基于神经网络预测的无线传感器网络田间射频信号路径损耗

为解决应用无线传感器网络技术监测农田信息时无法快速预测射频信号路径损耗的问题,基于神经网络理论研究了田间路径损耗与其影响因素间的关系。试验中选取915和2 470 MHz 2个载波频率,在冬小麦的不同生长阶段测量射频信号在田间各影响因素作用下的路径损耗,建立和验证基于神经网络的射频信号田间路径损耗预测模型。所建立模型模拟值与实测值的相关系数为0.92,应用建立的神经网络预测田间射频信号路径损耗并与实测值对比,最大预测误差绝对值为4.186 dB,最大预测标准差为2.759 dB,预测准确度为94.2%。所建立的BP网络可以对田间射频信号路径损耗进行预测。     

山地果园单轨运输机超声波避障系统的设计与试验

为避免山地果园单轨运输机运行时碰到前方穿越的移动物体或轨道上的静止障碍物,提高运输机工作的安全性和稳定性,研制了山地果园单轨运输机超声波避障系统。该系统由核心微处理器、超声波探头及收发电路、电源模块、无线通信模块和按键等组成。以规则物块、不规则小石块等作为轨道上的障碍物,以树枝、侧枝较多的盆栽柑橘树作为轨道旁的非障碍物,将超声波探头安装在3个不同位置,使运输机工作在慢、中、快3个不同的速度,测试了避障系统的工作性能。试验结果表明,在一定条件下,避障系统能识别轨道上的障碍物和轨道旁的非障碍物。该研究提升了单轨运输机在轨道上无人驾驶运行的安全性和可靠性。     

文丘里施肥器控制性能试验分析

在水肥一体化滴灌设施中,为优选文丘里施肥器的最佳控制方式,以规格为32mm的并联式文丘里施肥器为对象,在文丘里施肥器的进水口、出水口和与水管的并联连接处3个位置安装球阀调节压差进行试验。试验结果表明,在进水口处调节压差,肥液质量分数低于13％时不能调节;在与水管的并联连接处调节压差,可实现对肥液质量分数的调节,但当压差...     

肥液氮素浓度在线检测装置研制

为实现肥液自动混合过程中氮素浓度的实时检测,设计了一个检测装置,该装置主要由硝酸根离子选择电极、电极信号调理电路、温度传感器、数据采集以及显示电路组成。在10-6~10-1 mol/L范围内配制了一系列标准浓度的NO3-溶液,对该检测装置进行了性能测试试验:1)以标准毫伏计PHS-3CT作为对比,测试了装置对电极响应电势的测量准确性,其相对误差最大为5.2%;2)在5~45℃范围内,分析了离子选择电极的温度变异性,结果表明电极响应电势随着待测溶液温度升高而呈线性变化,在此基础上采用最小二乘法的逐步拟合方法建立了温度参数模型,并对模型进行了验证,其测量误差最大为9.2%;3)采用固定干扰法分析了Cl-、SO42-、H2PO4-和HPO42-等4种干扰离子对装置测量结果的影响,结果表明Cl-引起的干扰最大,电极对Cl-的敏感性是NO3-的0.2%,因而肥液中少量的干扰离子对测量结果的影响不大。因此,该装置可满足工程上自动混肥过程中氮素浓度检测的应用要求。     

采用改进YoloV4模型检测复杂环境下马铃薯

为解决马铃薯联合收获机在作业过程中分级清选的问题,并在收获作业过程中实时监测评估收获状态,该研究提出一种在光照亮度变化大、土壤与薯块遮挡、机器振动以及尘土干扰等情况下对马玲薯进行识别检测并快速准确获取马铃薯数量以及损伤情况的机器学习模型。在卷积神经残差网络中引入轻量级注意力机制,改进YoloV4检测网络,并将YoloV4结构中的CSP-Darknet53网络替换为MobilenetV3网络,完成特征提取。试验结果表明,基于卷积神经网络的深度学习方法相比于传统Open-CV识别提高了马铃薯识别精度,相比于其他传统机器学习模型,MobilenetV3-YoloV4识别速度更快,马铃薯识别的全类平均准确率达到91.4%,在嵌入式设备上的传输速度为23.01帧/s,模型鲁棒性强,能够在各种环境下完成对正常马铃薯和机械损伤马铃薯的目标检测,可为马铃薯联合收获机智能清选以及智能收获提供技术支撑。     

山地橘园低功耗自动提水无线控制系统设计

为提高无电力供应的小规模山地橘园水源供应管理效率,研制了一种基于无线通信的低功耗自动提水系统。该系统由主从控制器2个部分组成,主控制器控制直流隔膜泵向山顶蓄水池提水,从控制器用于检测山顶蓄水池的水位;两控制器之间通过无线通信模块CC1101进行通信。测试了主从控制器工作在各个阶段的电流,由此估算出主从控制器运行1d的耗电量分别为8576.3mA.h和2.2 mA.h,65 A.h的铅酸蓄电池在满荷电状态下可以为装置提供7d连续阴雨天气的续航能力。系统通信成功率为100%,最长通信时间为12s,95%的通信可在6s内完成,且蓄水池水位检测误差不超过0.8cm。     

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。     

基于模糊控制的肥液自动混合装置设计与试验

为提高混肥精度,该文在基于脉宽调制的文丘里变量施肥装置的基础上,对其结构进行了改进,并利用电导电极设计了一个电导率测量仪用以实时反馈肥液浓度,使之构成一个闭环控制的自动混肥装置。该装置采用粗细2级调节的控制策略,首先根据检测的入口水压调用对应的函数关系,自动调节电磁阀PWM（pulse width modulation）控制的占空比进行混肥;然后以电导率测量仪实时反馈混肥浓度,并采用模糊控制算法进一步细调PWM的占空比,使混肥浓度尽量逼近目标浓度。试验结果表明,电导率测量仪的有效测量范围为0~12.64 mS/cm,它所测量的电导率与肥液浓度呈显著的线性关系,其决定系数R2为0.997。对混肥装置进行了实测验证,结果表明混肥时的最大浓度误差为0.04%,控制装置达到稳态的响应时间为7.8～10.4 s,能满足实际应用的要求。     

基于脉宽调制的文丘里变量施肥装置设计与试验

为利用文丘里施肥器实现变量施肥,基于脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术设计了一种水肥一体化变量施肥装置,它主要由压力变送器、文丘里施肥器、脉冲电磁阀及控制器组成。通过改变PWM的占空比对脉冲电磁阀进行控制以改变文丘里施肥器进出口压力差,从而改变文丘里施肥器的吸肥量。以压力变送器检测管道入口压力,通过试验标定的方法将入口压力转化为相应的流量信息,从而获得施肥量和施肥质量分数。在多个入口压力水平下进行了试验,试验结果表明:电磁阀PWM控制的最佳频率为6 Hz;入口流量与入口压力呈线性正相关关系,决定系数为0.9936;施肥装置的最佳入口压力范围为0.15～0.25 MPa,在此压力范围内改变PWM的占空比对电磁阀进行控制,可实现施肥质量分数在1.25%～9.13%范围内可调。     

土柱入渗性能自动检测装置研制与试验

为实现室内竖直土柱入渗性能的自动检测,研制了一种土柱入渗性能自动检测装置。该装置主要由传感器位置调节装置、土样盛放装置、供水装置、检测和控制模块、电源模块和上位机显示存储模块组成,采用压力应变式传感器检测入渗过程的累积入渗量,采用介电常数土壤水分传感器检测土壤含水率的变化,进而推断湿润锋的运移位置。基于这2种传感器,实现土柱入渗过程自动检测。采用水头为10 mm,容重为1.15、1.20和1.25 g/cm~3的红壤土进行室内土柱入渗试验,检验该装置的性能。结果表明:1)9个试验和18个检测位置,土壤水分传感器进出土柱成功率为100%,表明该装置运行可靠;2)与烘干法相比,土壤水分传感器检测得到土壤含水率的最大相对误差为-4.4%,检测结果比较准确;3)与人工观测湿润锋位置相比,土壤水分传感器推算出的湿润锋位置最大相对误差为-12.9%,说明土壤水分传感器检测湿润锋的运移效果比较明显;4)压力应变式传感器检测累积入渗量与人工实测得到的数据对比,最大相对误差为2.27%。该装置可作为土柱入渗自动检测试验平台。