CN1726750A - 虚拟gps精确农业变量深施肥系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动/手动变量施肥播种机械。是为解决在农田养分空间分布不均匀条件下，通过虚拟GPS系统实现按作物营养需求对土壤施肥，达到减少投入、提高效益和农产品品质的目的。系统使用全球定位系统(GPS)采集耕作地块轮廓属性，采用地理信息系统(GIS)结合GPS管理耕作地块的土壤与产量信息，通过编程实现耕作地块轮廓绘制、操作单元网格划分、土壤与产量信息管理和操作单元自动识别；并进行施肥决策，将数据写在IC卡上。工作时，通过实时测试施肥机工作速度，计算施肥机所在操作单元，用单片机控制施肥机上的排肥轴的转速，调节排肥器的排肥量，深施肥开沟器把化肥施到种子侧下耕层中。

Description

虚拟GPS精确农业变量深施肥系统

技术领域

本发明设计一种农业机械，特别是设计一种自动/手动变量施肥播种机械。

技术背景

传统的方式是采用均匀施肥作业，由于耕作地块中各处土壤养分存在差异性，造成了化肥与农药等化学品的过度使用，出现了土壤生产力下降、水土流失、农产品和地下水污染、水体富营养化等生态环境问题。在这种情况，采用变量投入的精确农业技术发展起来。

精确农业是基于信息技术的一种现代农业生产形式和管理模式。目前的精确农业变量施肥机实现田间变量施肥是利用安装在施肥机上的GPS接收机提供实时定位信息，根据施肥机所在位置(操作单元)和该操作单元内对养分的需求进行变量施肥，达到节约成本和降低污染的目的。这种工作方式下，要求工作在田间的每台作业机械上都要求安装一台GPS接收机。而且为保证达到一定的定位精度，常常需要使用DGPS工作方式。

现有颗粒肥变量施肥机均是采用专用施肥机将肥料均匀撒播于地表。这种结构比较适用于大面积作业，功能单一、成本较高。我国中小型拖拉机较多，基本上是施肥和播种同时进行。研究能与我国拖拉机配套、与精密播种相结合的多功能变量施肥机具，实现一机多用，提高性能价格比，才能适应我国农业的发展。

发明内容

本发明提供的虚拟GPS精确农业变量深施肥系统，目的是解决在农田养分空间分布不均匀条件下，通过虚拟GPS系统实现按作物营养需求对土壤进行按需施肥，达到减少投入、提高效益和提高农产品品质的目的。

本发明的目的是这样实现的，结合附图说明如下。

虚拟GPS精确农业变量深施肥系统包括虚拟GPS导航系统和变量深施肥精密播种机两部分，其特征在于所说的虚拟GPS导航系统与变量深施肥播种机分离，它包括一套差分全球定位系统DGPS，地理信息与田间耕作地块管理系统和田间作业地块网格识别与控制程序，以及存储地块管理与变量施肥决策信息的IC卡；所说的变量深施肥精密播种机的调节器(2)输入端与拖拉机发电机(1)连接，输出端与电瓶(4)连接；电源分配器(6)输入端与电瓶(4)连接，输出端与脉冲分配器(7)；变量施肥控制器(5)输入端与IC卡(3)、速度传感器(15)和电源分配器(6)连接；输出端与脉冲分配器(7)连接；脉冲分配器(7)输出端与步进电机(8)连接；步进电机(8)通过连轴器(9)带动排肥器(14)，排肥器下面连接输肥管和深施肥开沟器(18)；调节器2、IC卡3、电瓶4、变量施肥控制器5、电源分配器6、脉冲分配器8安装在拖拉机上，速度传感器(15)安装在地轮(12)上，步进电机(8)安装在变量施肥播种机主梁上。

所说的IC卡制作：在实施变量施肥作业之前，采用DGPS接收器测定地块轮廓，绘制地块电子地图，将电子地图导入地理信息系统GIS中，确定变量施肥作业地块大小及形状参数，针对每一块地，需要确定该地块操作单元网格的宽度(D)和长度(L)，进行操作单元网格划分，然后按操作单元测取耕作地块的土壤养分，建立该耕作地块的土壤养分信息数据库，根据其测土结果和决策准则进行施肥决策，得到该地块内各个操作单元的决策施肥量，将操作单元编码号和其对应的施肥量写入施肥决策IC卡中。

所述的变量深施肥精密播种机采用单片机控制系统控制步进电机转速，驱动排肥元件，施肥决策IC卡文件为占用存储容量小的文本格式，。

所述的变量深施肥精密播种机有自动方式和手动方式两种工作方式，自动工作方式下，根据施肥机所在的位置信息和工作速度信息，提取施肥量输出，实现施肥播种机在行进间完成变量施肥作业；手动工作方式时，施肥量由操作者通过按键输入需要的施肥量完成变量施肥作业，采用安装在地轮轴上的角度-数字编码器测试施肥机地轮转速信号，依此计算出施肥机作用面积，从而确定施肥机作业所在的操作单元。

在田间作业的施肥机在进行变量施肥作业时，通过测试施肥机工作速度，计算出施肥机作业的位置(施肥机所在的操作单元)，根据施肥机所在的操作单元提取施肥量进行变量施肥。在既满足精确农业变量施肥作业的要求，同时节省了工作中的作业机上的GPS接收机和差分信号接收装置。

具体实时方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其工作过程。

虚拟GPS自动变量施肥系统的设计思想：由于精确农业技术的实施所需基础的先期投入很大，如GPS定位系统的价格是整个变量施肥系统其它部分价格的几十倍。就我国目前国情来讲，实施精确农业的很多技术还停留在理论研究和试验探讨阶段。特别是对于我国北方地区的耕地多是以林网划分，比较规则。为推动自动变量施肥技术的应用，本专利提出了虚拟GPS的精确农业变量施肥系统，即不用GPS系统实时定位导航，而是通过程序控制来实施精确农业的自动变量施肥作业。这样做的好处是：

(1)先期投入少。装备一台GPS接收机，如一台AgGPS132接收机的价格为$10000，如果以GPS工作方式进行变量施肥作业，一般平均投入$10000～15000，而且其定位精度误差在十几米，变量施肥的针对性较差。为保证高的定位精度，需使用DGPS工作方式，这就要增加一台GPS接收机，两套电台设备以及其他配套装置，总计要投入$30000多。以目前我国农村实际条件，可以说短时间内难于实现。采用虚拟GPS系统后，这一问题就可以得到解决。

(2)经济效益明显。由于先期投入明显减少，而变量施肥会在相同的施肥条件下，最大限度限度的提高肥料利用率，会使产投比提高。

虚拟GPS精确农业变量深施肥实施工作过程：根据需要将耕作地块划分为适当大小的操作单元网格，在每一操作单元内以土壤中养分含量信息、作物需求为基础，根据养分平衡和专家知识进行施肥决策，生成处方图。施肥作业时，通过实时获取作业机的工作速度，并计算作业机的地理位置，根据施肥机所在操作单元编码提取施肥决策信息且输出步进电机对应转速，带动排肥器工作，实现变量施肥量控制。具体施肥的实施过程：

第一步：地块管理与施肥决策IC卡制作。在实施变量施肥作业之前，采用DGPS接收器测定地块轮廓，绘制地块电子地图。将电子地图导入地理信息系统GIS中，确定变量施肥作业地块参数(地块大小及形状参数)。针对每一块地，需要确定该地块操作单元网格的宽度(D)和长度(L)，进行操作单元网格划分，然后按操作单元测取耕作地块的土壤养分，建立该耕作地块的土壤养分信息数据库。根据其测土结果和决策准则进行施肥决策，得到该地块内各个操作单元的决策施肥量，将操作单元编码号和其对应的施肥量写入施肥决策IC卡(操作单元，施肥量)中。施肥决策IC卡制作过程如图1所示。

第二步：田间作业实施。施肥机在进入耕作地块后，在每个采样周期(T)内施肥控制器读取速度传感器信号，获得机器作业速度(V)，计算施肥机走过的距离(S)，通过作业距离(S)和机械作业幅宽(B)计算出施肥机工作面积(S×B)。由距离和面积推算出施肥机所在的操作单元编码(MN)，然后提取该操作单元的应施肥量，以此控制排肥器输出。其流程如图2所示。

图中，V——施肥机工作速度(km/h)

      T——工作速度采样周期(s)

      B——施肥机作业幅宽(m)

      D——操作单元宽度(m)

      L——操作单元长度(m)

MN——操作单元名称编码，M——字符型数据，操作单元垄间方向编码，M＝A，B，C，......；N——数值型数据，操作单元垄长方向编码，N＝1，2，3，，...。

地块参数包括x₀，y₀，p，q，s，t。其中(x₀，y₀)是地块基点(如耕作地块的西南角)的二维位置坐标，p，q，s，t是操作单元形状的描述参数。

施肥机的工作方式有两种：自动方式和手动方式。使用控制面板上的“工作方式切换开关”进行选择。自动工作方式是根据测得的速度信息(V)和地块参数(x₀，y₀，p，q，s，t)计算施肥机的位置(MN)来提取施肥量输出；手动工作方式时，则在控制器面板上将工作方式开关拨向“手动”，施肥量由操作者通过手工按键直接从键盘输入。如需施肥300kg/hm²，然后在键盘上输入300即可。键盘使用4×4薄膜开关键盘。控制程序直接把步进电机脉冲数传给下位机。

本发明具体结构由以下实施过程及附图说明。

附图说明：

图1施肥决策IC卡制作流程图；

图2自动/手动变量施肥田间实施控制流程图；

图3变量深施肥机总体配置图；

图4变量施肥控制器框图。

图3中标示的元件名称如下：

1.拖拉机发电机2.调节器3.IC卡4.电瓶5.变量施肥控制器6.电源分配器7.脉冲分配器8.步进电机9.联轴器10.肥箱11.机架12.地轮13.排肥器14.排肥轴15.转速传感器16.覆土器17.精密排种器18.深施肥开沟器19.悬挂架

本发明包括调节器(2)、IC卡(3)、电瓶(4)、变量施肥控制器(5)、电源分配器(6)、脉冲分配器(7)、步进电机(8)、连轴器(9)、速度传感器(15)和变量深施肥机(包括肥箱10，机架11，地轮12，排肥器13，排肥轴14，覆土器16，精密排种器17，深施肥开沟器18，悬挂架19，精密播种器等)。给定地块参数和施肥决策数据，通过程序计算确定施肥机位置，实现玉米、大豆等作物自动/手动变量深施肥与精密播种。

调节器(2)输入端与拖拉机发电机(1)连接，输出端与电瓶(4)连接；电源分配器(6)输入端与电瓶(4)连接，输出端与脉冲分配器(7)；变量施肥控制器(5)输入端与IC卡(3)、速度传感器(15)和电源分配器(6)连接，输出端与脉冲分配器(7)连接；脉冲分配器(7)输出端与步进电机(8)连接；步进电机(8)通过连轴器(9)带动排肥器(14)；排肥器下面连接输肥管和深施肥开沟器(18)。调节器2、IC卡3、电瓶4、变量施肥控制器5、电源分配器6、脉冲分配器8安装在拖拉机上。速度传感器(15)安装在地轮(12)上。步进电机(8)安装在自动/手动变量施肥播种机主梁上，步进电机(8)通过连轴器(9)带动排肥轴(14)转动。

该发明采用虚拟GPS技术，实现无GPS实时导航的精确农业变量施肥作业。其特征为：事先使用DGPS结合GIS进行田间地块管理，建立工作地块土壤养分信息数据库；当施肥机进行田间施肥作业时，在不安装GPS接收机和差分信号接收装置的情况下，也能实现施肥机定位功能，实现精确农业的变量施肥作业。从而节省GPS接收机和差分信号接收装置。

Claims (4)

1.虚拟GPS精确农业变量深施肥系统包括虚拟GPS导航系统和变量深施肥精密播虚拟种机两部分，其特征在于所说的虚拟GPS导航系统与变量深施肥精密播种机分离，它包括一套差分全球定位系统DGPS，地理信息与田间耕作地块管理系统和田间作业地块网格识别与控制程序，以及存储地块管理与变量施肥决策信息的IC卡；所说的变量深施肥播种机的调节器(2)输入端与拖拉机发电机(1)连接，输出端与电瓶(4)连接；电源分配器(6)输入端与电瓶(4)连接，输出端与脉冲分配器(7)连接；变量施肥控制器(5)输入端与IC卡(3)、速度传感器(15)和电源分配器(6)连接；输出端与脉冲分配器(7)连接；脉冲分配器(7)输出端与步进电机(8)连接；步进电机(8)通过连轴器(9)带动排肥器(14)，排肥器下面连接输肥管和深施肥开沟器(18)；速度传感器(15)安装在地轮(12)上，步进电机(8)安装在变量施肥播种机主梁上。

2.根据权利要求1所述的虚拟GPS精确农业变量深施肥系统，其特征在于所说的IC卡制作：在实施变量施肥作业之前，采用DGPS接收器测定地块轮廓，绘制地块电子地图，将电子地图导入地理信息系统GIS中，确定变量施肥作业地块大小及形状参数，针对每一块地，需要确定该地块操作单元网格的宽度(D)和长度(L)，进行操作单元网格划分，然后按操作单元测取耕作地块的土壤养分，建立该耕作地块的土壤养分信息数据库，根据其测土结果和决策准则进行施肥决策，得到该地块内各个操作单元的决策施肥量，将操作单元编码号和其对应的施肥量写入施肥决策IC卡中。

3.根据权利要求1所述的虚拟GPS精确农业变量深施肥系统，其特征在于所述的变量深施肥精密播种机采用单片机控制系统控制步进电机转速，驱动排肥元件，施肥决策IC卡文件采用占用存储容量小的文本格式，。

4.根据权利要求1所述的虚拟GPS精确农业变量深施肥系统，其特征在于所述的变量深施肥精密播种机有自动方式和手动方式两种工作方式，自动工作方式下，根据施肥机所在的位置信息和工作速度信息，提取施肥量输出，实现施肥播种机在行进间完成变量施肥作业；手动工作方式时，施肥量由操作者通过按键输入需要的施肥量完成变量施肥作业，采用安装在地轮轴上的角度-数字编码器测试施肥机地轮转速信号，依此计算出施肥机作用面积，从而确定施肥机作业所在的操作单元。

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