RU220292U1 - Сенсорный узел для измерения показателей почвы - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области сельского хозяйства, а точнее к средствам, позволяющим проводить исследования показателей почвы (рН, температура, влажность, фосфор, калий, азот и др.) на основании технологий интернета вещей. Устройство – сенсорный узел – предназначено для измерения значений показателей почвенного покрова бесконтактно, через управление в разработанной информационной системе и передачи снятых значений показателей в информационную систему для дальнейшей обработки. Предложен сенсорный узел для измерения показателей почвы, который включает блок питания, главный контроллер с аналого-цифровым преобразователем, датчики параметров окружающей среды, радиомодуль, при этом датчики параметров окружающей среды объединены в измерительном модуле, включающем также аналого-цифровой преобразователь, контроллер и преобразователь интерфейсов, при этом совокупность датчиков содержит датчики рН, электропроводимости, влажности, температуры, содержания калия, фосфора и азота, а главный контроллер и радиомодуль объединены в модуль сбора данных, включающий также преобразователь интерфейсов, причем измерительный модуль и модуль сбора данных связаны с блоком питания, функции контроля которого выполняет главный контролер модуля сбора данных. Для повышения или понижения постоянного тока целесообразно использовать два повышающих DC-DC преобразователя на 5 и 24 Вольта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области сельского хозяйства, а точнее к средствам, позволяющим проводить исследования показателей почвы (рН, температура, влажность, фосфор, калий, азот и др.) на основании технологий интернета вещей. Устройство – сенсорный узел – предназначено для измерения значений показателей почвенного покрова бесконтактно, через управление в разработанной информационной системе и передачи снятых значений показателей в информационную систему для дальнейшей обработки.

Существуют различные почвенные лаборатории, например, портативная почвенная лаборатория серии STH фирмы LaMotte, США, или Портативная лаборатория «ИбисЛаб-Почв» российского производства фирмы «Аналит-Нева». Они основаны, как правило, на использовании химических методов исследования свойств почвы.

Также представлены на рынке электронные почвенные лаборатории, например, той же фирмы LaMotte, серия SCL-12, SCL-15. Или ранцевая почвенная лаборатория РПЛ-3 фирмы ЗАО «Крисмас+» одной из ведущих российских инновационных компаний, производящая портативные средства и мини-лаборатории для химических экспресс-анализов вне лабораторий.

Такие лаборатории представляют собой совокупность химических и инструментальных методов, основанных на использовании химических реагентов или тестовых полос и включающие устройства, рассчитанные на исследование одного из свойств почвы, с помощью различных датчиков, например, Солемер TDS 5, рН-метр или Колориметр Smart3.

На основании анализа имеющихся портативных и электронных лабораторий отечественных и зарубежных фирм к основным недостаткам их применения следует отнести:

Неудобство работы в полевых условиях.

Ручная фиксация снятых показателей.

Наличие высококвалифицированного специалиста во время исследования свойств почвы.

Высокая стоимость, из-за наличия большого количества расходного материала.

Каждый метод исследования входящий в комплект предусмотрен для анализа одного определенного свойства.

Кроме данного инструментария для выполнения экспресс анализов почвы на рынке представлена портативная система мониторинга показателей почвы «Stevens HydraProbe Field Portable» разработанная фирмой «Stevens», США. Используется для измерения таких показателей почвы, как влажность, температура, объемная электропроводимость, диэлектрическая проницаемость. Управление устройством осуществляется с мобильного телефона на ОС Android или Apple через приложение HydraMon, которое подключается к блоку приемнику данных посредством Wi-Fi. Процесс регистрации данных и вывода результатов проходит в реальном времени. Во время измерения автоматически сохраняются данные о местоположении, времени и дате измерения благодаря встроенному GPS модулю. Данные могут сохраняться в формате *.csv для их дальнейшего анализа в ПО Microsoft Excel. Недостатком представленного устройства является связь сенсорных узлов с управляющим блоком посредством проводной связи, что ограничивает радиус действия устройства и низкую защиту от различных климатических и механических повреждений. Кроме того, передача сигнала по средствам Wi-Fi связи является энергоемким способом и требует или подключения к постоянным источникам энергии (электросеть), или аккумуляторов большой емкости, что снижает мобильность и масштабируемость системы.

Как видно из представленной характеристики устройство рассчитано на исследование четырех показателей почвы, здесь также обязательно наличие оператора, хотя в данном случае его специализация не так важна, как в выше рассмотренных случаях. При этом если необходимо снять измерения по периметру поля многократно, это достаточно трудоемкий процесс.

Известен способ осуществления мониторинга показателей почвы (Патент RU2613907C2, МПК G01N33/24, з. 14.09.2015, оп. 21.03.2017), относящийся к экологии и предназначенный для оценки значений температуры почвы в многолетнемерзлых, глинистых, скальных и каменистых грунтах. Для этого размещают почвенные датчики температуры почвы на разных глубинах с определенным шагом в целевых скважинах, пробуренных в многолетнемерзлых, глинистых, скальных и каменистых грунтах без промывки, с последующей их засыпкой, регистрируют информацию об измеренной каждым датчиком температуры почвы и передают информацию от датчиков в базу данных на удаленном сервере.

В данном изобретении используется только один датчик и не организуется сенсорная сеть. Кроме того, для проведения измерений данный способ предполагает выполнение вспомогательных работ по бурению скважин, для размещения в них датчиков температуры.

Известно устройство определения содержания питательных веществ в почве (Патент RU2631088C1, МПК G01N 33/24, A01C 21/00, A01B 49/06, з. 30.03.2016, оп. 18.09.2017), содержащее установленные в передней части трактора подвижную раму и неподвижную раму, соединенные осью, на подвижной раме жестко закреплены почворез, отражающие экраны-уплотнители и ось, на которой крепится устройство для забора почвы с рабочим и направляющим цилиндрами, передвижение подвижной рамы относительно неподвижной рамы осуществляется гидроцилиндром, в верхней части рабочей камеры, где расположено устройство для забора почвы, между рабочим и направляющим цилиндрами устанавливают газовую горелку, напротив которой в боковой стене барабана устройства для забора почвы расположено отверстие, защищенное жаропрочным стеклом, за которым снаружи закреплена закрытая защитным кожухом цветная видеокамера. Измерение показателей осуществляется по средствам сжигания образцов почвы и анализа спектра света, излучаемого образцом с помощью цветной камеры. Кроме того, предполагаемое устройство не позволяет обеспечит требуемую чистоту измерительной камеры и не исключает образование нагара на поверхности защитного стекла, что снижает точность измерения.

Данное изобретение для измерения значений показателей питательности почвы, требует прохода трактора, что затруднительно, если на поле уже возделывается культура. И отсутствует возможность измерения показателей на различных этапах жизненного цикла растений и своевременной корректировке технологического процесса.

Из уровня техники известно широкое применение интернета вещей в сельском хозяйстве (см., например, патенты КНР CN114391321 (A), CN215581550 (U)).

Также из уровня техники известны технические решения, относящиеся к универсальным системам управления сельским хозяйством с использованием машинного обучения. В частности, известны:

1. AU2021106981A4 (приоритет 24.08.2021). Интеллектуальная сельскохозяйственная система с фермой и водными объектами, управляющая роботизированной сборкой с использованием машинного обучения. Система, помимо прочего, имеет несколько датчиков в сборе, расположенных по всему полю и водным объектам для определения качества почвы и воды (см. Реферат AU2021106981A4). Система управляет поливом и внесением удобрений после получения расчетных данных от блока датчиков, установленных непосредственно на земле (см. Описание AU2021106981A4, § [0002], [0018], [0028]).

2. KR20220107428 (A) (приоритет 25.01.2021). Система точного земледелия, один из вариантов осуществления которой включает приемник данных для получения данных о погоде для пахотных земель, данных о почвенной среде, измеренных на пахотных землях, данных о событиях, связанных с возделыванием, вводимых культиватором, данных об урожайности пахотных земель и данных изображений фотографирования пахотных земель. Система управления точным сельским хозяйством включает блок обработки данных, который моделирует оптимальный урожай на сельскохозяйственных угодьях посредством интеграции данных, полученных блоком приема данных, и блок отображения, который отображает информацию, смоделированную в блоке обработки данных (см. Реферат KR20220107428, а также Описание, § [0039]). Система включает, в том числе, множество датчиков, установленных непосредственно на земле (см., например: Описание KR20220107428, § [0029]).

Исходя из вышеприведенной информации следует, что актуальной технической задачей является создание простого и дешёвого первичного элемента для интеллектуальных сельскохозяйственных систем, в частности сенсорного элемента, способного снимать большое количество показателей параметров почвы и легко интегрируемого в глобальные сельскохозяйственные системы.

Исходя из вышеуказанной задачи, выбран прототип - Устройство для дистанционного контроля влажности и температуры почвы (патент RU2655944C1, МПК G01N25/56, G01K 13/00, G01N 27/22, G01N 33/24, з. 23.05.2017, оп. 30.05.2018).

Изобретение-прототип относится к измерительной технике и может быть использовано в составе системы контроля состояния почвы на агрономическом объекте. Устройство для дистанционного контроля влажности и температуры почвы включает блок питания, блок обработки данных и подключенные к нему датчики параметров окружающей среды и передающий блок. Блок обработки данных выполнен в виде главного контроллера с встроенным аналого-цифровым преобразователем, датчики параметров окружающей среды выполнены в виде цифрового датчика температуры и, по меньшей мере, одного емкостного датчика влажности. Новым в устройстве является последовательно соединенные контроллер питания, подключенный к блоку питания, ключ, импульсный преобразователь и линейный преобразователь, выход которого подключен к емкостным датчикам влажности, выход импульсного преобразователя соединен с цифровым датчиком температуры, главным контроллером и передающим блоком, а выход главного контроллера подключен к управляющему входу контроллера питания.

Технический результат предлагаемого решения, отличающий его от изобретения-прототипа, проявляющийся при решении вышеуказанной задачи, заключается в повышении точности и информативности результатов анализа почвы за счет обеспечения измерения заявленным сенсорным узлом одновременно нескольких параметров почвы

Указанная задача решается сенсорным узлом определения показателей почвы, включающим блок питания, главный контроллер с аналого-цифровым преобразователем, датчики показателей окружающей среды, радиомодуль, в котором, согласно предложению, датчики параметров окружающей среды объединены в измерительном модуле, включающем также аналого-цифровой преобразователь, контроллер и преобразователь интерфейсов, при этом совокупность датчиков содержит датчики рН, электропроводимости, влажности, температуры, содержания калия, фосфора и азота, главный контроллер и радиомодуль объединены в модуль сбора данных, включающий также преобразователь интерфейсов. Измерительный модуль и модуль сбора данных связаны с блоком питания, функции контроля которого выполняет главный контролер модуля сбора данных. Модульная конструкция сама по себе облегчает сборку и повышает ремонтопригодность.

Специалистам в данной области должно быть понятно, что можно подключить и другие датчики, позволяющие контролировать различные показатели почвы и состояние растений.

Устройство предпочтительно реализуется на открытой архитектуре «Arduino» (см., например: https://alexgyver.ru/lessons/about-arduino/?ysclid=lgxn7w0ec5376930828).

Преобразователь интерфейсов в измерительном модуле предназначен для преобразования TTL – RS-485 (см., например: https://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/interfeys-ttl-rs485/?ysclid=lfqgmrsqny81763053) и в таком виде передается на модуль сбора данных. Специалистам в данной области должно быть понятно, что может быть использован и другой подходящий интерфейс сигнала.

Модуль сбора данных содержит преобразователь интерфейсов в ТТL для обеспечения высокой устойчивости сигнала и помехозащищённости, что позволяет корректно считывать полученный пакет данных и передавать его. Может быть использован и другой подходящий интерфейс сигнала для решения данной задачи.

Главный контроллер модуля сбора данных включает следующие необходимые функции: программное управление сигналами, поступающими к датчикам и от них, сбор и преобразование сигналов; включение и отключение питания; сброс при включении питания.

Радиомодуль (передатчик) предназначен (как и в прототипе) для передачи сигналов на базовую станцию и от нее обратно по протоколу, предназначенному для передачи радиосигналов.

В предлагаемом устройстве может быть использован контроллер питания или два управляющих транзистора, с перенесением функции контроля питания в главный контроллер (в качестве главного контроллера может быть использован, например, микроконтроллер Atmega 328).

Из-за высокого энергопотребления вместо импульсного и линейного стабилизаторов, используемых в прототипе, в предлагаемом устройстве применяются два повышающих DC-DC преобразователя на 5 и 24 Вольта. Специалистам в данной области должно быть понятно, что могут быть использованы и другие варианты.

Предлагаемые архитектурные и конструктивные решения предлагаемого устройства позволят многократно измерять показатели почвы, что позволит своевременно вносить коррективы в технологический процесс возделывания различных культур, по поливу и подкормке растений, что увеличит их продуктивность с одного гектара. Рациональное внесение удобрений на основании полученных с сенсорных узлов данных позволит снизить антропогенное воздействие на природу.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема сенсорного узла определения показателей почвы.

Сенсорный узел определения показателей почвы состоит из трёх модулей: измерительного 1, сбора данных 2 и блока питания 3.

Измерительный модуль 1 представляет собой совокупность измерительных элементов: датчика влажности 4, датчика температуры 5, датчика рН 6, датчика содержания калия, фосфора и азота 7, датчика электропроводимости 8, а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, контроллер 10 и преобразователь интерфейсов 11.

Модуль сбора данных 2 содержит преобразователь интерфейсов 12, главный контроллер 13, радиомодуль 14.

Блок питания 15 служит для обеспечения питания модулей 1 и 2. В его состав, в общем случае, входят элементы питания (АКБ), модуль BMS, а также модуль повышающих преобразователей, также установлены конденсаторы для выравнивания напряжения.

Сенсорный узел определения показателей почвы работает следующим образом.

Датчики 4, 5, 6, 7, 8 обеспечивают считывание значений показателей в почве. Полученный аналоговый сигнал далее поступает на АЦП 9 для преобразования его в цифровой. Далее полученный цифровой сигнал через контроллер 10, поступает на преобразователь интерфейсов 11, в котором происходит преобразования сигнала в RS485. После чего он передается на модуль сбора данных 2.

В модуле сбора данных 2 преобразователь интерфейсов 12 преобразует полученные сигналы в ТТL. Это решение обеспечивает высокую устойчивость сигнала и помехозащищённость, позволяет устройствам «Arduino» корректно считывать полученный пакет данных и передавать его. Контроллер 13 осуществляет все основные функции сенсорного узла: программное управление сигналами, поступающими к датчикам и от них, сбор и преобразование сигналов; их подготовка и передача в радиомодуль 14; включение питания радиомодуля 14 посредством ключей, преобразователя интерфейсов 12 и всего измерительного модуля 1; сброс при включении питания и программное распознавание отключения питания.

Радиомодуль 14, передает пакеты по беспроводному каналу связи на базовую станцию (не показана), а с нее в информационную систему по протоколу для передачи радиосигнала, в данном случае LoRa. Несмотря на то, что в качестве протокола беспроводной передачи данных авторами предложен LoRa, квалифицированным специалистам в данной области должно быть понятно, что могут быть использованы другие подходящие протоколы.

Блок питания 3 обеспечивает питание модулей 1 и 2.

Для повышения или понижения постоянного тока используется модуль DC/DC преобразователя (не показан), позволяющий преобразовывать полученное напряжение. Для стабилизации напряжения в схеме предусмотрены конденсаторы. Также предусмотрена защита источника питания от перезаряда и переразряда.

Работа устройства построена на основе программного кода, который контролирует работу всей схемы. Программа, написанная на языке С++ для Arduino, позволяет инициировать модуль измерительный для измерения значений предусмотренных агрохимических показателей почвы. Специалистам в данной области должно быть понятно, что могут быть использованы и другие языки программирования.

В информационную систему данные о значениях показателей почвы могут поступать как с одного сенсорного узла, так и с большого количества устройств, организованных в сенсорную сеть, и фиксируются в автоматическом режиме через протокол с привязкой к конкретному устройству.

Зафиксированные значения сравниваются с номинальными значениями, содержащимися в библиотеке. После чего в зависимости от возделываемой культуры и ее жизненного цикла приложение выдает рекомендации по поливу и внесению удобрений, имеющиеся в базе данных. Описанная архитектура приведена в качестве примера, не является исчерпывающей и подразумевает другие варианты организации работы совокупности устройств, каждое из которых выполнено в соответствии с настоящим описанием.

Claims (2)

1. Сенсорный узел для измерения показателей почвы, включающий блок питания, главный контроллер с аналого-цифровым преобразователем, датчики параметров окружающей среды, радиомодуль, отличающийся тем, что датчики параметров окружающей среды объединены в измерительном модуле, включающем также аналого-цифровой преобразователь, контроллер и преобразователь интерфейсов, при этом совокупность датчиков содержит датчики рН, электропроводимости, влажности, температуры, содержания калия, фосфора и азота, а главный контроллер и радиомодуль объединены в модуль сбора данных, включающий также преобразователь интерфейсов, причем измерительный модуль и модуль сбора данных связаны с блоком питания, функции контроля которого выполняет главный контролер модуля сбора данных.

2. Сенсорный узел для измерения показателей почвы по п. 1, отличающийся тем, что для повышения или понижения постоянного тока использованы два повышающих DC-DC преобразователя на 5 и 24 Вольта.