棉纤维质量密度光学检测模型的优化

建立棉纤维质量密度检测模型对于在线测量气力输送管道内棉花流量具有重要作用。该文运用光吸收基本定律,研究棉纤维对不同波长光源的衰减作用。结果表明,选用波长940nm近红外光作为光源时,品种、水分和环境温度的变化对测试结果影响不显著。因此,选用940nm近红外光源作为发射器,构建棉纤维质量密度测量系统。通过测算透过棉纤维的光强衰减率,结合实际测量的相应区域棉纤维质量,利用回归分析建立棉纤维质量密度检测模型。模型验证结果显示,测量结果的平均误差达到6.1%,该研究为开发棉花流量传感器及输棉管内棉花流量的在线监测奠定基础。     

基于卡尔曼滤波的降雨起止时间手机远程监测装置研制

为解决设施农业的降雨监测系统难以精准检测降雨起止信号的问题,研制了一种降雨起止时间远程监测装置。该装置主要由雨水感应模块、雨水检测电路、单片机、通用分组无线电系统数据传输单元模块(General Packet Radio System Data Transmission Unit,GPRS DTU)、串口通信电路和手机端APP组成。通过自行设计的雨水感应模块检测降雨过程,利用卡尔曼滤波器降低雨水检测信号的电阻热噪声干扰,根据滤波后的信号差值建立降雨起止信号判别模型,判定的降雨起止信号经通用分组无线电系统(General Packet Radio System,GPRS)远程无线传输至云服务器,并以云服务器的同步时间作为基准时间,实现了手机远程监测降雨起止时间。开展装置性能测试试验,研究其稳定性、准确性与可靠性,结果表明:1)降雨起止信号判别模型的判别周期取10 s最优;2)室内测试时的降雨起止信号错报率为1.2%,手机接收成功率为100%;3)雨水感应模块的导线末端间距为2 mm、基板间夹角为120°是能检测小雨及以上等级的最优参数组合。将装置安装于开阔的楼顶天台开展实测验证试验,结果表明:装置对降雨开始与停止时间的检测误差范围分别为7~34、9~29 s,室外仅出现1次错报,信号错报率为5.9%,符合对自然降雨过程的检测要求。该装置能远程监测降雨起止时间,可为今后进一步研究农业智能感雨监测系统提供技术支持和理论依据。     

多路数据采集与处理模型的设计及水分传感器埋设位置优化

为优化土壤水分传感器的埋设位置,该文针对宁夏日光温室滴灌黄瓜田间的土壤水分传感器埋设位置进行优化试验,确定出最佳埋设深度和宽度。利用最小二乘法对澳大利亚生产的MP406土壤水分传感器进行标定,得到水分利用效率的拟合值与实测值的相关性系数为0.9906。设计了多路数据自动采集监测与灌溉系统,可同时获取不同处理的18个水分传感器数据,通过远程客户端实时下载和监控水分数据并实现自动灌溉,通过远程手机短信监控功能,进行手机短信命令控制一个或多个处理的实时灌溉,系统可同时测量不同处理的灌水量。计算水分利用效率和产量,分析传感器水分数据的差异和相关系数,确定出土壤水分传感器在宁夏日光温室滴灌黄瓜田间的最佳埋设深度和宽度位置,该研究方法为确定土壤水分传感器的埋设深度及宽度提供可行的参考方案。     

集雨补灌对玉米生长及产量的影响

该文针对黄土高原半干旱区农业气候资源的特点以及该区降雨年内分布不均、水分供需不平衡的基本特点，以集雨技术及工程设施为基础，通过有限补充灌溉方式，研究了玉米在不同生长时期的补灌水量和覆膜坐水技术带来的增产效果，并分析了集雨补灌对玉米生长、水分利用效率及产量的影响。试验研究表明：在地表水和地下水严重缺乏的旱作区结合不同的微灌方式(该文试验采用滴灌)，在玉米需水关键期进行集雨补充灌溉，增产效果明显，水分利用效率显著增加，表现出需水关键期有限水分供给的高效性。该研究为集雨补灌旱作区节水农业的发展提供理论依据。     

覆土浅埋滴灌对春小麦耗水特性及水分利用效率的影响

  目的  探索新疆伊犁河南岸灌区覆土浅埋滴灌条件下春小麦耗水规律和水分利用效率。  方法  通过对覆土（覆土深度5 cm）浅埋滴灌（4个灌溉定额水分处理:W1 = 450 mm、W2 = 360 mm、W3 = 315 mm和W4 = 270 mm）和地表滴灌（灌溉定额CK = 450 mm）的春小麦各生育期耗水量分析,研究覆土浅埋滴灌对春小麦生长阶段各土层水分动态变化、耗水特性、作物系数及水分利用效率的影响。  结果  覆土浅埋（5 cm）滴灌可以显著性提高20 ~ 40 cm土层水分含量,滴灌小麦全生长阶段0 ~ 40 cm土层水分变化率大,该土层是小麦根系吸水主要利用层,40 ~ 60 cm土层为小麦根系稳定吸水层,该土层水分波动不明显。灌水量为360 mm处理下,全生育期内覆土浅埋滴灌小麦耗水量为482.78 mm,日均耗水量为4.88 mm d?1,耗水量呈抛物线变化趋势,在拔节 ~ 抽穗阶段达到抛物线最高点;小麦全生育期各滴灌量处理耗水量存在显著差异。在滴灌小麦整个生长周期内作物系数呈初期小、中期大、后期小的变化规律,在春小麦需水关键期拔节 ~ 抽穗期作物系数达到最大值为1.5。覆土浅埋滴灌小麦W1、W2、W3和W4处理的水分利用效率分别比地表滴灌CK提高了16.47%、38.73%、36.37%和13.20%,且覆土浅埋滴灌处理显著性高于地表滴灌处理。滴灌量为360 mm的W2处理产量、水分利用效率和灌溉水利用效率均达到最优;CK处理最低,但产量除外。  结论  在本试验条件下覆土浅埋滴灌灌溉定额为360 mm为理想的高产节水滴灌处理。     

基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计

为实现准确判断作物水分亏缺程度,为精量灌溉提供科学依据,论文采用无线传感器网络技术,设计了作物水分状况监测系统。该系统实现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输,可以使人们随时随地精确获取作物需水信息,包括引起作物水分亏缺的环境信息（温度、湿度、土壤温度、土壤湿度）以及水分亏缺时作物水分生理指标微变化信息等。它具有功耗低、成本低廉、鲁棒性好、扩展灵活等优点。初步试验表明了该系统的合理性与实用性。可以应用于温室、农田、苗圃等区域。该文为无线传感器网络在设施农业中的应用做出了探索性研究     

基于RC网络相频特性的土壤含水率传感器设计

土壤中的水分影响土壤养分的溶解、转移和微生物的活动,是作物赖以生存的基本要素。土壤含水率的快速准确监测对于农业生产具有重要意义。该文设计了一种基于RC网络相频特性的土壤含水率传感器。不同含水率的土壤的介电常数的变化会导致RC电路网络的相频特性的变化。传感器通过感知这种变化进而确定土壤含水率。此外,针对RC网络电路元件参数和工作频率选择的问题,该文采用最优化方法求解从而使传感器在量程范围内具有最佳的灵敏度。其中最优的工作频率为f*=1.9412×108 Hz,最优的串联电阻R*=13.1 Ω。试验表明,该传感器对砖红壤土含水率的预测模型的决定系数R2为0.9889,实际预测误差≤4.58%。     

地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证

土壤水热分布状况是作物优质高产的关键环境条件之一,基于土壤水、热运动基本方程,结合地表滴灌水分运动特点,建立了地表滴灌水、热运移数学模型,利用HYDRUS-2D软件对构建的数学模型进行了数值求解,并对数值模拟得到的土壤水热值与田间实测数值进行了对比验证。结果表明, 所构建的数学模型对地表滴灌条件下的土壤水分运动和土壤温度变化及分布的动态变化具有较好的模拟效果;当土壤、气象以及灌水资料等可知时,利用该数学模型可以较准确地预测地表滴灌条件下水热耦合迁移与分布规律,模型可用来适时监测和调控地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件。此外,数值模拟值和实测结果都显示,地表滴灌条件下上层土壤的水分和温度值较下层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。     

作物水分敏感指数累积函数的改进及其验证

为了更好的分析整个作物生育期不同时期水分亏缺对作物产量的影响,该文在分析作物水分生产函数中水分敏感指数及其累积函数特性的基础上,对目前广泛应用的水分敏感指数累积函数进行了改进。改进后的累积函数与原累积函数在作物生长中期差异较小,而在作物生长前期和后期差异相对较大。改进后的累积函数物理概念上更符合实际,能够模拟作物水分敏感指数累积值从生长开始到生育期结束的变化过程。利用山西潇河试验站冬小麦和广西桂林试验站晚稻非充分灌溉试验数据进行了验证,改进后的累积函数模拟的水分敏感指数累积值与通过试验观测产量优化求解值吻合较好,且与原累积函数相比具有较好的模拟效果。     

多光谱作物生长传感器温度特性试验

基于光谱的作物无损监测技术可实时地获取作物生长信息,进而为作物的生长调控提供数据支持,为推广该技术在农业生产中的应用,南京农业大学国家信息农业工程技术中心研制了低成本的多光谱作物生长传感器。传感器监测作物720和810nm光谱反射率,根据反射率反演作物的叶层氮含量、叶层氮积累量、叶面积指数和叶干重等作物生长信息。为提高传感器田间应用的温度稳定性,该文研究了温度对传感器输出特性的影响,并利用符号回归技术构建了传感器反射率的温度补偿。试验于恒温恒湿试验箱中进行,试验温度分别设定为6、11、15、20、25、30、35、40,44、49、54、62℃,相对湿度保持为40%不变,以40%和60%反射率标准灰度板为传感器的监测对象。研究结果表明,在光强不变的情况下,传感器输出电压随温度的升高呈增加趋势,反射率则表现为下降趋势。构建的温度补偿模型使反射率因温度影响产生的波动由1%~2.6%下降到0.45%以下,成对t检验结果表明反射率的温度补偿模型可显著降低温度对传感器反射率的影响(P=0.0150.05)。该文传感器温度补偿模型的构建方法具有一定的普适性,可为其他传感器的温度补偿研究提供参考。     

免耕播种机播种质量红外监测系统设计与试验

为了对播种机播种质量进行监测,实现精量播种,该文采用红外检测技术,设计了一种对射式传感器,研制了配套播种质量监测系统,并进行了田间播种作业试验研究。该监测系统由多路传感器、监控终端、播种传动传感器组成,结构合理,安装方便,对播种过程出现的堵塞、漏播、缺种等现象,可发出声光报警信号,及时指示故障的位置。田间试验中监测数据与实际测量对比结果表明:该监测系统能够适应田间工作环境,播种质量监测准确率可达95%以上,能够解决人工难以实时监测播种质量的问题,可避免漏播断条现象发生,提高播种机的工作效率和播种质量。     

自动挡雨预警推送蒸发器手机在线控制装置研制

为消除蒸发器水面蒸发量检测过程中因天然降雨对检测结果的不利影响。在脉冲式蒸发器水面蒸发量手机在线检测装置基础上增加了自动挡雨装置和天气预警及其挡雨装置是否正常运转的推送功能。该装置通过个推软件工具开发包实现了预警推送功能,并采用雨水传感器感应板输出的电信号变化感知是否出现降雨情况,实现了挡雨盖遮挡和移除的智能控制。结果表明:1)装置运行可靠,60次试验中,挡雨盖完全遮挡和回到初始位置、挡雨和移除挡雨盖成功后,收到反馈消息的成功率均为98.3%;2)装置运行稳定,支撑杆转动的理论角度与实测角度的绝对误差范围为1.6°～3.5°,最大相对误差为4.1%,最小相对误差为1.9%。田间试验结果表明,该装置适应性较强,性能良好,支撑杆转动的理论角度与实测角度的最大绝对误差为3.4°。可见,该装置不仅通过降雨感知进行挡雨,而且可以通过手机在线控制,查看降雨天气预警、挡雨盖完全遮挡蒸发器和回到初始位置是否成功的推送消息,提高了蒸发器挡雨操作的智能化水平,解决了蒸发器蒸发量检测过程中因降雨造成检测失败的突出问题。该研究为智能挡雨和消息推送技术在农业智能设备研发中的应用提供了新思路。     

基于无线信号传输的喷头水量分布测试系统

现有喷头水量分布测试中存在雨量筒移动难,雨量传感器寿命低,水量分布软件无法展现水量分布图全貌的问题。该文提出了一套基于无线信号传输的喷头水量分布测试系统的解决方案。该系统采用Zig Bee无线技术和霍尔无触点开关改进了传统的双翻斗雨量筒。试验时按照水量分布测试要求将雨量筒以方格或径向布置在整个试验场,每个雨量筒都被编号并作为终端设备于整个网络中发送雨量信号,信号经路由器转送给Zig Bee协调器节点接收数据,最后通过串口由上位机接收。上位机采用Matlab的GUI编写水量分布测试软件,可以实时接收并绘图,计算相关参数、调整水量分布图观察角度和预测组合喷头喷洒情况。通过雨量筒试验,测试了雨量筒的精度和接收灵敏度,雨量筒精度误差不超过0.1 mm/h,接收无遗漏。最后该文对S800型喷头进行了水量分布测试并计算相关参数和绘制水量分布图,测试表明该文的喷头水量分布测试系统满足试验需求。     

作物茎秆膨胀收缩监测柔性可穿戴传感器研制与试验

作物茎秆膨胀和收缩变化与其水分状态密切相关,实时监测茎秆的膨胀和收缩变化能够及时掌握作物水分状态,对指导灌溉、提高农业水资源利用率具有重要意义。目前,对于作物茎秆膨胀和收缩变化的监测主要采用基于线性微位移测量原理的传感器,通过测量茎秆的膨胀和收缩引起的位移变化来反映水分状态,存在体积大、价格高、安装不便等问题。为此,该研究提出了一种基于压阻效应的柔性可穿戴传感器,采用柔性压力电极作为传感元件,贴附在作物茎秆表面,通过监测茎秆膨胀和收缩引起的压力变化来反映作物的水分状态,压力检测电路和数据采集电路将作物茎秆的压力信号转换成电信号进行输出和存储。首先在实验室环境下对传感器性能进行测试和标定,然后在温室环境下将传感器安装在番茄茎秆上观测番茄茎秆的压力变化,并与线性微位移传感器观测结果进行比较,最后在充分灌溉和水分亏缺2种条件下观测番茄茎秆的膨胀和收缩变化。结果表明,柔性压力传感器稳定性测试的平均相对变化率为0.109%;弯折前后引起的输出变化非常小,可以忽略不计;标定结果的决定系数大于0.99,最合适的工作压力范围为2～100 kPa;实验室环境下,柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值之间的决定系数为0.9551;温室环境下,充分灌溉组中柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值变化趋势一致,两者之间的决定系数为0.7672,亏缺灌溉组中两类传感器输出值均因水分亏缺而呈现下降趋势,输出值之间的决定系数为0.8519。本文所设计的柔性可穿戴压力传感器不仅能够实时监测番茄茎秆的膨胀和收缩变化,还可以对番茄亏水胁迫进行诊断,为实现高效节水灌溉提供重要的技术支撑。     

太阳能供电的土壤剖面水分动态原位自动监测系统的研制

目前,商业化的土壤水分传感器在野外观测土壤剖面含水率时仍然存在测量深度不可调节、多传感器探头之间的互换误差、野外长期监测供电困难、成本较高等问题。为此,该研究设计并研制了一种太阳能供电的可实现野外长期工作的介电管式土壤剖面水分原位自动监测系统。该系统组成包括:传感器模块、主控模块、太阳能供电模块和参数设置软件。测量时,先将PVC管垂直安装至待测土壤中,安装过程不扰动土壤结构,主控与存储模块控制土壤含水率传感器在PVC管中上下移动测量土壤含水率,并同步记录土壤深度。此外,该系统可以根据实际需求通过PC机参数设置软件进行灵活设定测量参数(传感器测量深度、测量深度间隔和测量周期)。针对该系统的性能与测量精度开展了相关测试与观测试验,功耗测试结果表明该系统待机功率为0.35 W,工作功率为1.4 W,太阳能电池板最大输出功率为5W,太阳能电池板和锂电池配合供电的情况下能实现长时间续航;土壤含水率传感器在砂土和粉壤土中的标定试验表明:该系统测量结果与实际土壤体积含水率高度吻合,标定曲线决定系数R~2均大于0.99;经过校正后,该系统探头深度定位的标准偏差在0.2 cm以内。在两种质地土壤的滴灌试验结果表明:该系统分别在6和15 mL/min两种滴水速率下均能准确获取土壤剖面含水率的动态变化过程,为观测作物生长状态和根区水分变化、制定合理的灌溉策略以及研究并检验土壤入渗水动态模型提供了可靠的技术支持和保障。     

基于无线传感网的荔枝园智能节水灌溉双向通信和控制系统

为提高水资源利用率和灌溉智能化管理的需要,设计了以无线传感器网络技术为核心的荔枝园节水灌溉控制系统,该系统的无线通信模块选择CC2530模块,传感器模块包括空气温湿度传感器DHT22,光照强度传感器GY-30,土壤水分含量传感器TDR-3以及一些外围电路,精确采集荔枝园温度、湿度、光照度和土壤含水率等多项环境信息,通过无线传感器网络、通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service,GPRS)和互联网进行数据的传输,保证了传输的实时性和远程性,实现了对荔枝园环境的实时监控;同时,远程服务器和网站上都对荔枝园的土壤含水率的阈值进行了设定,当土壤含水率的值超过了阈值,服务器或者网站就会自动发送相关命令对相应的电磁阀进行控制,实现双向控制。分析、测试了系统的功耗和通信距离,在空旷地带,节点的双向有效通信距离达1 205 m,在荔枝园中双向有效通信距离达81.5 m。在传感器节点系统工作周期为30 min情况下,根据试验结果估算出,两节额定容量为3 000 m A·h的3.7 V锂电池串联可使传感器节点持续工作时间最大为500 d,可使电磁阀控制节点工作5 a以上。试验结果表明,该系统运行稳定,网络平均丢包率为3.87%,能够准确监测荔枝园信息采集和控制电磁阀工作,实现和控制荔枝园智能节水灌溉双向通信。     

智慧农业水田作物网络化精准灌溉系统设计

传统水田粗放型灌溉不仅对作物生长带来不利影响,而且不能够充分利用自然降水,在很大程度上造成了水资源的浪费。该研究设计了基于智慧农业技术的网络化水田作物精准灌溉系统。建立了通信节点最优部署模型、作物耗水预测模型、降水预测模型、最优化灌溉决策模型以及基于模糊控制理论的精准灌溉决策系统;提出了基于维诺图改进的飞蛾扑火优化算法（Voronoi Moth Flame Optimization,VI-MFO）的灌溉网络通信节点优化部署方法,以提升灌溉网络通信效率并降低通信能耗;最后,将水田状态信息及气象参数作为精准灌溉决策系统输入,经过系统决策,自适应控制水田灌溉设备进行精准灌溉。对江苏地区水稻田进行仿真,结果表明,所提出的智能灌溉系统与传统非智能决策系统相比,灌溉设备动作频次降低26.67%,灌溉量减少40.82%,排水量减少33.89%。所提出的智能灌溉决策系统节约了水资源。     

基于太阳能的柑桔园自动灌溉与土壤含水率监测系统研制

为实现柑桔园的节水节能自动灌溉与土壤含水率的监测,以太阳能为主要能源,用土壤水分传感器实时监测土壤含水率,利用CAN(controller area network)总线与GSM(global system for mobile communications)网络实现土壤含水率的远程监测。利用太阳能电池对锂电池充电,采用双锂电池结构,提高了系统供电稳定性,且将充电与放电过程完全分离,延长了锂电池寿命。土壤水分传感器每12h测量一次土壤含水率,当其低于设定的阈值时,自动打开电磁阀进行灌溉,当高于设定值时停止灌溉。在666.7m2内的土壤含水率数据利用CAN总线传输至主节点,各主节点通过短消息将数据发送至终端计算机。将桔园土壤含水率低于10%,高于20%作为系统开始自动灌溉和停止灌溉指标,且传感器距滴管外50mm时,则水分输运到柑桔根系集中区域所需滴灌时间约为6.7h。试验表明,系统运行稳定可靠,能实现柑桔园区的自动灌溉与土壤含水率的自动监测,对实现节水节能灌溉有较大的现实意义。     

基于太阳能的微灌系统恒压供水自动控制装置研制

微灌系统入口水压的稳定性影响着微灌的均匀性以及自动混肥装置的混肥精度。为采用自流滴灌的中小规模灌溉管网提供恒定的入口水压,采用太阳能供电驱动隔膜泵DP-60提水的方式,研制了一个恒压供水自动控制装置。该装置利用液位传感器YZ-YO-LAG1在线检测建设于高处的蓄水池的水位,根据水位信息控制DP-60提水至蓄水中,并使其水位在滴灌过程中维持于某一固定高度来实现恒压供水。蓄水池的水位检测信息及DP-60的启停通过无线通信模块CC1100进行无线传输和控制。通过光伏容量设计,确定了太阳能电池板的功率为60W、蓄电池的容量为60A·h。为最大程度利用太阳能,通过试验标定了太阳能板输出功率与太阳辐射传感器TSL230输出频率的关系,并根据太阳能板实际输出功率和蓄电池荷电状态,自动选择直接以太阳能板或蓄电池为DP-60供电。在测试DP-60性能以及无线通信可靠性的基础上,对装置进行了6个多月的实际应用试验,装置运行稳定,且在整个滴灌过程中蓄水池的水位误差小于1cm。