CN113330882A - 一种基于处方图的油菜变量施肥装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于处方图的油菜变量施肥装置及方法，装置包括：主控制器、测速模块、网络模块、定位模块、执行模块以及施肥器；测速模块、网络模块、定位模块以及执行模块分别与主控制器连接，执行模块与施肥器连接；主控制器用于根据基于处方图的油菜变量施肥装置的速度、位置以及位置的土地肥力情况输出控制信号以控制执行模块进行控制；主控制器为树莓派；测速模块用于测量基于处方图的油菜变量施肥装置的速度；定位模块用于测量基于处方图的油菜变量施肥装置的位置；网络模块用于获取位置的土地肥力情况；执行模块用于控制施肥器进行施肥；施肥器用于施肥。本发明具有可拓展性高、便携的特点。

Description

一种基于处方图的油菜变量施肥装置及方法

技术领域

本发明涉及变量施肥领域，特别是涉及一种基于处方图的油菜变量施肥装置及方法。

背景技术

油菜是中国重要油料作物，发展油菜产业对维护国家食用油安全供给具有战略性意义，变量施肥技术作为推进油菜产业快速发展的重要一环，其重要性可见一斑。变量施肥技术可实现排肥器根据土壤肥力及作物不同生长阶段的需肥情况按量施肥，变量施肥技术可显著提高肥料利用率、减少环境污染，在实现肥料减施、肥力高效利用的同时保证了作物产量和食品安全。现有的变量施肥技术以基于处方图施肥为主，现有的变量施肥系统通过车载终端将变量施肥控制器与上位机连接，车载终端通过局域网络将上位机的控制指令发送给变量施肥控制器，变量施肥控制器只起控制作用，上位机为电脑或者服务器，体积大，不方便移动，且上位机的功能有限，使整个变量施肥系统功能局限，体积庞大，因此，现有的变量施肥系统存在不便携、拓展性低的问题，同时尚无基于处方图的油菜变量施肥集成式系统的应用研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于处方图的油菜变量施肥装置及方法，以解决现有技术中的变量施肥系统便携性差、拓展性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于处方图的油菜变量施肥装置，包括：主控制器、测速模块、网络模块、定位模块、执行模块以及施肥器；

所述测速模块、所述网络模块、所述定位模块以及所述执行模块分别与所述主控制器连接，所述执行模块与所述施肥器连接；所述主控制器用于根据所述基于处方图的油菜变量施肥装置的速度、位置以及所述位置的土地肥力情况输出控制信号以控制所述执行模块进行控制；所述主控制器为树莓派；所述测速模块用于测量所述基于处方图的油菜变量施肥装置的速度；所述定位模块用于测量所述基于处方图的油菜变量施肥装置的位置；所述网络模块用于获取所述位置的土地肥力情况；所述执行模块用于控制施肥器进行施肥；所述施肥器用于施肥。

可选地，所述测速模块包括：测速雷达以及雷达返回信号调理单元；

所述测速雷达与所述雷达返回信号调理单元连接，所述雷达返回信号调理单元与所述主控制器连接；

所述测速雷达用于测量所述基于处方图的油菜变量施肥装置的速度，并生成一个频率和所述速度成正比的方波；所述雷达返回信号调理单元用于对所述方波进行降压整形。

可选地，所述定位模块包括：天线以及北斗定位单元；

所述天线和所述北斗定位单元连接，所述北斗定位单元和所述主控制器连接；所述北斗定位单元用于获取所述基于处方图的油菜变量施肥装置的位置。

可选地，所述网络模块包括：处方图处理单元、云服务器以及4G单元；

所述处方图处理单元与所述云服务器连接，所述云服务器与所述4G单元连接，所述4G单元与所述主控制器连接；

所述处方图处理单元用于对当前土地肥力情况的处方图进行矩阵化处理；所述云服务器用于存储处理后的处方图；所述4G单元读取所述云服务器中的所述处理后的处方图，并将所述处理后的处方图发送到所述主控制器。

可选地，所述执行模块包括：驱动器以及步进电机；

所述步进电机与所述驱动器连接，所述驱动器与所述主控制器连接；

所述驱动器用于根据所述控制信号控制所述步进电机的转速；所述步进电机以不同的转速控制所述施肥器进行排肥。

一种基于处方图的油菜变量施肥方法，所述基于处方图的油菜变量施肥方法应用于上述任一基于处方图的油菜变量施肥装置，所述基于处方图的油菜变量施肥方法包括：

利用主控制器获取当前土地肥力情况的处方图；所述当前土地肥力情况的处方图体现当前土地不同区域的含肥量；

对所述当前土地肥力情况的处方图进行m*n型矩阵分割，得到矩阵化处方图；m为矩阵的行数，n为矩阵的列数；

对所述矩阵化处方图中的每一个元素进行取值，得到肥力矩阵；所述矩阵化处方图中的每一个元素为表征含肥量的地块；

获取基于处方图的油菜变量施肥装置的速度以及位置；

将所述肥力矩阵结合所述速度和所述位置生成一个控制信号；

根据所述控制信号进行施肥。

可选地，所述对所述矩阵化处方图中的每一个元素进行取值，得到肥力矩阵，具体包括：

根据所述当前土地肥力情况对所述矩阵化处方图中的每一个元素进行取值，得到肥力矩阵；其中，所述地块的含肥量越低，所述元素的值越高。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过设置测速模块、网络模块、定位模块、执行模块以及主控制器，测速模块、网络模块、定位模块以及执行模块分别与主控制器连接；主控制器用于根据基于处方图的油菜变量施肥装置的速度、位置以及所述位置的土地肥力情况输出控制信号以控制所述执行模块进行施肥，采用纯硬件的连接方式，而非上位机和下位机通过串口连接的方式，且采用树莓派作为主控制器，由于树莓派功能齐全，可与多个模块交互，后续功能拓展更加方便，而且本发明通过将树莓派设置在基于处方图的油菜变量施肥装置中，取代现有的变量系统中的变量施肥控制器，且能够代替车载终端和上位机的作用，使整个装置没有车载终端和上位机的参与，使得基于处方图的油菜变量施肥装置的体积更小，也更便携。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于处方图的油菜变量施肥装置的系统结构图；

图2为本发明提供的一种基于处方图的油菜变量施肥装置的方框图；

图3为本发明提供的一种基于处方图的油菜变量施肥方法的流程图。

符号说明：1-定位模块；2-网络模块；3-执行模块；4-测速模块；5-主控制器；6-测速雷达；7-雷达返回信号调理单元；8-北斗定位单元；9-天线；10-处方图处理单元；11-云服务器；12-4G单元；13-驱动器；14-步进电机；15-施肥器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于处方图的油菜变量施肥装置及方法，以解决现有技术中的变量施肥系统便携性差、拓展性低的问题。另外，现有的变量施肥系统对速度的测量受光电编码器质量的影响，导致测量的速度不精确，从而使施肥量不能达到土地所需要的量。

本发明的基于处方图的油菜变量施肥装置及方法主要应用于油菜田中，对油菜田进行变量施肥的控制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的一种基于处方图的油菜变量施肥装置的系统结构图，图2为本发明提供的一种基于处方图的油菜变量施肥装置的方框图，如图1和图2所示，一种基于处方图的油菜变量施肥装置，包括：主控制器5、测速模块4、网络模块2、定位模块1、执行模块3以及施肥器15。

所述测速模块4、所述网络模块2、所述定位模块1以及所述执行模块3分别与所述主控制器5连接，所述执行模块3与所述施肥器15连接；所述主控制器5用于根据所述基于处方图的油菜变量施肥装置的速度、位置以及所述位置的土地肥力情况输出控制信号以控制所述执行模块3进行控制；所述主控制器5为树莓派；所述测速模块4用于测量所述基于处方图的油菜变量施肥装置的速度；所述定位模块1用于测量所述基于处方图的油菜变量施肥装置的位置；所述网络模块2用于获取所述位置的土地肥力情况；所述执行模块3用于控制所述施肥器15进行施肥；所述施肥器15用于对油菜田进行施肥。

在一个具体实施方式中，所述测速模块4包括：测速雷达6以及雷达返回信号调理单元7。测速雷达6采用地面测速雷达，地面测速雷达安装于基于处方图的油菜变量施肥装置的机架上，随着基于处方图的油菜变量施肥装置在田间作业时，地面测速雷达返回一个频率和基于处方图的油菜变量施肥装置速度成正比的方波。雷达返回信号调理单元7主要为降压整形电路，雷达返回信号调理单元7处理测速雷达6返回的方波，降低所述方波的电压，使所述方波能够被树莓派GPIO(General-purpose input/output，通用型输入输出)口接收。

所述测速雷达6与所述雷达返回信号调理单元7连接，所述雷达返回信号调理单元7与所述主控制器5连接。

所述测速雷达6用于测量所述基于处方图的油菜变量施肥装置的速度，并生成一个频率和所述速度成正比的方波；所述雷达返回信号调理单元7用于对所述方波进行降压整形。

在一个具体实施方式中，所述定位模块1包括：天线9以及北斗定位单元8。北斗定位单元8通过串口向主控制器5传递基于处方图的油菜变量施肥装置的位置信息。

所述天线9和所述北斗定位单元8连接，所述北斗定位单元8和所述主控制器5连接；天线9用于提高定位模块1的灵敏度以及稳定性，所述北斗定位单元8用于获取所述基于处方图的油菜变量施肥装置的位置。

在一个具体实施方式中，所述网络模块2包括：处方图处理单元10、云服务器11以及4G单元12。网络模块2主要用于将树莓派通过4G单元12和云服务器11相连，实现控制系统数据实时读取与共享的功能，还用于对当前土地肥力情况的处方图进行矩阵化处理。

所述处方图处理单元10与所述云服务器11连接，所述云服务器11与所述4G单元12连接，所述4G单元12与所述主控制器5连接。

所述处方图处理单元10用于对当前土地肥力情况的处方图进行矩阵化处理；所述云服务器11用于存储处理后的处方图；所述4G单元12读取所述云服务器11中的所述处理后的处方图，并将所述处理后的处方图发送到所述主控制器5。

在一个具体实施方式中，所述执行模块3包括：驱动器13以及步进电机14。

所述步进电机14与所述驱动器13连接，所述驱动器13与所述主控制器5连接。

所述驱动器13用于根据所述控制信号控制所述步进电机14的转速；所述步进电机14以不同的转速控制施肥器15进行排肥。

主控制器5从云服务器11提取矩阵化处方图，结合北斗定位单元8返回的位置信息，从而读取基于处方图的油菜变量施肥装置所处地块的肥力信息。基于处方图的油菜变量施肥装置的速度由测速雷达6获得，主控制器5同时处理位置信息和速度信息,通过相关转速控制算法输出控制信号对步进电机14进行实时调节。

本发明的基于处方图的油菜变量施肥装置，采用树莓派作为总控制器既可以控制下行机构也能够处理各种传感器的返回信号，其功能拓展性更强。使用测速雷达6对基于处方图的油菜变量施肥装置的速度进行测量相较于编码器测量转轴转速的方式，更能进行准确的实时测量。安装4G单元12和北斗定位单元8分别访问储存在数据库内的处方图信息和获取实时位置信息，功能齐全，集成性高，具有优秀的便携性。

本发明的基于处方图的油菜变量施肥控制方法，包括处方图的矩阵化处理方法、主控制器5对处方图接收和处理方法以及主控制器5对步进电机14的控制策略。

处方图的矩阵化处理方法，主要通过矩阵处理来提取不能被主控制器5所识别并利用的包含于处方图中的地块信息。

图3为本发明提供的一种基于处方图的油菜变量施肥方法的流程图，如图3所示，一种基于处方图的油菜变量施肥方法应用于上述任一基于处方图的油菜变量施肥装置，所述基于处方图的油菜变量施肥方法包括：

步骤101：利用主控制器5获取当前土地肥力情况的处方图。所述当前土地肥力情况的处方图体现当前土地不同区域的含肥量。

步骤102：对所述当前土地肥力情况的处方图进行m*n型矩阵分割，得到矩阵化处方图。其中，m为矩阵的行数，n为矩阵的列数。处方图分割，对处方图进行m*n型矩阵分割，其中m，n的取值由施肥地块的细化程度所决定。

所述对所述矩阵化处方图中的每一个元素进行取值，得到肥力矩阵，具体包括：

根据所述当前土地肥力情况对所述矩阵化处方图中的每一个元素进行取值，得到肥力矩阵；其中，所述地块的含肥量越低，所述元素的值越高。

对m*n矩阵的元素即对油菜田的各个分割后的地块的含肥量进行取值，每个元素的取值大小由其对应的处方图中显示油菜田的各个地块位置的含肥量所确定：当地块含肥量越低，其矩阵元素值越高，即对应排肥量越大。

矩阵数据上传，将包含油菜田的当前地块各个位置含肥量的数据上传并储存至云服务器数据库，并于数据库中建表以存储各行或是各列的地块含肥量。

步骤103：对所述矩阵化处方图中的每一个元素进行取值，得到肥力矩阵。所述矩阵化处方图中的每一个元素为表征含肥量的地块。

步骤104：获取基于处方图的油菜变量施肥装置的速度以及位置。

步骤105：将所述肥力矩阵结合所述速度和所述位置生成一个控制信号。

步骤106：根据所述控制信号进行施肥。

主控制器5对于处方图数据接收和处理方法，主要通过4G单元12访问云服务器11读取存储在云服务器数据库中地块。方法包括步骤有：

主控制器5连接云服务器11，通过指定服务器IP地址，登入用户名和密码连接数据库。

主控制器5读取地块含肥量，于主控制器5中编写并执行相应的SQL语句，读取数据库中关于油菜田的地块含肥量的表格。

主控制器5对步进电机14的控制策略即主控制器5接收由北斗定位单元8返回的位置信息，数据库中读取的油菜田的地块含肥量以及基于处方图的油菜变量施肥装置的速度，并依据排肥量、含肥量和速度的关系，确定程序中各个参数的取值，从而输出控制信号控制步进电机14，达到随速变量，随地变量的施肥。其中排肥量、含肥量和速度关系的过程函数表达式为：

Q＝f(v,λ(μ))

式中，Q为变量施肥控制系统输出排肥量，单位为L/min；v为车辆的行驶速度，单位为m/s；λ(μ)为输入系统的目标施肥量，目标施肥量的取值和地块含肥量μ有关，地块含肥量μ的单位为L/ha。λ(μ)以及整体过程函数的确定和计算随排肥系统的不同以及地块含肥量的要求而改变。

本发明采用处方图矩阵化处理方式，以点阵的形式处理处方图将油菜田的地块含肥量信息储存在云服务器11。采用上传服务器而非上位机和下位机通过串口连接的方式，读取处方图和获取位置信息。主控制器5既可以从云服务器11下载相关数据，也可以将油菜田的地块含肥量从本地上传至云端，方便其他用户读取。基于处方图的油菜变量施肥装置由树莓派作为主控制器5，树莓派功能齐全，可与多个模块交互，后续功能拓展更加方便，而且基于处方图的油菜变量施肥装置的体积也会因此更小，也更便携。使用测速雷达6测速，相较于现有技术中测量传动轴转速来获取变量施肥系统的速度而言更加精确。

本发明具有集成、便携以及速度获取更加精确的特点，施肥数据经主控制器5上传至云服务器11后实现了可读可视化的功能，并且树莓派的性能也为基于处方图的油菜变量施肥装置后续的功能拓展了做下了铺垫。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于处方图的油菜变量施肥装置，其特征在于，包括：主控制器、测速模块、网络模块、定位模块、执行模块以及施肥器；

所述测速模块、所述网络模块、所述定位模块以及所述执行模块分别与所述主控制器连接，所述执行模块与所述施肥器连接；所述主控制器用于根据所述基于处方图的油菜变量施肥装置的速度、位置以及所述位置的土地肥力情况输出控制信号以控制所述执行模块进行控制；所述主控制器为树莓派；所述测速模块用于测量所述基于处方图的油菜变量施肥装置的速度；所述定位模块用于测量所述基于处方图的油菜变量施肥装置的位置；所述网络模块用于获取所述位置的土地肥力情况；所述执行模块用于控制施肥器进行施肥；所述施肥器用于施肥。

2.根据权利要求1所述的基于处方图的油菜变量施肥装置，其特征在于，所述测速模块包括：测速雷达以及雷达返回信号调理单元；

所述测速雷达与所述雷达返回信号调理单元连接，所述雷达返回信号调理单元与所述主控制器连接；

所述测速雷达用于测量所述基于处方图的油菜变量施肥装置的速度，并生成一个频率和所述速度成正比的方波；所述雷达返回信号调理单元用于对所述方波进行降压整形。

3.根据权利要求1所述的基于处方图的油菜变量施肥装置，其特征在于，所述定位模块包括：天线以及北斗定位单元；

所述天线和所述北斗定位单元连接，所述北斗定位单元和所述主控制器连接；所述北斗定位单元用于获取所述基于处方图的油菜变量施肥装置的位置。

4.根据权利要求1所述的基于处方图的油菜变量施肥装置，其特征在于，所述网络模块包括：处方图处理单元、云服务器以及4G单元；

所述处方图处理单元与所述云服务器连接，所述云服务器与所述4G单元连接，所述4G单元与所述主控制器连接；

所述处方图处理单元用于对当前土地肥力情况的处方图进行矩阵化处理；所述云服务器用于存储处理后的处方图；所述4G单元读取所述云服务器中的所述处理后的处方图，并将所述处理后的处方图发送到所述主控制器。

5.根据权利要求1所述的基于处方图的油菜变量施肥装置，其特征在于，所述执行模块包括：驱动器以及步进电机；

所述步进电机与所述驱动器连接，所述驱动器与所述主控制器连接；

所述驱动器用于根据所述控制信号控制所述步进电机的转速；所述步进电机以不同的转速所述控制施肥器进行排肥。

6.一种基于处方图的油菜变量施肥方法，其特征在于，所述基于处方图的油菜变量施肥方法应用于权利要求1-5任一所述的基于处方图的油菜变量施肥装置，所述基于处方图的油菜变量施肥方法包括：

利用主控制器获取当前土地肥力情况的处方图；所述当前土地肥力情况的处方图体现当前土地不同区域的含肥量；

对所述当前土地肥力情况的处方图进行m*n型矩阵分割，得到矩阵化处方图；m为矩阵的行数，n为矩阵的列数；

对所述矩阵化处方图中的每一个元素进行取值，得到肥力矩阵；所述矩阵化处方图中的每一个元素为表征含肥量的地块；

获取基于处方图的油菜变量施肥装置的速度以及位置；

将所述肥力矩阵结合所述速度和所述位置生成一个控制信号；

根据所述控制信号进行施肥。

7.根据权利要求6所述的基于处方图的油菜变量施肥方法，其特征在于，所述对所述矩阵化处方图中的每一个元素进行取值，得到肥力矩阵，具体包括：

根据所述当前土地肥力情况对所述矩阵化处方图中的每一个元素进行取值，得到肥力矩阵；其中，所述地块的含肥量越低，所述元素的值越高。

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