農(nóng)田無線土壤壓力傳感器及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與開發(fā).pdf

1、伴隨著國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，農(nóng)田土壤機(jī)械化過度壓實(shí)已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問題，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。土壤應(yīng)力的變化是農(nóng)田土壤受壓實(shí)時(shí)的內(nèi)部表征。為了從應(yīng)力角度研究農(nóng)田土壤壓實(shí)的問題，需要利用土壓力傳感器從土壤壓實(shí)時(shí)的應(yīng)力分布上，深入了解土壤壓實(shí)的內(nèi)部原因。為了解決市場(chǎng)上一般土壓力傳感器結(jié)構(gòu)尺寸大，對(duì)土壤擾動(dòng)大的缺點(diǎn)，以及在監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤應(yīng)力分布上的不足，同時(shí)為了適應(yīng)農(nóng)田的土壤監(jiān)測(cè)深度淺、內(nèi)部應(yīng)力低的特性，文中自主設(shè)計(jì)并研制了無線氣壓式土

2、壓力傳感器，并緊隨現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展潮流，初步研發(fā)了一套的農(nóng)田土壤應(yīng)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期的功能。文中研究的具體內(nèi)容、結(jié)論如下:
　　(1)土壓力理論計(jì)算與匹配誤差分析
　　文中分別在土壤各向同性假設(shè)以及考慮土壓力傳感器嵌入到土壤中對(duì)土壤原位應(yīng)力場(chǎng)的干擾的條件下，理論的探討土壓力的計(jì)算以及土壓力傳感器與土壤的匹配誤差，同時(shí)為設(shè)計(jì)匹配誤差較小且穩(wěn)定的土壓力傳感器提供理論依據(jù)。
　　(2)無線氣壓式土壓力傳感器研制

3、　　文中采用氣壓式原理研制土壓力傳感器，采用了橡膠球殼體作為密封元件與土壓力的感測(cè)原件，將超低功耗nRF24LE1無線射頻芯片，BMP180氣壓芯片，可充電電池與無線充電線圈一起密封于橡膠球殼體內(nèi)部;當(dāng)土壤受到載荷的作用時(shí)導(dǎo)致橡膠球殼體發(fā)生變形，通過BMP180氣壓芯片來感測(cè)殼體內(nèi)部的壓力變化，進(jìn)而反映土壤的應(yīng)力大小。
　　(3)土壤參數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)
　　文中中的土壓力傳感器的工作介質(zhì)是土壤，因此為了獲得土壤參數(shù)的確定值，文中

4、以東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)地土壤為試驗(yàn)樣本，實(shí)施進(jìn)行了土壤烘干試驗(yàn)、土壤剪切試驗(yàn)、土壤篩分試驗(yàn)、土粒粒徑測(cè)定試驗(yàn)等，獲得了土壤的容重、含水率、粘聚力、內(nèi)摩擦角以及土壤級(jí)配、當(dāng)量粒徑等參數(shù)。
　　(4)無線氣壓式土壓力傳感器的試驗(yàn)研究
　　文中對(duì)無線氣壓式土壓力傳感器進(jìn)行氣壓標(biāo)定試驗(yàn)，按照預(yù)先討論的數(shù)據(jù)處理算法，采用Matlab擬合工具箱，對(duì)氣壓標(biāo)定試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到氣壓加載時(shí)的擬合函數(shù)為y1=464.30·x1，氣

5、壓卸載時(shí)的擬合函數(shù)為y2=444.90·x2;并進(jìn)行砂標(biāo)試驗(yàn)，對(duì)無線氣壓式土壓力傳感器的滯回環(huán)進(jìn)行分析，并獲取無線氣壓式土壓力傳感器及土壤介質(zhì)的彈性模量，探索無線氣壓式傳感器在測(cè)量農(nóng)田土壤壓力上的適用性。從試驗(yàn)結(jié)果分析來看，無線氣壓式土壓力傳感器氣標(biāo)擬合函數(shù)線性誤差小，但砂標(biāo)與氣標(biāo)相比，存在比較大的滯回環(huán)，在試驗(yàn)中表現(xiàn)得特性規(guī)律符合常規(guī)土壓力傳感器的試驗(yàn)特性;并通過對(duì)匹配誤差定性分析與定量分析得出，無線氣壓式土壓力傳感器與土壤的匹配誤差

6、趨于穩(wěn)定。從這個(gè)角度分析，文中設(shè)計(jì)的無線氣壓式土壓力傳感器可以滿足使用要求。
　　(5)農(nóng)田土壤應(yīng)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　文中在研制無線氣壓式土壓力傳感器的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，完成傳感器應(yīng)力采集端、傳輸端、管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其中傳感器應(yīng)力采集端、傳輸端完成表征土壤應(yīng)力的氣體壓力的采集、GPS地理位置的確定，短信收發(fā)與GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能;管理平臺(tái)以Matlab GUI為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的GPRS接收，