CN212064837U - 一种兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统 - Google Patents

Abstract

一种兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统属智慧农业技术领域，本实用新型由精密播种系统、变量施肥系统、变量施药系统、精准收获系统和通用控制器组成，通用控制器与精密播种系统、变量施肥系统、变量施药系统、精准收获系统分别通过播种节点、施肥节点、施药节点和收获节点连接，并通过节点与各个系统之间进行电信号的传递。本实用新型能节省投入、保护生态环境、提高农业利润。

Description

一种兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统

技术领域

本实用新型属智慧农业技术领域，具体涉及一种兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统。

背景技术

农业是国之根本，推广现代农业技术与智能农业系统是实现农业现代化的重要途径。近年来，国家政策性文件中多次提及“大力发展精准农业”、“发展智慧农业”、“研制并推广智能农业系统”。

精准农业是依据农作物生长需求与自然规律，按需投入生产资料，以期实现节本增效、节能降耗的目的。其根本目的在于保护生态环境、以合理的投入得到较大的产出，该投入既包括农资产品的投入，也包括生态环境成本保护投入。

精密播种、变量施肥、变量施药、智能测产等是精准农业的主要组成部分，国内外研究机构针对上述环节开展了大量研究工作。但目前的大部分研究工作主要对单一环节进行了研究精密播种、变量施肥、变量施药、以及智能测产技术。专利“一种柔性带接地式精密播种装置”(专利号：CN201810894536)，利用戳种轮凸起、型孔、充种轮凸台等结构，通过调节电机转速，简单、高效地控制播种速度，实现精密播种；专利“一种智能化变量施肥装置及控制方法”(专利号：CN201811241975)，根据不同地块的肥料需求，利用电气控制盒实现施肥过程中的变量调节，提高了工作效率，实现了变量施肥；专利“一种基于机器视觉的无人机区域对靶变量施药控制装置与方法”(专利号：CN201810919388)，根据田间杂草的位置与覆盖面积及施药处方输出的不同占空比的PWM信号以实现区域对靶施药和变量施药；专利“基于电子识别的单株梨树产量检测系统”(专利号：CN201510178864)，利用CCD视觉传感器、清晰化处理器、单侧产量识别器和嵌入式处理器等对图像进行采集、处理等，最终实现准确预测单株梨树的全部产量。也有部分机构对农业大数据模型和精准农业系统进行了研究。专利“一种农业大数据智能分析调控系统”(专利号：CN201810548125)，包括土壤、产量、利润分析及智能调控模块，利用大数据分析技术获取土壤参数信息，为作物种植提供参考基础。专利“一种可移动式智能精准农业系统”(专利号：CN201510365153)，包括测土、配肥、移动、多媒体和智能叶面喷湿等设备，通过RS485通讯接口进行实时通信，获取作物信息以实现合理高效的肥料施用。

但上述系统未能很好的兼顾产出与投入，构建产投比利益最大化的自适应模型具有极其重要的意义。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统，以及应用该系统作业的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本实用新型的兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统，由精密播种系统A、变量施肥系统B、变量施药系统C、精准收获系统D和通用控制器11组成，通用控制器11与精密播种系统A、变量施肥系统B、变量施药系统C、精准收获系统D分别通过播种节点、施肥节点、施药节点和收获节点连接，并通过节点与各个系统之间进行电信号的传递。

所述的精密播种系统A由土壤湿度检测模块1、播种决策模块2、种量调节模块3、补水模块4、播深调节模块5和播种电机6组成，种量调节模块3通过导线与播种电机6进行连接，并通过控制程序对速度进行控制，其中，精密播种系统A中各模块的连接顺序为，通用控制器11通过播种节点与土壤湿度检测模块1连接，土壤湿度检测模块1与播种决策模块2通过导线连接，播种决策模块2分别与种量调节模块3、补水模块4、播深调节模块5通过导线连接。

所述的变量施肥系统B由土壤肥力检测模块10、施肥决策模块9、肥量调节模块8和排肥电机7组成，土壤肥力检测模块10、施肥决策模块9、肥量调节模块8和排肥电机7通过导线顺序连接。

所述的变量施药系统C由施药处方采集模块14、施药决策模块15、药量调节模块16药箱17和喷头18组成，其中药量调节模块16安装于药箱17和喷头18之间，施药处方采集模块14、施药决策模块15和药量调节模块16通过导线连接。

所述的精准收获系统D由产量分布获取端12和作业执行端13组成；所述作业执行端13由收获机29及安装在收获机29上的割台19、车载控制器21、液压助力系统22、定位终端24、车载电源26组成，车载控制器21安装在收获机29驾驶室内；割台19位于收获机29前端，车载电源26输出端安装有稳压模块23，液压助力系统22安装于割台19与收获机29连接处，车载电源26安装在收获机29中部，产量分布获取端12与定位终端24通过导线连接，并以标准串行通信的方式进行通讯。

利用兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统，实现产量的分级划分，以及以此为基础的精准控制收获、播种、施肥、施药的方法，包括系统产量分级划分方法和收获及播种、施肥、施药方法；

6.1所述系统产量分级划分方法，包括下列步骤：

6.1.1通过对往年每个小区产量数据的分析，大部分产量数据为正常数据，只有少量数据是异常数据，即绝产或超高产时的数据，根据列维-林德伯格中心极限定理，当样本容量n≧50时，样本函数为：

其中：μ(x)为样本期望，σx为样本方差；

近似服从标准正态分布N(0,1)；则取部分小区产量数据(数据量n≧50)，将其变换为标准正态分布：

公式1中，x为原始产量数据转换为正态分布后对应的值，P(x)为x对应的产量值所占的概率，令：

P(x≤u₁)＝0.0250；P(x≤u₂)＝0.2266；P(x≤u₃)＝0.7257；P(x≤u₄)＝0.9750；

P(x≥u₄)＝1-P(x≤u₄)＝0.0250；

查询标准正态分布表即可得：

u₁＝-1.96；

u₂＝-0.75；

u₃＝0.60；

u₄＝1.96；

将正态分布中u₁,u₂,u₃,u₄通过

恢复为正态分布变换前的产量数据y₁,y₂,y₃,y₄

以y₁、y₂、y₃、y₄代表产量分布的临界值，具体算法如下:

设本网格的当年的产量为y

1)超高产，待作业网格产量y≥y₁；

2)高产，待作业网格产量y₁＜y≤y₂；

3)中产，待作业网格产量y₂＜y≤y₃；

4)低产，待作业网格产量为y₃＜y≤y4；

5)绝产，待作业网格产量为y＞y₄；

6.2所述收获及播种、施肥、施药方法包括下列步骤：

6.2.1精准收获系统D中车载控制器21判定收获机29上割台19所处小区之后，根据产量分布获取端12所给出的产量分布图，获取所处小区产量分级信息和产量级别，根据通用控制器11收获策略，判定收获机29是否需要进行收获作业，并通过控制车载控制器21进行收获作业；

6.2.2精密播种系统A结合测得的土壤湿度、上一年的产量分布，由播种决策模块21决定播种深度、补水量以及排种量，设定当年常规排种量为x；变量施肥系统B结合测得的土壤养分、上一年的产量分布，由施肥决策模块14决定施肥量，设定当年常规施肥量为z；变量施药系统C中施药量由施药决策模块15根据杂草分布情况，以及病害、虫害情况控制药量调节模块16实现变量施药；

6.2.3具体方法为：

6.2.3.1若是第一年采用该方法，则需要首先划分网格，由农田所有者根据去年该地块常量状况给出大致绝产和低产区域的网格编号；或者是通过上一年的遥感数据给出编号；或者是认为上一年的产量平均分布，均为中产网格区域；如果是第二年采用该方法，则直接执行6.2.3.2；

6.2.3.2精准收获系统D将存储模块20的产量分布图导入精密播种系统A与变量施肥系统B；

6.2.3.3所述精密播种系统A结合测得的土壤湿度、上一年的产量分布，由播种决策模块2决定播种深度、补水量以及排种量，设定当年常规排种量为x；

若土壤湿度低，播种决策模块2控制播深调节模块5增加播深；如土壤湿度低于适宜湿度的50％，则有播种决策模块2控制控制补水模块4进行补水作业；

若该网格上一年产量为低产和绝产，则增加排种量，该网格的排种量

其中y_i表示上一年的产量；

若该网格上一年产量为超高产、高产、中产，则该网格当年排种量采用常规排种量；

6.2.3.4所述变量施肥系统B结合测得的土壤养分、上一年的产量分布，由施肥决策模块9决定施肥量，设定当年常规施肥量为z；

若该网格上一年产量为超高产、高产、中产，则该网格当年施肥量采用由施肥决策模块9根据土壤养分含量决定施肥量，通过土壤肥力检测模块10测定土壤中氮元素的含量，设土壤中的氮肥标准含量为N，所测得的氮肥含量为N_i；若N_i大于等于N，则无需增加肥料量；若N_i小于N，则所施肥料增加量应

其中p表示化肥中所含氮元素的百分比；

若该网格上一年产量为低产和绝产，则增加施肥量，该网格的施肥量

6.2.3.5所述变量施药系统C中施药量由施药决策模块15根据杂草分布情况以及病害、虫害情况控制药量调节模块16实现变量施药；所述精准收获系统D根据产量分布图进行收获作业。

本实用新型的有益效果在于，综合考虑网格产量分级、土壤湿度、土壤养分、杂草分布、病害、虫害等因素进行变量作业，由产出决定投入，并且根据产出、以及当年田间实际状况，进行投入模型的自适应调整。对于绝产区域只进行作物茎秆还田作业，从而达到节约能耗、提高粮食品质的目的。

本实用新型提出一种兼顾“产出与投入”的自适应精准农业系统，涵盖精准农业整个作业流程，并给出应用该系统能够进行作业的方法，以达到节约投入、保护生态环境、提高农业利润的目的。

附图说明

图1为兼顾产出与投入自适应系统的精准农业系统的结构框图

图2为收获机的车载控制器工作线路图

图3为收获机安装位置图

图4为免耕播种施肥机的结构示意图

图5为喷药装置的结构示意图

其中：A.精密播种系统 B.变量施肥系统 C.变量施药系统 D.精准收获系统 1.土壤湿度检测模块 2.播种决策模块 3.种量调节模块 4.补水模块 5.播深调节模块 6.播种电机 7.排肥电机 8.肥量调节模块 9.施肥决策模块 10.土壤肥力检测模块 11.通用控制器 12.产量分布获取端 13.作业执行端 14.施药处方采集模块 15.施药决策模块 16.药量调节模块 17.药箱 18.喷头 19.割台 20.存储模块 21.车载控制器 22.液压助力系统23.稳压模块 24.定位终端 25.离合器 26.车载电源 27.定位天线 28.动力输出状态和输出回路 29.收获机 30.肥箱 31.种箱 32.镇压轮 33.覆土器 34.排种器 35.滑刀式开沟器 36.免耕播种开沟器 37.地轮 38.喷头连接软管 9.机架 40.分流泵 41.步进电机 42调压阀门

具体实施方式

下面结合附图描述本实用新型。

如图1所示，本实用新型的兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统，由精密播种系统A、变量施肥系统B、变量施药系统C、精准收获系统D和通用控制器11组成，通用控制器11与精密播种系统A、变量施肥系统B、变量施药系统C、精准收获系统D分别通过播种节点、施肥节点、施药节点和收获节点连接，并通过节点与各个系统之间进行电信号的传递。通过通用控制器11可以实现对精准收获系统D信息的接受与反馈，也可以对其他系统的作业进行控制。其中，精密播种系统A变量施肥系统B通过播种节点和施肥节点与通用控制器11连接，通过该节点将精准收获系统D获得经产量分级方法处理后的信息后指导播种、施肥作业。

如图1、4所示，精密播种系统A由土壤湿度检测模块1、播种决策模块2、种量调节模块3、补水模块4、播深调节模块5和播种电机6组成，种量调节模块3通过导线与播种电机6进行连接并通过控制程序对速度进行控制。种量调节模块3通过导线与播种电机6进行连接，并通过控制程序对速度进行控制，其中，土壤湿度检测模块1与播种决策模块2通过导线连接，播种决策模块2分别与种量调节模块3、补水模块4、播深调节模块5通过导线连接。土壤湿度检测模块1并将信息传递给播种决策模块2，播种决策模块2负责检测土壤湿度并控制补水模块4的作业与否，播种决策模块2通过种量调节模块3控制播种电机6的转速，达到变量播种的目的。

如图1、4所示，变量施肥系统B由土壤肥力检测模块10、施肥决策模块9、肥量调节模块8和排肥电机7组成，土壤肥力检测模块10、施肥决策模块9、肥量调节模块8和排肥电机7通过导线顺序连接；土壤肥力检测模块10主要负责检测土壤中的肥力，将所得信息传递给肥量调节模块8，从而对肥量的调节提供参考；肥量调节模块8则通过控制排肥电机7的转速达到变量施肥的目的。

如图4所示，机具朝着地轮37方向运动时，免耕播种开沟器36对土壤进行开沟作业后与免耕播种开沟器36连接的排肥管将肥料通过排肥电机7的驱动将肥料由种箱30排入所开沟内；接着滑刀式开沟器35将土壤部分回填至沟内，并开出浅沟后在播种电机6的作用下通过排种器34将排种器31内的种子送入沟内，最后，经由覆土器33和镇压轮32进行覆土和镇压作业。

如图1、5所示，变量施药系统C由施药处方采集模块14、施药决策模块15、药量调节模块16药箱17和喷头18组成，其中药量调节模块16安装于药箱17和喷头18之间，从而进行精准变量施药作业；施药处方采集模块14、施药决策模块15和药量调节模块16通过导线连接，施药量由施药决策模块14根据杂草分布情况，以及病害、虫害情况控制药量调节模块15实现变量施药。

如图5所示，药箱17中的药液经过输液管进入分流泵40中，经由分流泵40将药液经过喷头连接软管38传至喷头18，其中药液的变量控制通过步进电机41对调压阀门42的控制实现。

如图1、2、3所示，精准收获系统D由产量分布获取端12和作业执行端13组成，其中产量分布获取端主要负责采集作业区域内各地块的产量分布信息并将其传给通用控制器11，而作业执行端13则负责接收通用控制器11传来的信息，控制收获机的作业情况；所述作业执行端13由收获机29及安装在收获机29上的割台19、车载控制器21、液压助力系统22、定位终端24、车载电源26组成，车载控制器21安装在收获机29驾驶室内；割台19位于收获机29前端，按照车载控制器21输入的信号进行收获作业；车载电源26安装在收获机29中部，车载电源26输出端安装有稳压模块22，负责给系统各模块进行供电；液压助力系统22安装于割台19与收获机29连接处，负责调整割台19的升降作业；产量分布获取端12通过系统产量登记划分方法划分的区域信息与遥感技术结合，将所得产量信息传达到作业执行端13，从而指导机具进行田间作业。收获机29的割台19位置可以根据定位天线27所处经纬度信息、定位天线27与割台19之间的距离l推算得出。

如图2、3所示，所述定位终端24安装在收获机上，定位终端24可以获取收获机所处位置信号，从而确定收获机所处小区，并将位置信号传送给车载控制器21，作业前需确定定位天线27与割台19之间的距离，且在作业过程中维持该距离不变，该距离在开始收获作业前需要输入车载控制器21中，定位终端24由车载电源26供电；

如图2、3所示，车载控制器21安装在收获机驾驶室右侧且驾驶员易于操作的位置，车载控制器21可以接受定位终端24位置信号，从而获取收获机所处的位置信息，推断收获机割台19位置，判断收获机割台19所在小区，车载控制器21通过存储模块20进行信息存储和读取信息，从而载入产量分布图；收获机29所处位置信号为定位天线27所处经纬度信息。

如图2、3所示，收获机29通过车载控制器21控制液压助力系统22、由液压助力系统22控制离合器25动作，进而通过离合器25调节动力输出状态与输出回路27；车载电源26输出端安装有稳压模块22，分别给定位终端24、车载控制器21、液压助力系统22供给所需电源；

如图3所示，所述车载控制器21判定收获机割台19所处小区之后，根据产量空间差异感知系统所给出的产量分布图，获取所处小区产量分级信息和产量级别，根据车载控制器21收获策略，判定收获机是否需要进行收获作业；

精准收获系统D将存储模块20的产量分布图导入精密播种系统A与变量施肥系统B；精密播种系统A结合测得的土壤湿度、上一年的产量分布，由播种决策模块2通过决定播种深度、补水量以及排种量，设定当年常规排种量为x；变量施肥系统B结合测得的土壤养分、上一年的产量分布，由施肥决策模块9决定施肥量，设定当年常规施肥量为z；变量施药系统C，施药量由施药决策模块14根据杂草分布情况，以及病害、虫害情况控制药量调节模块15实现变量施药。

使用本系统的具体执行方法如下：

第一步，若是第一年采用该方法，则需要首先划分网格，由农田所有者根据去年该地块常量状况给出大致绝产和低产区域的网格编号；或者是通过上一年的遥感数据给出编号；或者是认为上一年的产量平均分布，均为中产网格区域；如果是第二年采用该方法，则直接执行第二步。

第二步，精准收获系统D将存储模块20的产量分布图导入精密播种系统与变量施肥系统B；

第三步，所述精密播种系统结合测得的土壤湿度、上一年的产量分布，由播种决策模块2决定播种深度、补水量以及排种量，设定当年常规排种量为x；

若土壤湿度低，播种决策模块2控制播深调节模块3变换播深；如土壤湿度低于适宜湿度的50％，则有播种决策模块2控制补水模块4进行补水作业；

若该网格上一年产量为低产和绝产，则增加排种量，该网格的排种量

其中y_i表示上一年的产量。

若该网格上一年产量为超高产、高产、中产，则该网格当年排种量采用常规排种量。

第四步，所述变量施肥系统B结合测得的土壤养分、上一年的产量分布，由施肥决策模块9决定施肥量，设定当年常规施肥量为z；

若该网格上一年产量为超高产、高产、中产，则该网格当年施肥量采用由施肥决策模块9根据土壤养分含量决定施肥量，通过土壤肥力检测模块10测定土壤中氮元素的含量，设土壤中的氮肥标准含量为N，所测得的氮肥含量为N_i。若N_i大于等于N，则无需增加肥料量；若N_i小于N，则所施肥料增加量应

其中p表示化肥中所含氮元素的百分比。

若该网格上一年产量为低产和绝产，则增加施肥量，该网格的施肥量

第五步，所述变量施药系统C，施药量由施药决策模块14根据杂草分布情况，以及病害、虫害情况控制药量调节模块15实现变量施药。

第六步，按照已设计好的步骤进行精准收获。

所述精准收获具体步骤如下：

S1：产量空间差异感知系统获取产量空间分布，根据不同小区之间的产量差异进行分级，分别选出超高产、高产、中产、低产、绝产区域，并对各区域进行划分，形成产量分布图，将产量分布图存入存储模块20；

S2：操作者启动收获机，检查作业执行端工作状况是否良好，若良好则可以开始作业，否则停机、检修、排除故障；

S3：车载控制器21读取存储模块20信息并载入产量分布图；

S4：根据操作者需求，决定不进行收获的产量等级区域，对绝产区域不进行收获作业，不进行收获作业的区域，仅根据作业方式对农田作物进行还田处理或割倒放铺处理；

S5：操作者将收获机驶入作业地块，开始收获作业；

S6：收获作业过程中，车载控制器21根据收获机割台19位置信息、产量分布图，判断收获机割台19所在小区的产量等级，车载控制器21决定收获机是否进行收获；

车载控制器21设定对所选出的超高产、高产、中产、低产区域进行收获作业；绝产区域不进行收获作业。

S7：若判定收获机进行收获作业，则进行扶禾、摘穗、切割茎秆、集穗、升运、剥皮、脱粒、装箱等工序；

若判定收获机不进行收获作业，则暂停扶禾、摘穗、切割茎秆、集穗、升运、剥皮、脱粒、装箱等工序，使上述工序机构进入待机状态；

S8：直至整个农田完成收获作业。

Claims (5)

1.一种兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统，其特征在于，由精密播种系统(A)、变量施肥系统(B)、变量施药系统(C)、精准收获系统(D)和通用控制器(11)组成，通用控制器(11)与精密播种系统(A)、变量施肥系统(B)、变量施药系统(C)、精准收获系统(D)分别通过播种节点、施肥节点、施药节点和收获节点连接，并通过节点与各个系统之间进行电信号的传递。

2.按权利要求1所述的兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统，其特征在于，所述的精密播种系统(A)由土壤湿度检测模块(1)、播种决策模块(2)、种量调节模块(3)、补水模块(4)、播深调节模块(5)和播种电机(6)组成，种量调节模块(3)通过导线与播种电机(6)进行连接，并通过控制程序对速度进行控制，其中，精密播种系统(A)中各模块的连接顺序为，通用控制器(11)通过播种节点与土壤湿度检测模块(1)连接，土壤湿度检测模块(1)与播种决策模块(2)通过导线连接，播种决策模块(2)分别与种量调节模块(3)、补水模块(4)、播深调节模块(5)通过导线连接。

3.按权利要求1所述的兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统，其特征在于，所述的变量施肥系统(B)由土壤肥力检测模块(10)、施肥决策模块(9)、肥量调节模块(8)和排肥电机(7)组成，土壤肥力检测模块(10)、施肥决策模块(9)、肥量调节模块(8)和排肥电机(7)通过导线顺序连接。

4.按权利要求1所述的兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统，其特征在于，所述的变量施药系统(C)由施药处方采集模块(14)、施药决策模块(15)、药量调节模块(16)药箱(17)和喷头(18)组成，其中药量调节模块(16)安装于药箱(17)和喷头(18)之间，施药处方采集模块(14)、施药决策模块(15)和药量调节模块(16)通过导线连接。

5.按权利要求1所述的兼顾产出与投入自适应模型的精准农业系统，其特征在于，所述的精准收获系统(D)由产量分布获取端(12)和作业执行端(13)组成；所述作业执行端(13)由收获机(29)及安装在收获机(29)上的割台(19)、车载控制器(21)、液压助力系统(22)、定位终端(24)、车载电源(26)组成，车载控制器(21)安装在收获机(29)驾驶室内；割台(19)位于收获机(29)前端，车载电源(26)输出端安装有稳压模块(23)，液压助力系统(22)安装于割台(19)与收获机(29)连接处，车载电源(26)安装在收获机(29)中部，产量分布获取端(12)与定位终端(24)通过导线连接，并以标准串行通信的方式进行通讯。

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