成本,普遍应用。本设计首先对国外先进变量施肥设备进行研究,检验并校准系统精度,进行误差分析,并且对我国发展精确农业提出自己的看法。最终目的就是为促进我国精细农业技术的快速发展和精准农业设备的国产化作出努力。变量施肥在整个精细农业体系中起着一个承上启下的作用,它既是一个工作循环的结束,又是下一个循环的开始。因此,做好变量施肥的管理和决策对于精细农业有十分重要的意义。要做好变量施肥,必须有一台性能良好的变量施肥试验台,这样才能及时准确地收集到需要的数据和信息,为接下来的管理和决策作最充足的准备。变量施颗粒肥试验台很好的满足了上述要求,它可以进行多种转速的施肥试验,能提供第一手的数据和信息。因此,变量施颗粒肥试验台为完善变量施肥技术和精准农业的实施有着重要的作用和意义。
3 试验台的设计
3.1 基本结构与工作原理
该变量施颗粒肥试验台主要是由肥料箱、排肥器、机架、接肥箱、电动机、无级变速器等部件组成,如图所示。
1. 电动机 2.排肥器 3.肥料箱 4.接肥箱 5.机架 6无级变速器
该试验台的工作原理以施肥变量信号为基础,施肥信号通过控制器来改变电机输入电流,控制电机转度,再通过无级变速器完成对排肥器施肥的变量控制,同时电机的反馈系统实时监测电机转速,并不断调整,达到对电机转速的精确控制,最终实现变量施肥功能。
3.2 主要技术性能参数
(1)电机的功率:1.1 kW;
(2)外形尺寸:2300 mm×580 mm×1250 mm;
(3)排肥部件:外槽轮排肥器;
(4)排肥器数量:4个;
(5)传动机构:带传动;
(6)排肥量:≤26.8 kg/min。
4 主要工作部件的设计
4.1 电机与无级变速器选用
根据试验台整体形式及其所需的功率和扭矩以及速度的要求等应该选用YCT-132-4A调速电机,该电机具有调速范围广、调速性能好、能平滑无级变速、速度负反馈自动调节系统、速度变化率小、调速精度高等优点。电机输出转速高,因此必须选择一台无级变速器来降低电机的转速以满足排肥器要求。选择型号为U34-0.75SI的三相并联脉动无级变速器。该变速器具有以下优点:体积小,重量轻,变速围大,操作灵活,可手动、电动,可在静止或运转状况下调速,并可交换输出轴的旋向。
4.2 排肥量的计算
星轮式排肥器的排肥能力除与肥料特性有关外,主要决定于排肥星轮的形状、尺寸和活门开度大小。当排肥活门调节到一定开度时,即活门开度高于导肥板下底线时,则排肥量由齿槽内肥料和排肥活门进肥口进入的肥料层两部分组成。
星轮每转的排肥量q按下式计算:
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式中
F—星轮每单个齿槽面积(cm2);
δ0—星轮齿厚(cm);
h—活门开度(cm);
a—肥料充满系数。决定于肥料物理特性、湿度和流动性,一般取0.7;
z—星轮齿槽数;
γ—肥料单位容积质量(g/L)。
故单排肥器在外槽轮最大工作长度时转一圈的排肥量q=50 g/r。再根据电机转速和减速机传动比计算出试验台的最大施肥量是26.8 kg/min。
3 结论
随着变量施肥技术的迅速发展,其监控装置也日趋完善。本试验台是基于变量施肥理论而设计的,该试验台是通过改变调速电机的转速来改变施肥器的转速,从而实现施肥量的调整。该试验台具有结构简单、操作方便等特点。有了它避免了必须到户外试验的环节。变量施肥技术的运用是今后发展的趋势。它可以减轻劳动强度,极大提高施肥机械的工作质量,进一步提高自动化和智能化水平。
参考文献
[1]陈恩风.土壤肥力物质基础及其调控[M].北京:科学出版社.1990.
[2]余泳吕,郭树满,刘文艺.实时监控变量施肥技术的研究[J].农业机械化及其自动化.2006(3):23-25.
[3]王新忠,王熙,王智敏.精准农业与变量施肥技术[J].黑龙江八一农垦大学学报.2002(4):31-32.
[4]陈立平.精准农业变量施肥理论与试验研究[D].中国农业大学.2003
[5]王秀,赵春江,孟志军,等.精准变量施肥机的研制与试验[J].农业工程学报.2004(1):12-13.
变量施肥技术体系的研究进展 篇2
据文献报道,发达国家氮肥当季利用率可达50%～60%,磷肥当季利用率一般为10%～30%,钾肥当季利用率为20%～60%。而我国氮、磷、钾平均利用率分别为35.0%,19.5%和47.5%,可见我国氮肥利用率低于世界平均水平。在我国导致肥料利用率低的原因很多,最主要的原因是不合理的传统施肥方式。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不同区域差别较大,所以平均施肥在肥力低而其它生产性状好的区域往往施肥量不足,在某种养分含量高而生产性状不好的区域则引起过量施肥,其结果是浪费肥料资源、影响产量、污染环境[1]。长期以来不合理的施肥方式已造成土壤板结、地力下降、病虫害增多、农业环境污染加剧、农产品品质下降,同时还会导致作物营养失去平衡,对人体有益的物质维生素和水溶性糖份降低、对人体有害的硝酸盐含量增高。为此,必须解决环境污染问题,生产洁净、无公害的农产品。变量施肥能使农业技术措施与农田变异精确匹配,精确控制农田每一板块化肥施用量[2],从而做到有目的地科学施肥。变量施肥的研究与发展将有助于我国人口、资源和环境等方面重大问题的解决,有助于农业资源的高效利用和环境保护,有助于生产成本的降低和产量的提高,对实现我国农业的可持续发展具有重要意义[3]。
1 变量施肥的基本概念
变量施肥技术是变量技术在施肥上的应用,是精准农业的重要内容之一。变量施肥的前身是定位养分管理。所谓定位养分管理,就是在田间不同地点根据土壤等条件的差异实行区别管理。定位就是强调田间不同地点间的差异性,克服肥料使用的不合理性。最早定位养分管理只是针对不同土壤条件实行有区别的管理,随着农业科学技术的进步,逐渐向系统工程方面发展,不仅针对土壤,还包括水文、作物、微气候等条件的时空变化,在作业管理中实行“按需投入”原则,变均匀投入为变量投入,优化作业操作[4]。所谓变量施肥,就是以不同空间单元的产量数据与其他多层数据(土壤理化性质、病虫草害、气候等信息)的叠加分析为依据,以作物生长模型、作物营养专家系统为支持,以高产、优质、环保为目的的因土、因时、因作物全面平衡施肥[5]。
2 变量施肥技术体系
变量施肥的原则是在充分了解土地资源和作物群体变异情况的条件下,因地制宜地根据田间每一操作单元的具体情况,精细准确地调整肥料的投入量,获取最大的经济效益和环境效益[6]。变量施肥涉及到农田网格划分、农田信息获取、农田信息管理与处理、变量施肥决策分析、变量施肥实施5大主要技术环节,下面对各个技术环节的研究现状进行分析。
2.1 农田网格划分
在GPS和GIS等高新技术的支持下,变量施肥要求把大田块细化为小田块(网格),按网格收集、存储、分析田间状态信息和作物信息,根据这些信息的差异性做出施肥决策,并有针对性地加以实施。农田网格划分是变量施肥决策的基础性工作[7]。
吴才聪等在已有正交网格划分方法的基础上,探索了一种倾斜网格的划分方法,并阐述了划分倾斜网格的必要性以及应用。该网格划分方法分为手工绘制和编程绘制两种方式,手工绘制就是在MapInfo平台下,先利用该软件的绘图工具绘制单个网格,然后复制该网格并在相应位置处粘贴,最后生成并命名整个田块网格图。编程绘制就是利用VB结合MapInfo MapX控件编写的倾斜网格划分程序,通过输入田块参数,自动完成田块网格划分与命名。手工绘制简单,但精度偏低,适于网格数量较少时,编程绘制对编程者要求较高,但使用简单、精度高,适于网格数量较多时[8]。
2.2 农田信息获取
快速、有效地获取影响作物生长的空间变量信息,是实践变量施肥的重要基础。农田信息获取是指通过一定方式得到农田位置、土壤养分含量及病虫草害等信息。目前农田信息获取主要有传统田间采样、田间GPS采集、智能农机作业和多平台遥感获取等4种方式。
传统田间采样是通过人工方法进行采样和测试,由于这种采样方式耗费的人力和物力较大,土壤采样和化验的成本较高,因此必须制定高效的土壤采集策略。美国目前流行的精准农业土壤采样布点大多是lhm2以上采一个样点,相当于100m采一个样点。北京小汤山国家精准农业示范基地的采样密度大约为0.16hm2[9]。吴才聪等基于GIS研究了精准农业合理采样与施肥间距,在GIS平台下对采样点进行行列删减,人为地减小采样点密度,运用地统计学方法制作土壤养分分布图,并与原始采样方案进行形状与面积对比,通过比较选取合理的删减方案作为土壤养分的采样方案。研究结果表明,碱解氮、速效磷、速效钾的合理采样间距分别为64m×51m,32m×76m,32m×25m[10]。
田间GPS采集是通过GPS的方法进行采样和测试,这种采集方式最早应用于美国、加拿大、澳大利亚等西方发达国家。这些国家的GPS基础设施比较完善,可以很方便地利用GPS来获取农田信息。在基于GPS位置的农田信息采集方面,国外已经有了比较成熟的软硬件产品,如美国FieldWorker公司基于掌上电脑的信息采集软件FieldWorker和美国Trimble公司的AgGPS 160 Portable Computer,都能很好地满足精准农业农田信息采集的需要。而在我国,GPS基础设施不太完善,目前GPS在农业上的应用,除沿海地区可以使用信标外,其他地区只能建立局域实时动态差分GPS系统。
智能农机在农田信息采集方面也有着一定的应用。例如,通过牵引式的电导率测试仪以比较低廉的代价快速精确获得农田土壤的电导率,结合GPS系统形成电导率分布图,土壤电导率这一参数包含了丰富的土壤理化信息[11],如土壤中水分、盐分及有机质含量等。通过测量土壤电导率评价作物的生长环境,是当前发达国家变量施肥研究的热点之一[12]。
遥感凭借着其独特的信息获取优势逐渐成为农田信息获取的主要手段。Okamoto和Hatanaka用Landsat的图像推断土壤持水量和土壤有机质含量。密苏里州立大学的Scarf等建立了基于航空照片的玉米追肥决策算法。俄克拉荷马州立大学的Lukina等根据田间作物的归一化植被指数(NDVI)来预测潜在产量和当时作物的氮吸收,根据产量与籽粒氮含量的相关关系预测最终的籽粒氮吸收量,从而根据籽粒氮吸收量与植株氮吸收的差值来预测施氮量[13]。
2.3 农田信息管理与处理
农田信息管理与处理是指将农业活动所涉及的地理信息、产量信息、作物信息等多源性、多样性的数据通过地理信息系统(GIS)平台来建立农田管理系统,以实现对多源、多时相的农田信息进行有序管理和分析,这是变量施肥实施的基础。同时,由于目前采集的农田信息大部分以点状方式存在,不能满足变量施肥的需求,一般需要通过插值方法将点状信息转换为面状信息,以满足变量施肥的需要。
国外GIS起步是在20世纪60年代中期,发展至今已具有一定的规模,应用领域也比较广泛。20世纪90年代,在美国早期的变量施肥技术中,就已开始利用GPS为作业中的液肥喷施机准确定位,并利用GIS技术绘制成电子地图以标明各个作业小区的土壤信息,从而可以随时、随地向喷施机下达不同作业小区有关肥份配比与喷施量的指令[14]。国内GIS起步较晚,但在实践中也有着一定的应用。1997年,辽宁省利用GIS在辽河平原进行了农业生态管理的应用研究。北京密云县应用GIS技术建立了县级农业资源管理信息系统。吉林省结合其省农业信息网研制开发了“万维网地理信息系统(GIS)”[15]。于立娟等通过ArcView软件建立了一套适合于AgGPS 170田间计算机的变量施肥系统,将地块的土壤养分信息和决策内容输入到该系统中,可以得到各种专题图和施肥处方图,以指导变量作业[16]。
2.4 变量施肥决策分析
决策分析系统是变量施肥的核心,直接影响变量施肥的实施效果。决策分析系统包括地理信息系统、作物生长模型和土壤养分专家决策分析系统3部分。地理信息系统用于描述农田空间属性的差异性,作物生长模型用于描述作物的生长过程以及养分需求,土壤养分专家决策分析系统用于对土壤养分含量及平衡做出决策,并以施肥处方图的形式通过读卡器存入FLASH数据卡中[17]。
随着信息技术的不断发展,国际上提出了将多种信息技术如GIS,RS,专家系统,模拟模型等相结合的农业生产决策支持系统。R.G.Evons等利用GIS分析田间采样的土壤肥力和墒情分布图,并由土豆种植专家系统根据这些分布图给出相应的田间处方,为田间水肥管理提供决策[18]。
国内一些专家在变量施肥决策方面也进行了一定的研究工作,应用GPS,GIS与专家系统等技术建立了一些施肥应用系统。中国农业科学院土壤肥料研究所开发了中国土壤肥料信息系统(SOFISC)。河北农业大学人工智能研究中心开发了用于变量施肥的智能空间决策支持系统VRF-ISDSS。该系统是在ArcView GIS平台上进行二次开发而成的,能够分析与处理作物产量的空间分布和作物生长环境参数的空间分布等信息,并能够生成相应的分布图和施肥处方图[18]。张书慧等利用MapInfo及其二次开发语言MapBasic 6.0开发了一套专门用于实施变量施肥作业的田间地理信息系统。该系统建立了一个包括土壤养分、肥料使用情况、作物历年产量等相关数据库,可进行数据的输入、输出、查询、更新以及统计等功能,可根据不同地块诸多影响因素给出施肥决策[20]。
2.5 田间变量施肥实施
变量施肥实施就是使用变量施肥机根据施肥方案或施肥处方图进行施肥的过程[7],是变量施肥的实现环节,核心为变量投入技术。目前,变量施肥的控制方式主要有两种:一是实时控制施肥,即通过传感器实时地测量农田信息,计算机控制系统根据所采集到的信息,即刻计算出该区域的作业量,进行变量投入;二是处方信息控制施肥,即事先把决策分析后的处方图存储在计算机中,通过GPS获得位置信息,在不同区域实施不同的作业量,这是当前国内外研究最多的方式。
国外田间变量实施技术发展很快。Rawson公司生产的ACCU-RATE变量控制器能够独立编程来控制播种和施肥。Trimble公司生产的AgGPS170田间计算机可以与AgGPS接收机、导航系统和Autopilot相结合,实现导航、成图、土壤取样、变量控制、作业记录等多种功能。俄罗斯全俄农机化研究所研制了用于颗粒状肥料的变量施肥机。该变量施肥机在排肥口安装了共振片和电磁铁,采用控制共振片振动开关的频率来控制排肥量[3]。
我国田间变量实施技术的研究起步较晚,与发达国家相比存在着一定的差距。王秀等研制出一种可与国产拖拉机配套的变量施肥机,该施肥机在GPS系统的帮助下可以按照预先设计的施肥处方图来实现变量施肥。该施肥机采用国产的普通外槽轮作为肥料计量装置,通过调整外槽轮转动速度达到调整肥料量的目的[21]。吉林大学在国家“九五”攻关项目的支持下,先后研制了基于IC卡的手动/自动变量施肥机2SF-2、2BFJ-6。该施肥机基于倾斜网格划分理论,通过AgGPS132进行田间定位,利用单片机进行网格识别,以网格名称访问施肥IC卡并读取当前网格的施肥量,由单片机控制系统控制施肥量,从而实现变量施肥[22]。
3 分析与展望
目前,我国在变量施肥技术方面的研究仍处于初期阶段,通过以上的分析,还应在以下方面进行深入研究。
1)土壤信息采集仪器价格昂贵、性能较差,大面积高密度土壤采样化验成本高,而变量施肥需要以尽可能高密度的、全面的农田信息作为依据。因此,必须对土壤采样方案进行优化设计,如何制定高效的土壤采集策略还有待于进一步研究。
2)遥感空间分辨率和光谱分辨率过低,不能满足变量施肥应用的需要。随着高分辨率遥感卫星(1～3 m),航空遥感等服务的提供,应加强对遥感光谱信息与土壤性质、土壤养分关系的研究,并进一步研究土壤养分在线实时检测技术。
3)DGPS的定位精度已完全满足变量施肥的技术需要,但在DGPS导航自动化施肥机械方面仍存在一些问题,最主要的就是如何使DGPS与GIS数据库结合在一起,并使GPS-RS-GIS趋向于一体化[23]。
4)目前,许多施肥专家决策分析系统需要的变量过多或普通方法难以测定,而且其做出的决策结果往往与实际相比误差较大,有时还不如人工决策准确,因此施肥专家决策分析系统需要进一步简单化和智能化 [24]。
由于高度分散和高强度开发是我国农业的特点,国外基本没有可以借鉴的例子,因此在我国开展变量施肥必须结合我国具体情况,在实践中不断总结,研究发展适合我国其情况的变量施肥技术体系,走具有中国特色的变量施肥发展之路,这是我国农业发展的必然。
变量施肥抛撒机撒肥机构研究 篇3
在施撒底肥、苗期追肥生产作业环节,肥料抛撒机是一种作业效率较高的作业机械,具有施肥均匀等优点,特别在大面积作业下,具有广阔的应用前景。然而,我国对于小幅宽变量施肥机研究较多[1,2,3],而对于针对肥料抛撒机的研究相比较少。在国外,对于肥料抛撒施肥机的研究较早,包括针对肥料粒子在圆盘上的运动研究[4,5],并对肥料颗粒在圆盘上的运动测量也进行了相关研究[6]。相关研究人员对圆盘式变量施肥模型以及田间试验等进行了大量工作,实现了基于处方图的变量作业[7]。近年来,我国也就施肥抛撒机进行了相关研究[8,9],并开发了出相应的变量施肥抛撒机[10]。
肥料抛撒机构是施肥抛撒机的重要组成部件,也是影响肥料抛撒均匀性的重要部件。因此,对其进行研究,具有重要的现实意义。目前,国外拨肥机构中拨肥叶片多采用“U”型,国内有弧形结构[10],本文进一步进行了相关研究,通过改进拨肥叶片,设计了一种新型的肥料抛撒机构。试验结果表明,本文设计的肥料抛撒机构有较好的肥料抛撒均匀性。
1 肥料抛撒工作原理
作业过程中,当输肥机构把肥料输送到落肥口后,经落肥装置,使肥料落入到撒肥机构。通过控制液压系统,控制液压马达带动撒肥机构工作。当肥料从落肥口落到旋转的撒肥盘上时,靠旋转圆盘产生的离心力以及肥料和圆盘间的摩擦力作用,肥料在圆盘以及沿拨肥叶片上经过滑动或滚动,最终通过拨肥叶片作用,将肥料均匀抛撒到地表,完成施肥作业。随后,可经耕整机组将肥料翻于土层,或在小麦追肥期通过灌溉方式将撒于地表的肥料渗入到土层内。
2 撒肥机构设计
撒肥机构是抛撒机重要的部件之一,直接影响着抛撒施肥的均匀性。施肥抛撒机撒肥机构主要包括撒肥盘和拨肥叶片两部分。
2.1 撒肥盘设计
圆盘式撒肥盘主要起承接肥料以及安装拨肥叶片的作用,同时决定着颗粒肥料抛撒幅宽及抛撒均匀性。一般来说,撒肥盘的大小不同。这是其设计的施肥叶片长短也不同,由于圆盘大小和拨肥叶片长短的的不同可以改变肥料在圆盘上的运动时间和离开圆盘时转过的角度。
在肥料颗粒以相对于施肥圆盘相同的位置落下时,如撒肥盘直径较小,颗粒肥料在经撒肥盘和拨肥叶片上运动到离开的时间较短;在相同转速下,转过的角度也较小;同时离开撒肥盘时,肥料颗粒受到拨肥叶片的作用力较小。因此,当施肥圆盘大小不同时,对于施肥距离有较为明显的影响[11,12]。
本文所设计的撒肥盘直径尺寸为500mm,考虑到肥料腐蚀性,圆盘材料采用316不锈钢板材料,2mm厚;同时在拨肥叶片安装位置设计了可以调节拨肥叶片偏置角度的槽孔,以便在抛撒作业中,根据不同肥料特性调整拨肥叶片安装的偏置角度。该圆盘设计调整角度为±30°。其结构如图1所示。
2.2 拨肥叶片设计
为了提高肥料抛撒的均匀性,目前成熟的设计主要是通过在撒肥盘上间隔均布不同长短的叶片,从而改变肥料颗粒抛撒的距离,达到肥料的均匀抛撒。考虑结构设计,两个圆盘之间距离较近,通过拨肥叶片不同长短间隔布置的方式易产生干涉。
在同一转速下,根据抛射理论,斜向上抛射时,肥料可以抛射较远距离,使没有分肥叶片时的肥料通过产生的落地时间差提高抛撒均匀性,从而把原先不采用分肥叶片抛撒的肥料量分散抛撒,形成二次抛撒,从而使分开的两束肥料产生落地位置的变化。而抛射物的运动可描述为平面上一个动点的轨迹,即抛射曲线,不考虑空气阻力等因素,其参数方程为
其中,g是重力加速度,v0为肥料颗粒离开撒肥盘斜向上的初始速度,α为肥料离开撒肥盘斜向上的抛射仰角。
为此,本文通过在拨肥叶片上加入分肥装置,从而在抛肥过程中产生斜向上抛出的肥料。即根据抛射理论,通过分肥装置上部斜向上抛出的肥料,其落地位置时间比分肥装置下部抛出的肥料要滞后的原理,设计了带有分肥装置的拨肥叶片。该分肥装置采用了曲线结构,从而通过分肥装置使其上部的肥料产生斜向上的抛射运动。
为了实现肥料有斜向上的抛撒,要求分肥叶片曲面有一个较为柔和的变化过程,符合这样要求的曲线很多,本文采用一段圆弧作为分肥叶片的曲线面,如图2所示。
如图3所示,假设A点为坐标原点,A点坐标为(0,0),圆弧上两点坐标为A(0,0),B(60,60tanα/2)。由于点A和点B皆为圆弧的切点,因此圆心坐标位于点(0,R),由此可设圆的方程为
x2+(y-R)2=R2 (2)
由前节肥料颗粒运动分析可求得肥料颗粒对应落地时间为
由抛射曲线参数方程,可求得经过斜向上抛出的肥料,当回落到抛出点水平位置期间所用时间为
取t1=2t2,则可求得经分肥叶片抛出的肥料,抛出仰角为
对于式(5)中,分母远远大于分子,根据常用的几种抛撒幅宽,圆盘转速范围在450～700r/min之间,由设计相关参数可估算,α取为20°。
由图3设计,点A沿x方向到拨肥叶片末端的距离为60mm,因此可得
ABC为等腰三角形,因此有AB=2AO′,且有O′C=tanα/2AO′,AO′=ACcosα/2,△AOC相似于△AO′C,因此可得
x2+(y-178)2=1782
3 试验
抛撒机抛撒均匀性是评价抛撒性能的重要指标之一,为进一步分析设计叶片性能,分别在相同试验环境下分别与传统“U”型拨肥叶片进行了对比试验。试验地在国家精准农业示范基地的试验地进行,试验所用肥料为尿素;肥料收集采用0.35mm×0.25mm,深9 mm的接肥盒均匀布置在试验地面,从而接收撒施于地表的肥料。
试验收集方法采用二维矩阵形式。在横向撒幅宽方向每间隔1.5m安放1列收集肥料的盒子,纵向距离上,每隔3.5m安放1行。中间两列为方便拖拉机行走,相隔距离为2.0m。
试验中肥料抛撒量预置为225kg/hm2,肥料抛撒幅宽为30m,拖拉机行走速度为2m/s。在肥料抛撒机通过试验区后,收集每个收集点上的肥料,标号记录。试验结果如表1所示。
从表1中可以看出,在有效施肥幅宽内,采用“U”型拨肥叶片平均施肥量为183.04kg/hm2,标准差为61.89,变异系数(CV)为33.81%;而采用分肥叶片拨肥叶片进行施肥,在有效施肥幅宽内平均施肥量为205.06kg/hm2,标准差为33.68,变异系数(CV)为14.15%,肥料抛撒均匀性有明显提高,可以较好地满足实际生产。
4 结论
1)针对变量施肥抛撒机对肥料抛撒机构,设计了一种具有分肥装置的肥料抛撒机构,并确定了相关部件结构以及参数。
2)通过抛射运动理论,设计了一种具有分肥装置的拨肥叶片,对其结构和参数设计进行了分析计算。该分肥装置可将进入拨肥叶片内的肥料束分为两路,使进入拨肥叶片的部分肥料斜向上的抛出。
3)试验表明,对比“U”型结构的拨肥叶片,增加了分肥装置的撒肥机构具有较好的抛撒均匀性,在有效施肥幅宽内平均施肥量为205.06kg/hm2,样本数据标准差为33.68,变异系数(CV)为14.15%。
摘要：针对变量施肥抛撒机,研究设计了一种肥料抛撒机构。运用抛射运动理论,分析了肥料斜向上抛射的运动和受力,设计并确定了具有分肥装置拨肥叶片的结构和参数,对其结构和参数设计进行了分析计算。通过对比“U”型结构的拨肥叶片,该抛肥机构具有较好的抛撒均匀性,在有效施肥幅宽内平均施肥量为205.06kg/hm2,变异系数为14.15%。
关键词：变量施肥,抛肥机构,农业机械
参考文献
[1]王秀,赵春江,孟志军,等.精准变量施肥机的研制与试验[J].农业工程学报,2004,20(5):114-117.
[2]马旭,马成林,桑国旗,等.变量施肥机具的设计[J].农业机械学报,2005(1):50-53.
[3]孟志军,赵春江,刘卉,等.基于处方图的变量施肥作业系统设计与实现[J].江苏大学学报:自然科学版,2009,30(4):338-342.
[4]Patterson D E,Reece A R.The theory of the centrifugal dis-tributor.I:Motion on the disc,near-centre feed[J].Jour-nal of Agricultural Engineering Research,1962,7(3):232-240.
[5]Reece A R.The theory of the centrifugal distributor:II:mo-tion on the disc,off-centre feed[J].Journal of AgriculturalEngineering Re,1962,7(4):345-353.
[6]T E Grift1,G Kweon,J W Hofstee2.Dynamic friction coeffi-cient measurement of granular fertilizer particles[J].Biosys-tems Engineering,2006,95(4):507-515.
[7]Hayden G Lawrence,Ian J Yule.Accessing Spreader Per-formance for Variable Rate Fertilizer Application[C]//ASAE Annual International Meeting.Tampa,Florida,2005:17-20.
[8]宋卫堂,封俊,刘亚佳.地轮驱动离心式化肥撒布机的设计与试验[J].农业机械学报,2002,33(1):39-42.
[9]秦朝民,刘君辉.离心式撒肥机撒肥部件研究设计[J].农机化研究,2006(10):100-102.
[10]张睿,王秀,赵春江,等.链条输送式变量施肥抛撒机的设计与试验[J].农业工程学报,2012,28(6):20-25.
[11]吴辉.圆盘式施肥机抛撒试验系统开发与撒肥规律研究[D].保定:河北农业大学,2007.
变量施肥 篇4
1精准变量施肥技术的概念
精准变量施肥技术是将土地细化成网格单元,不同地块单元的土壤特性、作物生长状况及田间环境等因素都有很大的不同,结合这些地块单元因素以及历年产量等相关信息,形成资料齐全的土壤养分信息化管理系统,并决策生成作物施肥作业的变量处方图,利用装有田间计算机、定位信息接收器、电子变量控制器的农业机械设备,根据处方图中的信息在田间有针对性的、定时定量地进行精准的施肥作业。
2国内外技术研究现状
2.1国外
20世纪90年代以来,精准农业在欧美国家发展速度非常快,已经形成了一定的规模,尤其是变量施肥技术在北美最为成熟,在加拿大、美国等已经有了广泛的应用。
美国凯斯公司(Case)研制的空气免耕系统播种机和空气播种机可以随时改变播种量及施肥量,能在一次作业中改变三种不同类型的种子或肥料的比例,满足不同作物生长特性及环境特性对肥料的需求。此外,还可以根据作物施肥的变量处方图控制肥料元素的配备及施肥量。
美国约翰迪尔公司生产的1910气吹式种肥车能保存施肥作业后的田间数据信息,且配有指令选配系统,能通过人机交互界面显示农机的位置、土壤需肥的情况、施肥变量处方图等信息,可提前设置农田区块的播种量和施肥量,并通过使用指令选配系统来实现播种施肥作业。
美国Rawson公司生产的多功能变量控制器ACCU-RATE不仅适用于固态化肥的变量控制,还适用于液态化肥的变量控制,它通过2个RS-232接口输入2种GIS决策信息。此外,在人工模式下还可以手动输入播种量或施肥量。
德国Amazone公司研发的变量施肥机具有安装光传感器,可实时获取作物的反射光谱特征信息,从而计算每平方米的作物产量、肥料元素的投入量等,并通过控制安装在农业机具上的变量施肥装置直接进行施肥作业。
俄罗斯全俄农机化研究所针对颗粒状化肥研制了变量施肥机,其利用了电磁铁和共振片的原理,通过调整安装在排肥口共振片的振动频率来控制施肥口的开启和闭合,从而实现施肥量的自动控制。
日本针对固体氮肥研制了适用于水稻田的施肥系统。该系统小巧轻便,自带GPS,驾驶室内有监视器,可以查询作业处方图,通过地轮检测机具的前进速度和GIS获得农业机具的位置信息,并能通过查询储存在地图中相应的处方来控制精准出肥。2.2国内
20世纪90年代后期,我国对精准农业进行了引进。在引进、消化、吸收国外研究成果的基础上,研究和探讨了适合中国国情的精准农业技术体系。目前,精准农业的思想已经被科技界和社会广为接受,并在实践上有一定的应用。
黑龙江八一农垦大学精准农业研究中心设计了2BJ-6W型变量施肥密种机,其将土壤肥力作为信息提取目标,使用地学统计方法,可在平原、丘陵、低洼地带等不同地形结构情况下生成土壤养分肥力分布图,并根据此图来实现对同一地块不同区域中施肥量及肥料配比的控制。
吉林大学的研究人员进行了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)、数字集成电路的变量施肥控制系统的研究。施肥区块地理位置的经纬度信息能够通过GPS获得,并将田地利用倾斜网格划分为小的操作单元。通过GIS可以绘制出区块的三维轮,施肥作业处方采用通过分析土壤养分组成的状态及农作物的理想产量现场即刻生成,通过采集施肥机的位置信息、速度信息,结合施肥作业处方信息产生控制信号,通过控制排肥轴转速准确地控制调节出肥量。
上海交通大学针对变量施肥作业缺乏数字处方图的问题,建立了基于土壤养分图、作物产量图、土壤墒情图及作物生长规律信息的变量施肥作业处方模型,该模型可在复杂多元信息环境下生成施肥处方图。
中国农业机械化科学研究院等单位在国家科技部“863”计划的支持下,研发了多种型号变量播种施肥机和变量配肥施肥机。中国科学院将精准农业列入知识创新工程计划,在河北栾城、上海、新疆、吉林等地同时开展了精准农业的相关试验研究和技术集成的示范工作。
与发达国家相比,我国在变量施肥的研究上起步较晚,差距明显。目前,我国对变量施肥技术的主要侧重于理论研究,距形成产业化及规模化还有一段距离。
3精准变量施肥的关键技术
3.1变量投入技术
变量投入技术(VRT,Variable Rate Technologyh)是指装有计算机、DGPS等先进设备的农机具,根据其所处的耕地位置自动调节物料箱里农业物料投入速率的技术。变量投入控制主要有2种方式,即基于处方图数据变量分类和基于传感器数据变量分类。基于处方图数据变量分类是将相关的地图信息提前存储到车载计算机上,通过GPS系统对施肥机具位置进行定位后,调用并解析该区块位置的地图信息,包括地域作物的土壤养分分布信息、土壤墒情、土质历史产量分布等信息,再合专家系统模型生成变量施肥处方图。变量施肥机在行进过程中可实时进行定位和速度检测,根据处方图可实现变量施肥作业。变量施肥处方图的主要依据为土壤的养分含量,目前,适用于变量施肥系统的处方图主要有以下3种:①根据土壤中各类养分光谱反射特性不同的特点,寻找土壤各养分含量的光谱反射波段,建立土壤养分光谱分析模型。但是土壤中的磷和钾难以用特定光谱波段的特征来描述,因此,光谱技术无法完全承担处方图的生成工作。②在遥感数据中提取有用的信息,主要是从土壤光谱及植被光谱中间接提取土壤养分含量特征,但土壤多被植被覆盖,且遥感技术的应用也易受到天气的影响。③使用近红外分光光度计可以高精度地测定土壤中的养分及土壤特性,但这种技术大多用于土壤样品的测试分析。虽然测定时间较短,但是仍需要人工采样测定,其采样密度难以达到精准农业的要求。
基于传感器数据变量分类是指将农田的基本数据信息通过传感器进行实时检测,检测到的数据信息将实时传送至控制系统进行解释分析,进而进行变量实时作业。但目前传感器只能实时检测出少量的土壤养分含量。由此可见,目前虽然有多种土壤养分的检测技术,但仍找不到一种比较成熟的处方图的生成方法。因此,处方图的生成是精准变量施肥的瓶颈之一。
3.2变量施肥控制系统
变量施肥机控制系统是整个变量施肥机的核心。施肥机在行进过程中采用GPS定位,并实时测速,结合变量施肥的处方图,由控制系统发布指令,驱动变量施肥机构进行施肥作业。对于固体肥料多采用液压马达、步进电机和伺服电机驱动排肥机构实现施肥,主要通过上诉多种驱动机构的转速来控制排肥量。而液态肥多通过电磁比例阀来实现施肥操作。
3.3变量施肥、排肥机构
变量施肥、排肥机构是主要的执行机构,排肥器机构常见的主要有外槽轮式、转盘式、离心式、螺旋式等类型。由于国外的耕地面积大,因此,国外多采用离心式圆盘撒肥机。但其并不适合我国中小型的农业经营模式,因此,我国多采用外槽轮排肥机构。
目前,国内变量施肥机排肥机构还没有同时具备高精度、大宽幅、变异系数小、均匀性好和施肥排量范围大等优点,多数装置还处于研究阶段。
4展望
我国的精准变量施肥技术仍然处于起步阶段,要想发展成熟,还需要攻克多个难关。目前,主要面临的问题为:变量施肥处方图的生成仍没有成熟的方法;传统的化学检测虽然精准,但是采样点密度非常小,不适用于变量施肥的实施,且耗时耗力,效率低下;依据光谱反射特性及遥感技术虽然可以解决传统检测方法中的问题,但是仍然存在难以推广的问题;专家决策系统数据更新慢,造成脱离农业生产实践,且不同地域的土壤特性差异很大,通用性较差。目前,国内外对变量施肥机的研究大多集中于提高施肥的精度,对肥料的配比控制研究较少。为了满足田间地块对不同种类肥料不同量的需求,多变量施肥控制系统及多变量混合机构的研究也将成为精准变量施肥研究的方向之一。
参考文献
[1]孙国祥,陈满,汪小旵.变量施肥机关键技术研究现状分析[J].江苏农业科学,2014(02).
[2]刘茂成,梁天航,陈奕颖.变量施肥自动控制技术的研究现状与发展趋势[J].农业与技术,2015(23).
[3]张俊宁.精准施肥技术现状及挑战[J].高科技与产业化,2015(07).
变量施肥 篇5
1 试验材料与方法
试验地设在黑龙江省八五二农场科研站。试验中1/4N肥和全部P、K肥作底肥播种时施入, 3/4N肥追施。N、P、K肥按6个水平施用, N肥分别为0、45、90、135、180、225kg/hm2;P肥分别为0、30、60、90、120、150kg/hm2;K肥分别为0、60、90、120、150、180kg/hm2。
试验采用随机区组排列, 3次重复, 试验小区行长5m, 6行区, 试验重复间留过道1.5m, 试验区周边设保护行6垄, 5月13日人工播种。
供试玉米品种为绥玉7号, 肥料选用磷酸二铵、尿素、硫酸钾、三料磷肥。各处理的其它各项农时管理措施均一致, 收获前每处理选取10株进行株高、穗位高的调查, 穗进行考种测产, 均取3次重复的平均值。
2 试验结果与分析
2.1 施不同水平N肥对玉米株高和穗位高的影响
试验结果表明, 玉米株高随施N水平的提高呈抛物线型规律, 在施用水平135～180kg/hm2范围内, 玉米株高无明显变化, 且株高最高为252.7cm, 之后又逐渐下降。在施用水平0～45kg/hm2范围内, 玉米的穗位高随施N肥水平的提高而增加, 当施N肥量在45kg/hm2水平时, 玉米的穗位最高为90.0cm, 之后随施N肥水平的提高而降低, 当施N肥水平为180kg/hm2时, 穗位最低。
2.2 施不同水平P肥对玉米株高和穗位高的影响
试验结果表明, 玉米的株高随施P肥水平的提高呈类似“S”型变化规律, 在施用水平90～120kg/hm2范围内, 玉米的株高无明显变化, 且株高最高为252.7cm;之后又逐渐下降。在施用水平0～30kg/hm2范围内, 玉米的穗位高随施P肥水平的提高而增加, 当施P肥量在30kg/hm2水平时, 玉米的穗位最高为90.0cm, 之后随着施P肥水平的提高而降低, 当施P肥的水平为120kg/hm2时, 穗位最低, 为87.0cm。
2.3 施不同水平K肥对玉米株高和穗位高的影响
试验结果表明, 在施用水平0～180kg/hm2范围内, 玉米的株高随施K肥水平的不断提高呈逐渐上升的趋势, 在施用水平90～120kg/hm2范围内, 玉米的株高无明显变化, 之后又逐渐增加, 180kg/hm2水平时株高最高为254.0cm。在施用水平0～60kg/hm2范围内, 玉米的穗位高随施K肥水平的提高而升高, 在施用水平60～90kg/hm2范围内, 玉米的穗位高无明显变化, 之后随施K肥水平的提高而降低, 在施用水平150～180kg/hm2范围内, 穗位又略有升高。
2.4 施不同水平N、P、K肥与产量的关系
试验结果表明, 玉米产量均随施肥水平的提高而增加, 但在N肥水平不断提高的同时, 玉米产量的增加速率一直较大;在施用水平0～30kg/hm2范围内, 玉米产量随施P肥量的增加而逐渐增加, 但是施肥水平30kg/hm2以上玉米产量的增幅就较平缓;在施用水平0～90kg/hm2范围内, 玉米产量随施K肥量的增加而逐渐增加, 但是施肥水平90kg/hm2以上玉米产量的增幅随施K肥量的增加变化不大。可见, 在一定范围内增施N肥比增施P、K肥更有利于玉米产量的提高。
3小结
玉米的株高随施N肥水平的逐渐提高呈抛物线型变化规律, 随施P肥水平的提高呈类似“S”型变化规律, 随施K肥水平的提高呈逐渐上升的趋势。施不同水平的N、P、K肥对玉米的穗位高的影响规律基本一致, 均是在0水平时较低, 随着施肥量的增加, 穗位增高, 施肥量增加到一定水平后, 穗位高又逐渐降低。在一定范围内, 提高N、P、K的施肥水平均可不同程度的提高玉米的产量, 但提高N肥的施用量对提高玉米产量效应最大, P肥次之, K肥在90kg/hm2的基础上再提高施K肥水平对玉米产量的提高作用不大, 增施N肥并且合理施用P、K肥对玉米的高产起主导性的作用。
参考文献
[1]陈立平.精准农业变量施肥理论与试验研究[D].北京:中国农业大学, 2003.
[2]刘迎雪.不同施氮方式和生物种衣剂对春玉米生理特性、产量及品质的影响[D].哈尔滨:东北农业大学, 2007.
变量施肥 篇6
关键词：自动控制技术,CPLD,设计,变量施肥,GPS,光电编码,竞争冒险
0 引言
目前, 农业领域正在发生着剧烈的生产方式变革。精细农业所采集的数据, 如土壤类型、肥力、病虫害及农作物产量等都含有精确的位置信息。通过采用计算机、单片机自动控制、卫星定位、传感、遥感、数据库以及网络技术来提高农业耕作的精度, 从而大大降低了资源消耗和增加单位面积的产出。GPS是利用卫星的测时和测距进行导航, 以构成全球定位系统。本文阐述了精确变量施肥系统的下位机控制模块的设计。
1 控制模块框图和功能
施肥系统主要由GPS系统、上位机和下位机构成。下位机即控制模块主要采用CPLD设计, 由于它的芯片集成度高、可以实现多通道数据采集系统的设计;具有大量I/O管脚和较强的带载能力, 内部资源丰富、处理速度快, 可实现复杂的算法设计;器件内部信号延时小, 从而可提高信号的完整性和抗干扰能力。与微处理器相比, 其最大优点就是很多外围电路 (锁存器等) 可在CPLD内部编程实现, 时序可自行设定。模块总框图, 如图1所示。
本模块的工作过程如下:在自动方式下, 模块接收GPS数据进行少量处理后传给上位机;上位机结合数据库, 经过运算在通过控制模块分频得到分频脉冲, 控制步进电机。在手动方式下 (编码器方式) , 上位机通过模块读取编码器的脉冲个数, 结合数据库通过运算在通过模块给出分频脉冲控制电机。本模块包括以下几个部分:数据写入模块、数据读取模块和控制信号生成模块。
本控制模块能够实现与上位机的通信, 数据采集、控制和少量数据处理。其具体功能如下:
1) 能够接收工业控制机的并口数据, 通过锁存、分频, 产生一定频率的脉冲;
2) 能够读出光电编码器在定时时间内的脉冲个数, 供工控机进行处理得到相关信息;
3) 该模块能够控制GPS数据, 即控制串口的开启与关闭。
2 数据交换的关键技术
2.1 读取光电编码数值技术
控制模块必须能够读出光电编码器在定时时间内的脉冲个数, 供工控机进行处理得到相关信息。因项目背景影响, 系统选用的上位机不能工作在中断模式读取数据, 因此上位机不能仅仅因为读取数据而时时查询数据是否准备好, 而放弃所有的工作。所以, 采用上位机处理完GPS等相关任务后, 随时向模块要数据。由于工控机的运行速度的限制, 在上位机向模块要数时, 可能恰好锁存器中数据准备好, 并且此时计数器不向锁存器中写入数据;也可能此时恰好计数器向锁存器中写入数据, 这时可能会产生读取数据上的读写过程产生冲突, 造成前1s和后1s的数据交叉, 丢失数据。解决丢失数据方案如下:用两个计数器交替记数, 设这两个计数器分别为A和B (当然也可以用3个或4个, 越多越保险) 。在有冲突的情况下, 当A计数器计数完毕要往锁存器锁存数据的时候, 恰好上位机正从锁存器读取数据。因此, 此时A计数器为了避免数据交叉不能锁存数据, 等待数据读取过程结束之后才能写入锁存器;而B计数器在A计数器记数结束之后马上复位记数。所以只要是读取过程的时间不超过1s, 也就是说在下1s结束时, B计数器记数结束, A计数器复位记数开始时, 上位机读数过程完毕, 就不会丢失A计数器的记数数据。这种方案正好解决了一个计数器记数丢失数据的缺陷。数据冲突时, 锁存信号获得如图2所示。
2.2 控制信号线的竞争冒险处理技术
在模块设计中, 需要至少7个控制信号:写高8位控制信号;写低8位控制信号;读低4位和次低4位控制信号;读高4位控制信号;开电机控制信号;关电机控制信号;一个信号用来控制串行数据GPS, 它们一般都是负脉冲或者正脉冲有效。并行口向仅仅提供了4位输出控制引线, 必须使用译码器来产生控制信号。3――8译码器输出的控制线理论上足够控制使用。但是当输出引线由一个控制状态向常态变化时, 由于竞争冒险可能会产生另外一种控制状态, 带来不必要的麻烦。解决办法是:充分组合逻辑状态, 使其达到理想组合。经过充分考虑读数据、写数据、开关电机6种控制状态, 在其向常态转换的过程中会出现的状态, 如图3所示。
下面逐一分析图3的状态转换图能否带来附加问题。
1) 开电机向常态转换过程:一是出现110即写低8位控制信号, 没有影响, 因为此时写锁存器中的数据正是刚刚锁存进去的, 再缩存一次没有影响;二是出现000即读高四位控制信号, 没有影响, 因为此时上位机不会读取数据。
2) 关电机向常态转换过程:一是出现110即写低8位控制信号, 没有影响, 因为关掉电机时锁存器里面的数据已经没有意义了;二是出现011即读低四位控制信号, 没有影响, 因为此时上位机不会读取数据。
3) 写高8位向常态转换过程:一是出现011即读低4位控制信号, 没有影响, 因为此时上位机不会读取数据;二是出现000即读高四位控制信号, 没有影响, 因为此时上位机不会读取数据。
2.3 数据读取时的地址线复用技术
由于上位机并口的特性就剩下两根地址线可用于锁存控制信号, 但是上位机只能接收8位数据 (系统选用的上位机) , 所以计数器输出的12位数据, 分3次读入上位机, 这样至少需要3个锁存信号。数据读取控制信号模块仿真波形, 如图4所示。若用CS1和CS2控制, 即CS1有两个脉冲和CS2的一个脉冲共同组成, 但是硬件电路实际要求有3根信号控制信号, 所以设计电路实现了两根地址线产生3根锁存信号控制线, 即用CS1和CS2结合忙信号BUSY产生EN2, EN1和EN03个锁存信号。其具体时序设计如图4所示。
3 CPLD设计及仿真结果
基于资源的数量和工作环境的需要, 选择MAX7128S84-15芯片。在ALTERA可编程逻辑器件开发平台MAX+PLUSII上运用GDF和AHDL语言进行调试, 调试结果如下。
3.1 读模块设计
本模块实现模块12位数据输出控制模块、读取模块DUSHIYAN1和控制信号生成模块进行综合设计, 得到数据读出的总模块。只给出波形图, 如图5所示。
3.2 写模块设计
写入模块是有各个小模块连接而成。包括4, 8, 16位数据锁存模块, 分频模块, 计数单元清零模块, 脉冲控制模块, 这里只给出写入模块的总波形图, 如图6所示。
4 调试
4.1 频率测试
在实际调试中, 在手动方式下, 输入步进电机的转速观察输出脉冲的频率大小, 实际测试结果如表1所示。
4.2 读机具速度测试
该部分调试的目的在于由安装在车轮上的传感器输出的脉冲, 计算出机具的行进速度, 这是计算步进电机转速的一个重要参数。在模拟调试中, 由频率计输出一定频率大小的脉冲, 由工控机读入 (分3次读入) , 观察数值是否吻合。
读取速度= (读取速度/1024) ×车轮周长
5 总结
本研究以精确农业自动变量施肥理论和技术为内容, 从精确农业的基本理论和方法入手, 以试验为基础, 探索了适合吉林省乃至全国的精确农业理论和技术, 特别是自动变量施肥理论和技术, 并在吉林省德惠市和榆树市弓棚镇春阳村的两块试验地块进行了田间试验研究。本模块设计优点是可以对GPS和编码脉冲两种信号进行处理, 充分解决了竞争冒险带来的不必要状态的影响, 准确地读出编码器的脉冲值, 为以后虚拟GPS提供了条件, 使自动变量施肥系统更加能商品化。
参考文献
[1]于枫, 张丽英, 廖宗建.ALTERA可编程逻辑器件应用技术[M].北京:科学出版社, 2004.
[2]潘松, 黄继业.EDA实用教程[M].北京:科学出版社, 2002.
[3]何宗键.Windows CE嵌入式系统[M].北京:航空航天大学出版社, 2006.
变量施肥 篇7
施肥获取高产是当代农民的一个共识, 传统施肥易造成局部平均, 由于土壤肥力千差万别, 平均施肥易造成不足或过量, 不但不能增加产量, 反而会造成资源利用不合理、污染环境。长此以往, 过量的化肥引起土壤有机质缺失、破坏生态环境及农产品品质下降等问题。西方发达国家针对以上问题, 对农业现状进行分析, 将施肥方式改由定量投入转为变量投入。从而活化了土壤, 节约了资源, 修复了环境, 提高了品质。变量施肥自动控制技术是实现精准施肥的桥梁, 是集农田信息采集、分析决策等技术和农业工程装备技术的优化组合[1]。本文在前人的基础上, 概述变量施肥自动控制的概念、发展现状及其技术理论体系, 立足当下, 展望未来。
1变量施肥及自动控制技术
1.1 概念
所谓变量施肥, 就是以不同的空间单元为基准, 根据产量数据和其他多层数据 (土壤特性、病虫草害、气候等信息) 的叠加分析为依据, 建立作物生长模型、作物专家系统, 以高产、优产、环保为目的, 因地适宜的为作物全面平衡施肥[2]。
1.2 自动控制技术体系
变量施肥自动控制有2 种形式, 实时控制施肥, 根据监测土壤的实时传感器信息, 控制并调整肥料的投入数量, 或根据实时监测的作物光谱信息分析调节施肥量;处方信息控制施肥, 依据决策分析后的电子地图提供处方信息, 对大田中肥料的撒施量进行定位调控, 这是目前国内外研究最广的方式。处方信息控制施肥是依据GIS获取的处方信息和GPS获取的田间位置信息, 由变量控制器搜集处理相关信息, 分析后控制相应执行机构进行变量作业[3]。如图1 所示
2国内外研究现状
2.1 国外研究现状
美国大型变量施肥的典型代表是John Deere公司的播种施肥车, 拖拉机机头安有Ag GPS132 接收机、尾翼安有无数个电控无级变速器, 工作翼展达25m, 驾驶室内有各种仪器, 可以通过屏幕监控施肥处方图及施肥机行走路线[4]。
日本研制出适用水稻的施肥系统。该系统小巧轻便, 该机自带GPS, 驾驶室内有监视器, 可以查询作业处方图, 基于GIS信息, 机具前进速度, 通过监视器查询储存在地图中相应的处方来控制排肥[2]。
德国AMAZONE公司基于植物叶片反射原理, 利用高光谱氮营养诊断, 研制出了一款变量施肥机, 通过安装在拖拉机头部的高光谱测量仪, 实时测得作物冠层的NDVI值, 通过作物追肥模型计算出氮素的追肥量, 经中央处理器处理成数字脉冲信号, 通过执行机构实现精准变量施肥[4]。
俄罗斯全俄农机化研究所研制的变量施肥机, 利用电磁铁和共振片原理, 通过控制安装在施肥口电磁铁的电磁频率, 产生不同的震动, 来控制施肥口的开启和闭合, 施肥量从而得到自动控制[2]。
2.2 国内研究现状
近年来, 变量施肥技术在国内兴起一股学习潮流, 高校和科研院率先取得一些成果。汪懋华作为学科领军人, 较早地进行了该方面的研究。
国家农业工程研究中心在田间进行了小麦精准施肥;选取2 个完全不同处理的地块, 拖拉机上装有AgGPS170, 执行机构选用电控液压马达, 于2003 年研制出了《精准变量悬耕施肥机》, 并获得发明专利[3]。
吉林大学张书慧等制造了由GPS, 单片机、施肥决策卡及播种施肥机等4 部分组成的系统, 该系统以AT89C52 为中心, 拖拉机速度不同, 施肥量不同, 施肥量可以读取决策卡获得。单片机依据决策卡及拖拉机速度, 输出不同信号给排肥轴, 从而变化出不同的排肥量。
黑龙江八一农垦大学[4]基于PID算法, 利用差分GPS定位、GIS确定不同单元的施肥量, 结合农、机、电3 种优势, 加入PID算, 实现了三者一体化。黑龙江友谊农场引进美国CASE公司先进设备, 示范D-GPS纠偏差分站, 区域自主进行, 取得了一定的成功。
河北农业大学邵利敏、王秀[5]等基于PLC原理, 实现了变量施肥控制系统的设计与试验, 采用无损光电检查技术, 通过归一化植被差异指数测量仪实时获取归一化植被差异指数, 依据该值的大小, 传送给中央处理器, 处理器依据模糊控制算法, 结合施肥机具行进速度, 输出PWM信号给电磁阀, 控制施肥口不同的施肥量。
张睿等于2012 年设计了一种变量施肥抛撒机, 其原理基于配方图, 变量效果较好, 均匀性强, 在拖拉机速度较慢时, 误差较小[6]。
郎春玲等于2013 年主要研究深施型液态施肥机, 调节误差极低, 精度平均可达98%, 该系统设计合理, 使用极其方便[6]。
3机械及控制技术存在的问题
由于我国变量施肥技术处于起步阶段, 没有被大范围使用。针对不同农作物, 没有对应的装备。现如今存在如下问题:
实时控制施肥处于研究阶段, 瓶颈在于传感器的研发与电子技术的应用。遥感技术成本高, 不利于推广。
机械部件存在许多问题, 机械设备不先进, 或操作不友好, 需要自主研发更本土化的设备。
自动变量施肥变量比较单一, 需要向多变量或自动施肥的方向发展。
专家决策分析系统更新速率慢, 需求数据多且不易测得, 模拟的结果与实际存在较大误差。
变量农机具较发达国家起步晚, 差距巨大。常用仪器接口不兼容, 没有统一标准, 不能共享数据, 人工维护成本高。
4应用展望
变量施肥作为一种新兴的技术, 在国外发达国家已初具规模, 但在当代中国, 尚处于试验阶段, 应该深入研究, 大力推广, 尤其是系统集成和应用。研究出基于微机控制的精量施肥控制系统、供肥系统和分肥限量系统;快速研发出功能健全的施肥控制系统;能准确快速地检测农田养分含量是我们的当务要事。同时研发施肥设备, 降低生产成本, 方便易用, 并且能为农民所掌握, 且最终能大面积得到推广。一定要学习借鉴国外的先进经验, 结合我国土壤墒情, 加强跨区域、品种的联合作业机的研究力度。从而实现资源更好的有效、高效利用, 实现农业的健康持续发展。
摘要：传统的施肥方式存在结构不合理、肥料利用率低、环境污染等问题。变量施肥是解决这些问题的办法。本文概述了变量施肥的概念、研究现状以及技术体系, 并对现存问题和发展趋势做了分析和展望。
关键词：精准农业,变量施肥,决策系统,变量控制
参考文献
[1]曲柱宝, 田耘.变量施肥的实现过程及其发展前景[J].中国农机化, 2005 (4) :50-52.
[2]张涛, 赵洁.变量施肥技术的研究进展[J].农机化研究, 2010 (7) :233-236.
[3]孙成.变量施肥机控制系统的研究[D].吉林:吉林农业大学, 2008.
[4]赵登峰, 张立新, 吴金林.变量施肥研究现状及在新疆棉花上的应用展望[J].农机化研究, 2012 (04) :213-219.
[5]牛晓颖.精准农业变量施肥技术及其实施系统的研究[D].河北:河北农业大学, 2005.