多用途土壤墑情采集裝置的設計

曹 勇，周賀凱，殷 飛

(吉林農業科技學院，吉林 吉林 132101)

0 引言

現今，在農業種植領域，土壤中的水分、溫度、電導率(含鹽量)等，對種植戶來說是最重要和最常用的數據信息，是影響農作物生長發育的關鍵指標。由于區域地形地貌、土壤物理化學特性、氣象等因素的差異，致使區域土壤的狀態分布不均勻，適時掌握區域土壤狀態的動態信息，探明作物生長發育期內土壤水分盈虧、溫度高低、電導率(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，對于提高農作物管理水平，科學指導抗旱救災，預防和減輕干旱災害，保障生活用水、生態用水，實現農業精準化種植具有重要意義[1]。

我國是一個水資源匱乏的國家，我國的農業發展也因此而被制約，土壤墑情檢測器可以采集到土壤中水分的信息，由此可以有效地進行節水灌溉，從而側面體現出對于我國水資源的節約。為使得農作物保持良好的生長發育狀態，需要適時檢測土壤中各個層級的數據信息。現有的土壤墑情采集監測裝置引入多層監測設計，在不同深度的土壤中分別布局一個監測單元，每個監測單元均設有探針外露的采集器，但對采集器沒有適當的防護措施，導致采集器磨損嚴重[2]。通過對原有裝置的設計與改進，可以解決現有技術的不足。該裝置能夠在土壤墑情監測、節水灌溉、溫室控制、精細農業等領域有著重要的應用。

1 系統基本結構

1.1 結構介紹

該裝置包括中空的探測桿及安裝在探測桿頂部上的控制箱，探測桿的側壁上沿間隔設有若干滑動件，滑動件包括滑套，探測桿與滑套之間設有緊固件。滑動件沿豎向間隔設有2～4個，沿周向設有3～6個弧形支撐片，每個弧形支撐片上設有一個土壤墑情傳感器，每個滑動件上的多個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。滑套的周側轉動設有若干弧形支撐片，弧形支撐片上設有探測孔，弧形支撐片的底部安裝有采集器，采集器的探針穿過探測孔設置。控制箱內設有控制器、存儲模塊、通信模塊、電源電路、充放電控制電路、信號處理模塊及電池，控制箱上安裝有太陽能板。

1.2 結構的特點

1.2.1 實現不同深度的土壤采集方式

通過滑套滑動設于探測桿上，便于對滑套于探測桿上的高度進行調節，并通過緊固件固定其位置，便于對不同深度的土壤同時進行采集。

1.2.2 實現對不同方位的土壤多角度采集

采集器通過弧形支撐片于探測桿向周向活動分布，使得弧形支撐片帶動采集器轉動時，采集器的探針能插入相同深度、不同方向的土壤中。

1.2.3 增加對采集器的防護作用

傳統裝置對采集器沒有適當的防護措施，導致采集器磨損嚴重，通過弧形支撐片可以對采集器起到一定的防護作用，在插入土壤時更加穩定、牢固，能夠避免因探測桿插入土壤過淺或人為、自然原因容易倒伏。

1.2.4 實現土壤信息的集中化處理

太陽能板經充放電控制電路給電池充電，電池經電源電路為電機及各硬件模塊供電，信號處理模塊將土壤信息處理后發送給控制器并儲存在存儲模塊中，控制器通過通信模塊與外部管理設備進行信息交互。

2 系統的結構設計

2.1 采集裝置模塊

裝置的弧形支撐片鉸接于探測桿的外壁上，探測桿的外壁上設有與采集器對應的凹陷部，且凹陷部與采集器的形狀相適配，探測桿內設有電機，電機的輸出軸上設有傳動軸穿過探測桿與弧形支撐片的外側壁連接，電機通過電機驅動電路與控制器電連接。通過控制器控制電機的傳動軸伸出或縮回，也可通過氣缸代替電機。

2.2 信號傳輸模塊

控制箱內設有控制器、存儲模塊、通信模塊、電源電路、充放電控制電路、信號處理模塊以及電池。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。控制箱內也可以設置驅動電機，驅動電機的轉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，以電動驅動安裝板旋轉。驅動電機通過第二驅動電路分別與控制器電連接，通過在設定時間內驅動電機的轉軸旋轉設定角度，并在設定時間內反向旋轉以復位，方便第二天使用。

控制箱的側壁上設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，打開防水塞，通過設置充電接口，便于在急需且無法更換太陽能板的情況下，采用外部電源對土壤墑情采集監測裝置進行充電，以提高實用性；通過設置通信接口，便于將土壤墑情采集監測裝置內存儲的信息導出。不使用時，將防水塞裝配在充電接口、通信接口上，避免水或塵土進入控制箱影響硬件部分的正常使用。

控制箱的內壁上設有導熱層，控制箱的外壁上設有與導熱層對應的散熱結構，散熱結構包括若干高低間隔排列的散熱鰭片。散熱鰭片上設有若干散熱孔，以改善對流效果，提高散熱性能。

控制箱上安裝太陽能板，上鉸接有轉動座，太陽能板安裝在轉動座上。可根據太陽的方位，人工對太陽能板的朝向進行調節，以更高效地利用太陽能。太陽能板經充放電控制電路給電池充電，電池經電源電路為電機及各硬件模塊供電，信號處理模塊將土壤墑情傳感器采集的土壤信息處理后，發送給控制器并儲存在存儲模塊中，控制器通過通信模塊與外部管理設備進行信息交互，便于土壤信息的集中化處理，便于維護，經濟可靠。存儲模塊、電源電路、通信模塊、信號處理模塊分別與控制器電連接，同時存儲模塊與通信模塊電連接。通過設置定位模塊，當太陽能板損壞或到達使用年限，或無法知道土壤墑情采集監測裝置的位置，又或者土壤墑情采集監測裝置因人為原因丟失，或電池電量不足時，通過內置的電池供電，將土壤墑情采集監測裝置的位置經控制器實時發送給外部管理設備，以便及時對太陽能板進行更換，或快速知曉土壤墑情采集監測裝置的位置，避免采集數據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、土壤電導率傳感器或土壤pH傳感器。

土壤墑情自動監測裝置不僅適用于野外大規模的田間水分連續動態監測，也能滿足室內試驗土壤含水量測定的需求，是一種具有應用前景的土壤水分測定設備，對水分反應靈敏[3]。

2.3 傳動裝置模塊

通過電機驅動弧形支撐片沿著探測桿外壁轉動，帶動弧形支撐片上采集器的探針轉動，以實現插入土壤內不同角度，在插入前，將弧形支撐片轉動至貼近探測桿，使采集器配合容置于凹陷部，對采集器形成防護，避免插入的過程中土壤中的碎石磨損采集器；凹陷部上設有穿線孔，與導線之間設有密封圈，探測桿的側壁與采集器之間設有套于導線外的伸縮管。通過伸縮管對活動伸出穿線孔外的導線進行防護，設置密封圈，避免土壤中的水分進入探測桿。固定好采集監測裝置后，電機驅動弧形支撐片轉動，使采集器的探針插入土壤內指定深度及角度。

3 對于裝置改進的討論

3.1 裝置改進的最終目標

通過添加弧形支撐片和滑動與支撐桿結合等技術方案，實現土壤墑情采集監測裝置解決現有技術的不足，進而提高裝置的工作效率。

3.2 在模型制作過程中可能遇到的問題與解決方案

在原有裝置上添加弧形支撐片時，可能有不兼容情況的出現，因此，在模型制作過程中，進行多次實驗測定弧形支撐片的使用，以確保裝置可以正常工作。

3.3 裝置改進后的工作原理

電機驅動弧形支撐片沿著探測桿外壁轉動，能夠帶動弧形支撐片上采集器的探針轉動，以實現插入土壤內不同角度、不同高度，在插入前，將弧形支撐片旋轉至與探測桿貼近位置，使采集器剛好配合容位于凹陷部，使得全方位實現對采集器的防護，避免在插入的過程中土壤中的碎石對采集器的磨損，固定好采集監測裝置后，電機驅動弧形支撐片轉動，使采集器的探針插入土壤內指定深度及角度進行勘測。

3.4 土壤信息處理方式

在經過采集器收集土壤信息后，信號處理模塊將土壤墑情傳感器采集的土壤信息處理后發送至控制器，并穩定儲存在存儲模塊中，控制器通過通信模塊與外部管理設備進行信息交互，便于土壤信息的集中化處理，便于維護，經濟可靠。

4 結語

科學的農業種植理念是農業發展的未來趨勢，科學的農業種植在美國、加拿大等一些發達國家中已經從理念變成了現實，高科技與農業種植結合發展已經成為國民基礎支柱產業之一。中國是一個農業大國，糧食的產量直接影響著國計民生。每年由于旱澇造成的糧食減產的損失巨大，所以，有效防旱、抗旱，防澇、抗災，減少災難造成的各項損失，已成為各級防汛抗旱部門的最主要的任務之一[4]。

土壤環境檢測技術的廣泛應用，與我國環境現狀有著直接關系，經歷了數十年以環境為代價的經濟發展模式，我國整體環境受到了嚴重的污染，空氣、水源、土壤等環境構成因素都受到了不同程度的污染。這種情況下，建立全方位的環境監測系統就顯得尤為重要。隨著現代工業的發展和擴大，環境中的污染物類型、含量都在不斷增加，若是直接食用污染土壤種植的農作物，就有可能威脅到人們的生命健康。因此，環境管理部門有必要對土壤環境狀況進行持續監測。環境監測是環境保護措施提出的依據，在環境監測過程中，需要兼顧好現場調查、檢測布點、樣品采集等一系列工作。環境監測技術的發展十分悠久，但是真正進入現代化，還要追溯到20世紀70年代。環境監測技術應用于土壤監測，需要對土壤環境因素進行多次測定，如此才能獲得環境變化趨勢的準確認知[5]。在檢測中，主要的檢測對象是對環境有影響的污染物，借助多種類型的土壤環境質量監測技術，土壤污染物及其消極影響可以得到有效控制。