CN108469403A - 一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统及方法，该系统由数据处理模块、数据采集器、温度传感器、空间叉指式电容传感器、通讯模块、定位模块、电源模块和控制端等部分组成。本发明提供了一种具有三维结构的空间叉指式电容传感器，其能够输出与雾滴沉积量成正比的电压数据，并提供了一种雾滴沉积量参数检测的具体方法和步骤，雾滴沉积量在线检测系统的数据处理模块通过数据采集器获取并处理空间叉指式电容传感器输出的电压数据，并经由通讯模块传输至控制端。该检测系统及方法具有在线检测植保机械喷雾作业雾滴沉积量参数的功能，同时具有适应性强、响应快、检测精度高等优点，为植保机械喷雾作业的调控提供可靠的依据。
Description
技术领域
本发明属于智能化机械领域，具体是一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统及方法，即结合无线传感器网络技术与雾滴沉积量传感器，从而实时检测雾滴沉积量数据。
背景技术
随着智能化精准农业技术的研究发展，精准施药技术已经广泛应用于农作物病虫害防止。在大田、森林、果园等环境的喷雾作业中，药液在植株表面的沉积特性直接影响到病虫害的防治效果。雾滴沉积效果的测量一般通过传统检测方法如水敏纸、器皿采样等完成，从而实现对喷雾效果的衡量。
目前，雾滴沉积量的测量方法有着色法、洗脱法、水敏纸法、集槽法和图像处理方法等。近年来，部分研究者将水敏纸检测方法与图像处理技术相结合，主要工作步骤是：先将水敏纸贴附于植株的叶面的正反面，然后在进行喷雾作业后，收集水敏纸，利用图像处理方法对沉积在水敏纸上的雾滴进行分析计算。但是该方法存在测量成本高，布置速度慢，对雾滴运动干扰大等问题。而且Fox等(2003)研究比较了基于水敏纸的图像处理和视觉两种检测方法，对比结果表明当雾滴覆盖率大于40％时，测量结果不可取。
公告号CN106442235A的专利文献公开了一种农药雾滴沉积与蒸发检测装置及方法；该检测装置包括：共平面插指式电容器、高频振荡器、信号瞬时周期检测模块和数据处理模块。该农药雾滴沉积与蒸发检测装置的检测方法：利用高频振荡器跟踪共平面插指式电容器并输出频率可变的高频振荡信号，通过信号瞬时周期检测模块进行采集并发送给数据处理模块进行处理。相对于上述专利，本发明设计并采用一种适应性强、响应快、精度高的新型空间叉指式电容传感器，能够获取精度更高的雾滴沉积量数据；并且本发明提供的基准电压、环境温度、以及雾滴沉积量检测方法能够消除不同雾滴粒径、不同药液剂型以及环境温度造成的影响。
公告号CN104596567A的专利文献公开了一种药液地面沉积均一性测量方法及系统。该测量系统通过将传感器节点设备与自组网无线传感器网络相结合，实现对喷洒区域内药液雾滴沉积量的自动实时采集，并通过计算机对雾滴沉积量的统计分析得到喷洒区域药液沉积均一性的评价；但是该专利并没有提供详细的雾滴沉积感应传感器结构设计方案。本发明设计了一种适应性强、响应快、精度高的空间叉指式电容传感器，能够获取精度更高的雾滴沉积量数据；并提供了具体的基准电压、环境温度、以及雾滴沉积量检测办法。
小型喷雾植保机具作业的方式日益发展，而上述几种雾滴沉积量测量方法存在操作繁琐、工作量大、不能实时检测等缺点，同时也会受到各种外界环境因素的影响，最终导致测量结果存在很大误差。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统及方法，即结合雾滴沉积量传感器和无线传感器网络技术完成数据的采集；设计并采用一种适应性强、响应快、精度高的新型空间叉指式电容传感器，实现了不受外界因素影响的高精度雾滴沉积量在线检测。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其包括温度传感器、空间叉指式电容传感器、数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块、控制端及电源模块；所述温度传感器和空间叉指式电容传感器用于检测环境温度以及喷雾作业时雾滴沉积量；所述数据采集器用于获取空间叉指式电容传感器输出的电压信号，同时为空间叉指式电容传感器提供激励电压；所述运算放大模块用于对空间叉指式电容传感器所采集的电压数据进行放大处理；所述定位模块用于检测所述雾滴沉积量在线检测系统的位置信息；所述数据处理模块用于处理空间叉指式电容传感器所输出的电压信号，从而得到雾滴沉积量数据；所述功率放大模块用于对传输的数据进行放大处理；所述通讯模块用于完成数据的发送与接收；所述控制端用于向数据处理模块发送指令；所述电源模块用于为数据处理模块提供电源；所述温度传感器、定位模块、电源模块直接与数据处理模块连接；空间叉指式电容传感器通过数据采集器和运算放大模块与数据处理模块相连接；通讯模块通过功率放大模块与数据处理模块连接。
所述空间叉指式电容传感器能够根据叉指电容间介质的变化，即电导率的变化，从而输出与沉积在该传感器上的雾滴沉积量成正比的电压信号。在喷雾作业前后，空间叉指式电容传感器电容分别为空气和气液混合体，从而导致电容间的电导率增大，输出的电压值随之增大，从而输出与雾滴沉积量成正比的电压数据。
所述空间叉指式电容传感器包括高电位总线、低电位侧边总线、叉指电极、基底以及钝化层；所述高电位总线、低电位侧边总线和叉指电极采用不同尺寸的铜导线组成，其中高电位总线位于传感器中心线上，两个低电位侧边总线分别位于与中心线平行的传感器的两侧，叉指电极分布在高电位总线和低电位侧边总线之间，分别与高电位总线和低电位侧边总线相连；所述基底位于叉指电极的底部，起到对叉指电极的支撑作用，该基底采用绝缘材料：例如尼龙材料或聚丙烯材料，这两种材料均具有质轻、耐磨及较好的耐腐蚀性等优点；所述钝化层均匀地覆盖在叉指电极表面，该钝化层采用二氧化硅材料，所述二氧化硅材料能够有效地保护叉指电极不被农药腐蚀、破坏，以增加该传感器的使用寿命。
所述空间叉指式电容传感器形状为矩形，且所述传感器的长L为60～80mm之间，宽W为40～60mm之间，其中L:W为1.1至1.5之间；所述高电位总线高度HZ大于低电位侧边总线11的高度HL，其中HZ为0.3至0.8mm之间，HL为0.2至0.8mm之间，且HZ:HL为1.1至1.3之间。所述传感器的基底底面被叉指电极完全填充，叉指电极的边线相互平行，且其中心线与高电位总线和低电位侧边总线垂直，增大空间叉指式电容传感器的电容密度；相邻叉指电极之间的间距Lt＝(0.5～0.6)D50，其中D50为喷雾雾滴的体积中径，且当D50>0.8mm时，Lt取(0.5～0.6)X(D50＝0.8mm)；该尺寸范围的空间叉指式电容传感器相对其他叉指式电容传感器拥有高精度、响应快、适用性强等优点。
所述温度传感器、空间叉指式电容传感器、数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块以及电源模块组成无线传感器网络节点，并将传感器网络节点分为两部分：传感器模块和系统控制模块，其中传感器模块包括空间叉指式电容传感器和温度传感器，系统模块包括数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块以及电源模块，并将系统控制模块进行密闭封装，将其与外界隔离开，构成系统封装盒。所述传感器节点在田间的安装方式为：使用可伸缩支架将该传感器网络节点固定于田间；该可伸缩支架调节范围为0.3至1.2m之间，在系统封装盒的顶端设有支撑板，该支撑板具有密集的防积水圆孔；将系统封装盒固定于可伸缩直接的顶端，空间叉指式电容传感器和温度传感器置于支撑板的上方，并且空间叉指式电容传感器表面与地面平行，并且保证其不被其他植株叶面遮盖。所述支撑板设有密集防积水圆孔，能够有效的避免药液在检测平台上的沉积，从而保证雾滴沉积量测量结果的准确性和绝对性。
所述数据处理模块是通过雾滴沉积量检测方法、基准电压检测方法以及环境温度检测方法对雾滴沉积量、基准电压以及环境温度进行测量，并对雾滴沉积量数据进行分析处理，消除药液剂型、雾滴粒径、环境温度的影响，从而提高空间叉指式电容传感器的检测精度，获得更加准确的雾滴沉积量数据，能够为植保机械喷雾作业的调控提供可靠、精准的依据。
附图说明
图1为本发明一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统的整体结构框图。
图2为本发明空间叉指式电容传感器装置结构图。
图3为本发明实际工作时的田间布置线图。
图4为本发明实际工作时的田间布置三维图。
图1中：1、温度传感器；2、空间叉指式电容传感器；3、数据采集器；4、运算放大模块；5、定位模块；6、数据处理模块；7、功率放大模块；8、通讯模块；9、控制端；10、电源模块。
图2中：11、低电位侧边总线；12、高电位总线；13、叉指电极；14、基底；15、钝化层。
图3中：16、系统封装盒；17、支撑板；18、防积水圆孔；19、可伸缩支架。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案和装置结构进行清楚、完整地描述：
如图1所示，为本发明一实施例提供的植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统结构示意图，该系统结合无线传感器网络技术与雾滴沉积量传感器，完成数据的采集和处理。所述系统包括温度传感器1、空间叉指式电容传感器2、数据采集器3、运算放大模块4、定位模块5、数据处理模块6、功率放大模块7、通讯模块8、控制端9及电源模块10。所述温度传感器1、定位模块5、电源模块10直接与数据处理模块6连接；空间叉指式电容传感器2通过数据采集器3和运算放大模块4与数据处理模块6相连接；通讯模块8通过功率放大模块7与数据处理模块6连接。
并且温度传感器1、空间叉指式电容传感器2、数据采集器3、运算放大模块4、定位模块5、数据处理模块6、功率放大模块7、通讯模块8以及电源模块10组成了无线传感器网络节点。所述传感器节点主要用来检测田间及所述节点的信息数据，所述数据包括：空气温度、节点的位置信息、雾滴沉积量信息，并将所述的数据以多跳的传输方式发送给控制端9。
数据汇集节点主要是用来接收各个传感器节点所传输的数据信息，并对数据信息进行“打包”处理，并将打包后的数据发送至所述控制端9。
所述控制端9是用来对各节点数据进行分析处理，将处理好的数据反馈给用户，进而使用户了解喷雾作业质量，同时对下一步的作业提供参考。
本发明—植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统的检测方法及检测步骤：在进行喷雾作业时，由控制端9向数据处理模块6发送“工作1”指令，数据处理模块6通过数据采集器3获取空间叉指式电容传感器2输出的电压数据，采样周期为T，其中T为10至20ms之间；
在采样时长T0(0.4s～1s)时间内获取的电压数据生成数组D1，并计算数组D1的变异系数进行比较；若CVD1≤0.15，则数据处理模块6完成数组D1和基准电压值的差值运算，得到数组M1＝{M11；M12；······M1N}，然后通过通讯模块8将数组M1发送至控制端9，作为本次喷雾作业的雾滴沉积量数值；若CVD1>0.15，则数据处理模块重新获取一组数据；若连续三组数据的CV都小于0.15，则比较CVD1、CVD2及CVD3的大小；取CVmin所对应的数组Dmin作为最终电压数据，然后求出数组Dmin和基准电压值的差值，得到数组Mmin，然后通过通讯模块8将数组Mmin发送至控制端9，作为本次喷雾作业的雾滴沉积量数值。
本发明主要是利用一种基于叉指电极制备的能够输出与雾滴沉积量成正比的电压信号的空间叉指式电容传感器2(如图2所示)完成对雾滴沉积量的采集。该传感器的工作步骤为：在喷雾作业开始前，空间叉指式电容传感器2内部电容之间的介质为空气；当雾滴沉积在空间叉指式电容传感器2表面上时，电容之间介质的介电常数以及电导率发生了变化，从而导致传感器的输出电压发生改变，此时电压差值所对应的就是沉积在该传感器上的雾滴沉积量。
本发明在田间的安装方式如图3、图4所示：使用可伸缩支架19将传感器网络节点固定于田间；该可伸缩支架19调节范围为0.3至1.2m之间，在系统封装盒16的顶端设有1mm厚的支撑板17，该支撑板17具有密集的防积水圆孔18；将系统封装封装盒固定于可伸缩直接的顶端，空间叉指式电容传感器2、温度传感器1置于支撑板17的上方，并且空间叉指式电容传感器2表面与地面平行，并且保证其不被其他植株叶面遮盖。
雾滴沉积量在线检测系统的工作原理：当植保机械进行喷雾作业时，细小的雾滴沉积在空间叉指式电容传感器2的表面，由于电容两极板之间介质的变化(空气-药液)导致其电导率和介电常数发生改变，从而其输出响应的电压值。经过运放电路及数据采集器3的滤波放大处理传送给数据处理模块6，从而得出精确的雾滴沉积量。最后由通讯模块8进行信号的传输，控制端将会接到不同编号(即对应不同区域)的雾滴沉积量的数值。
Claims (9)
1.一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：其包括温度传感器、空间叉指式电容传感器、数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块、控制端及电源模块；所述温度传感器和空间叉指式电容传感器用于检测环境温度以及喷雾作业时雾滴沉积量；所述数据采集器用于获取空间叉指式电容传感器输出的电压信号，同时为空间叉指式电容传感器提供激励电压；所述运算放大模块用于对空间叉指式电容传感器所采集的电压数据进行放大处理；所述定位模块用于检测所述雾滴沉积量在线检测系统的位置信息；所述数据处理模块用于处理空间叉指式电容传感器所输出的电压信号，从而得到雾滴沉积量数据；所述功率放大模块用于对传输的数据进行放大处理；所述通讯模块用于完成数据的发送与接收；所述控制端用于向数据处理模块发送指令；所述电源模块用于为数据处理模块提供电源；所述温度传感器、定位模块、电源模块直接与数据处理模块连接；空间叉指式电容传感器通过数据采集器和运算放大模块与数据处理模块相连接；通讯模块通过功率放大模块与数据处理模块连接。
2.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：所述空间叉指式电容传感器能够根据叉指电容间介质的变化，即电导率的变化，从而输出与沉积在该传感器上的雾滴沉积量成正比的电压信号；在喷雾作业前后，空间叉指式电容传感器电容分别为空气和气液混合体，从而导致电容间的电导率增大，输出的电压值随之增大，从而输出与雾滴沉积量成正比的电压数据。
3.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：所述空间叉指式电容传感器包括高电位总线、低电位侧边总线、叉指电极、基底以及钝化层；所述高电位总线、低电位侧边总线和叉指电极采用不同尺寸的铜导线组成，其中高电位总线位于传感器中心线上，两个低电位侧边总线分别位于与中心线平行的传感器的两侧，叉指电极分布在高电位总线和低电位侧边总线之间，分别与高电位总线和低电位侧边总线相连；所述基底位于叉指电极的底部，起到对叉指电极的支撑作用，该基底采用绝缘材料；所述钝化层均匀地覆盖在叉指电极表面，该钝化层采用二氧化硅材料，所述二氧化硅材料能够有效地保护叉指电极不被农药腐蚀、破坏，以增加该传感器的使用寿命。
4.如权利要求3所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：所述空间叉指式电容传感器形状为矩形，且所述传感器的长L为60～80mm之间，宽W为40～60mm之间，其中L:W为1.1至1.5之间；所述高电位总线高度HZ大于低电位侧边总线11的高度HL，其中HZ为0.3至0.8mm之间，HL为0.2至0.8mm之间，且HZ:HL为1.1至1.3之间；所述传感器的基底底面被叉指电极13完全填充，叉指电极的边线相互平行，且其中心线与高电位总线和低电位侧边总线垂直，增大空间叉指式电容传感器的电容密度；相邻叉指电极之间的间距Lt＝(0.5～0.6)D50，其中D50为喷雾雾滴的体积中径，且当D50>0.8mm时，Lt取(0.5～0.6)X(D50＝0.8mm)。
5.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：所述温度传感器、空间叉指式电容传感器、数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块以及电源模块组成无线传感器网络节点，并将传感器网络节点分为两部分：传感器模块和系统控制模块，其中传感器模块包括空间叉指式电容传感器和温度传感器，系统模块包括数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块以及电源模块，并将系统控制模块进行密闭封装，将其与外界隔离开，构成系统封装盒；所述传感器节点在田间的安装方式为：使用可伸缩支架将该传感器网络节点固定于田间；该可伸缩支架调节范围为0.3至1.2m之间，在系统封装盒的顶端设有支撑板，该支撑板具有密集的防积水圆孔；将系统封装盒固定于可伸缩直接的顶端，空间叉指式电容传感器和温度传感器置于支撑板的上方，并且空间叉指式电容传感器表面与地面平行，并且保证其不被其他植株叶面遮盖。所述支撑板设有密集防积水圆孔，能够有效的避免药液在检测平台上的沉积，从而保证雾滴沉积量测量结果的准确性和绝对性。
6.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：所述数据处理模块是通过雾滴沉积量检测方法、基准电压检测方法以及环境温度检测方法对雾滴沉积量、基准电压以及环境温度进行测量，并对雾滴沉积量数据进行分析处理，消除药液剂型、雾滴粒径、环境温度的影响，从而提高空间叉指式电容传感器的检测精度，获得更加准确的雾滴沉积量数据，能够为植保机械喷雾作业的调控提供可靠、精准的依据。
7.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于，所述雾滴沉积量检测方法包括以下步骤：
在进行喷雾作业时，由控制端向数据处理模块发送“工作1”指令，数据处理模块通过数据采集器获取空间叉指式电容传感器输出的电压数据，采样周期为T，其中T为10ms至20ms之间；
在采样时长T0(0.4s～1s)时间内获取的电压数据生成数组D1＝{D11；D12；D13；······D1N}，并计算数组D1的变异系数其中：
若CVD1≤0.15，则数据处理模块完成数组D1和基准电压值的差值运算，得到数组M1＝{M11；M12；······M1N}，然后通过通讯模块将数组M1发送至控制端9，作为本次喷雾作业的雾滴沉积量数值；
若CVD1>0.15，则按照采样周期T和采样时长T0重新获取一组电压数据形成新数组D2＝{D21；D22；D23；······D2N}，并计算数组D2的变异系数其中：
若CVD2≤0.15，则数据处理模块完成数组D2和基准电压值的差值运算，得到数组M2＝{M21；M22；······M2N}，然后通过通讯模块将数组M2发送至控制端，作为本次喷雾作业的雾滴沉积量数值；
若CVD2>0.15，则按照采样周期T和采样时长T0重新获取一组电压数据形成新数组D3＝{D31；D32；D33；······D3N}，并计算数组D3的变异系数其中：
若CVD3≤0.15，则数据处理模块完成数组D3和基准电压值的差值运算，得到数组M3＝{M31；M32；······M3N}，然后通过通讯模块将数组M3发送至控制端，作为本次喷雾作业的雾滴沉积量数值；
若CVD3>0.15，则数据处理模块停止采样，并比较CVD1、CVD2及CVD3的数值，取CVmin所对应的数组Dmin作为最终电压数据，然后求出数组Dmin和基准电压值的差值，得到数组Mmin，然后通过通讯模块将数组Mmin发送至控制端，作为本次喷雾作业的雾滴沉积量数值。
8.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于，所述基准电压值的检测方法包括以下步骤：
喷雾作业前，当控制端向数据处理模块发送“工作2”指令时，数据处理模块开始通过数据采集器获取电压数据，采用周期为T；
在采样时长T1(0.8s～2s)时间内获取的电压数据生成数组S＝{S1；S2；······Sn}，然后计算数组S的平均值并通过通讯模块将数组S的平均值发送至控制端，作为雾滴沉积量检测的标准电压。
9.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于，所述环境温度的检测方法包括以下步骤：
当控制端向数据处理模块发送“工作2”指令时，数据处理模块同时采集温度传感器1所输出的环境温度数据，采样周期为T；
在采样时长T1时间段内获取的温度数据生成数组Te0＝{Te01；Te02；······Te0n}；然后计算数组Te0的平均值并通过通讯模块8将数组Te0的平均值发送至控制端，作为喷雾作业前的环境温度参数；
当控制端向数据处理模块发送“工作1”指令时，数据处理模块同时采集温度传感器所输出的环境温度数据，采样周期为T；
在采样时长T1时间段内获取的温度数据生成数组Te1＝{Te11；Te11；······Te1n}；然后计算数组Te1的平均值并通过通讯模块8将数组Te1的平均值发送至控制端，作为喷雾作业后的环境温度参数。
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