孟旭堯?何婷

摘要：當前中國農業(yè)生產體系發(fā)生了巨大革新，向現(xiàn)代化和科技化方向發(fā)展。在此背景下，農業(yè)電氣自動化技術應運而生并被廣泛使用到各種農作物種植環(huán)節(jié)中，對推動農業(yè)發(fā)展起到至關重要的作用。其中智能控制儀表系統(tǒng)是現(xiàn)代農業(yè)電氣自動化系統(tǒng)的重要組成部分，具有智能化程度高、可靠性強等優(yōu)點，能實現(xiàn)遠程監(jiān)測與自動控制，為農業(yè)生產提供更為安全有效的保障?；诖?，重點探討農業(yè)電氣自動化中智能控制儀表系統(tǒng)應用，并提出優(yōu)化建議。

關鍵詞：農業(yè)電氣自動化；智能控制儀表系統(tǒng)；應用方法；路徑探析

傳統(tǒng)農業(yè)生產主要依靠人力，效率和機械化程度較低。在當前科學技術快速發(fā)展的情況下，自動化技術逐漸成了現(xiàn)代農業(yè)生產中不可缺少的重要部分，很大程度上提升了中國整體農業(yè)現(xiàn)代化水平。引進新技術的同時，必須考慮其應用效果以及未來發(fā)展前景，加強對智能控制儀表系統(tǒng)的研發(fā)工作，并將該系統(tǒng)合理有效地運用到農業(yè)生產當中，提高農業(yè)生產效率和質量，降低勞動強度和勞動成本，促進現(xiàn)代農業(yè)建設的可持續(xù)化發(fā)展。

1 智能控制儀表系統(tǒng)分析

1.1 智能控制儀表系統(tǒng)簡介

農業(yè)電氣自動化中智能控制儀表的應用，能實現(xiàn)對農作物生長過程的智能化監(jiān)控。其主要原理為采用先進的計算機技術和通信技術，以單片機為核心，通過傳感器檢測農田信息并進行處理后輸出相應的信號至PLC，由PLC完成各種自動控制功能[1]。同時將數(shù)據(jù)存儲在存儲器內，當需要時可以直接調用該數(shù)據(jù)進行計算、分析、判斷。智能控制儀表主要由單片機和傳感器組成，其中傳感器是系統(tǒng)最重要也是最常使用的一種元件，它負責采集土壤溫度、濕度、光照強度等多種參數(shù)，經過A/D轉換送入單片機，再經數(shù)據(jù)處理電路進行運算、比較后輸出一個或幾個特定頻率的電信號，從而驅動執(zhí)行設備工作。而單片機作為整個控制系統(tǒng)的核心部件，承擔著對所需物理量進行實時監(jiān)測與實時處理的任務。運行過程中，各功能模塊之間必須相互協(xié)調配合才能使系統(tǒng)穩(wěn)定的運行，促進單片機與PC機的融合，提高測控系統(tǒng)性能。隨著技術的更新?lián)Q代，如今智能控制儀表已逐漸發(fā)展成為集計算機控制技術、微電子技術、通信技術以及電力電子技術于一體的新型機電一體化產品，被廣泛運用于農業(yè)生產領域，如：溫室大棚的溫度控制，農產品產量及質量的在線監(jiān)測，工業(yè)環(huán)境下的電能計量等方面。

1.2 智能控制儀表系統(tǒng)工作原理

農業(yè)電氣自動化中，為充分發(fā)揮智能控制儀表系統(tǒng)優(yōu)勢，首先應明確其工作原理，作為重要組成部分，傳感器主負責信息采集與傳輸?shù)墓δ?，而控制器則是對信號進行分析處理并轉化為輸出結果的核心器件[2]。傳輸過程中，難免會遇到信號干擾，這時應利用濾波器有效濾除干擾源，保證數(shù)據(jù)傳輸準確性，將信號傳輸?shù)蕉嗦纺M器開關中。單片機通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和顯示，同時在程序上加入濾波算法以提升運算效率，最終完成對數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理。應用A/D轉換器對模擬量進行轉換，從而得到數(shù)字量后再發(fā)送給微處理器。若要確保設備運行安全穩(wěn)定，還需定期檢測系統(tǒng)各部件性能是否達標，如溫度、濕度等參數(shù)，以此保障裝置正常運轉。

2 智能控制儀表系統(tǒng)的特點

2.1 自動操作性能

智能控制儀表系統(tǒng)具有自動化操作特點，利用微控制器實現(xiàn)對農業(yè)生產中相關參數(shù)的監(jiān)測與分析[3]。具體而言，其自動操作性能主要體現(xiàn)在以下幾方面：其一，數(shù)據(jù)采集模塊將檢測到的各種信息傳輸至處理中心。其二，數(shù)據(jù)處理模塊通過運算算法進行數(shù)據(jù)分析和計算，并根據(jù)結果生成相應的圖表或報告輸出顯示。其三，報警及故障指示功能可及時發(fā)出聲光報警，同時自動設置和調整運行狀態(tài)。其四，遠程監(jiān)控功能，工作人員可以隨時隨地查看現(xiàn)場情況，方便地了解設備運行狀況[4]。

2.2 較好的自測功能

農業(yè)電氣自動化智能控制儀表系統(tǒng)的自測功能主要是對整個系統(tǒng)運行情況進行監(jiān)測和記錄，及時反映各個部件工作狀態(tài)。當發(fā)現(xiàn)問題時，通過分析故障原因查找解決問題方法，以便快速恢復設備正常運轉。另外，還能全面檢測系統(tǒng)運轉，避免因操作不當引起系統(tǒng)癱瘓現(xiàn)象。

2.3 數(shù)據(jù)處理能力

任何儀表在運行中難免會出現(xiàn)各種故障，農業(yè)電氣自動化智能控制儀表系統(tǒng)也不例外，其故障主要集中于硬件和軟件兩個方面。其中硬件部分的故障一般表現(xiàn)為：電源供電不足或短路。電壓互感器、電流互感器等二次回路損壞，繼電器觸點接觸不良引起誤動作等。但智能控制儀表系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理能力，它可以將采集到的信號經過處理后傳輸給計算機進行分析、運算并做出判斷，從而實現(xiàn)自動控制功能。而軟件系統(tǒng)則是由上位機通過人機界面來顯示所檢測的信息，用戶可對儀表系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與操作，完成相應的任務，如設置參數(shù)、查詢歷史數(shù)據(jù)。

2.4 人機對話功能

智能控制儀表系統(tǒng)最大的特點為人機對話功能，即由用戶通過鍵盤選擇所需的參數(shù)或狀態(tài)。這種人機友好型的操作方式不僅能減少人為因素對生產過程產生的影響，還能使整個控制系統(tǒng)更具智能化水平。并且使用該功能搜索時可在屏幕上直接顯示出各被測物理量（如溫度、壓力、流量等）和相應的數(shù)值及曲線。當需要改變某一個量時，只要輸入該值后即可自動切換到另一不同的設定值并輸出與之對應的結果，從而大大地提高了測量精度，縮短了調節(jié)時間，避免了人為誤動作發(fā)生。

3 農業(yè)電氣自動化中智能控制儀表系統(tǒng)應用方法探析

3.1 對土壤的檢測分析

智能控制儀表系統(tǒng)在土壤檢測分析應用中主要對土壤水分和溫度進行測量，其功能的實現(xiàn)依賴于傳感器技術與計算機技術[5]。眾所周知，農業(yè)生產中，土壤的物理特性對農作物健康生長起到了關鍵作用，為此必須控制好土壤的濕度與其他參數(shù)。而智能控制儀表系統(tǒng)則能準確地檢測出土壤條件，進而為科學施肥提供可靠依據(jù)，提高作物產量。其分析方法如下：第一，根據(jù)不同地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)確定需要采集的環(huán)境溫濕度值，并將其轉化為數(shù)字信號后傳輸給微處理器。第二，通過比較各環(huán)境參數(shù)之間的相關性識別異常點所在區(qū)域，利用K－均值聚類算法提取特征信息，建立BP神經網絡模型預測土壤含水量。利用所得到的預測值對目標變量進行優(yōu)化選擇，獲得最優(yōu)的灌溉量和種植密度，指導農田管理。例如，玉米種植中，種子對土壤的需求條件包括土壤容重、田間持水量及有效水勢等。土壤養(yǎng)分狀況又受到水分含量、PH值及有機質等因素影響，為合理分配肥料用量，避免不合理使用農藥造成環(huán)境污染，必須掌握這些關鍵因子的變化情況。通過利用智能控制儀表系統(tǒng)能測出上述指標的動態(tài)變化規(guī)律，達到精準施肥目的[6]。

3.2 水質檢測中的應用

農業(yè)灌溉的主要目的是將作物所需要的水供給到農作物生長區(qū)域，確保其正常生長。然而由于農民濫用亂用化肥等現(xiàn)象，導致水質不斷惡化，影響了農作物的質量和產量。為解決這一問題，應科學引入智能控制儀表系統(tǒng)，優(yōu)化水質檢測過程，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。水質檢測中智能控制儀表系統(tǒng)能在復雜環(huán)境下進行數(shù)據(jù)采集與分析處理，并根據(jù)監(jiān)測結果對水質進行合理調控，提高水質檢測效率及準確性。與此同時，水質檢測系統(tǒng)還具有良好的預警功能，通過報警提示操作人員及時了解水體污染程度，并出具報告幫助維護部門作出正確決策?？傊谒|檢測中利用智能控制儀表系統(tǒng)需要注意以下幾點：其一，根據(jù)實際情況選擇水質檢測器型號，保證儀器運行穩(wěn)定可靠。其二，結合現(xiàn)場設備狀況調整采樣時間，如：SBD-1型溶解氧檢測儀采用24h連續(xù)自動定時采樣法，而DQS—2型溶解氧傳感器則需每天定期取樣測定。其三，針對不同類型水樣分別制定相應標準操作規(guī)程，通常情況下，ZJG-1A型地表水質儀規(guī)定每次測試前必須先記錄好所取樣品量、PH值、電導率、濁度、總硬度以及氨氮含量。ZJ-2B型地下水質分析儀則要求每小時要測量一次水樣，以便于后期數(shù)據(jù)分析處理。其四，水質檢測時，為減輕人員工作壓力應使用便攜式水情測報儀實時獲取測點水位信息，通過GPRS傳輸至服務器或上位機軟件方便工作人員查詢。

3.3 農業(yè)生產蟲害檢測的應用

病蟲害是農業(yè)生產中的常見問題，如何有效控制這一病害發(fā)生，應加強對智能控制儀表系統(tǒng)的開發(fā)應用。第一，根據(jù)植保工作需要設計基于Lab VIEW軟件和單片機技術的植物保護遠程控制系統(tǒng)。第二，針對該控制系統(tǒng)進行了硬件電路設計和軟件設計，包括傳感器模塊，A/D轉換模塊，MCU控制器等。第三，通過在實驗室搭建實驗平臺測試整個系統(tǒng)運行效果并得出相關數(shù)據(jù)。具體應用中，系統(tǒng)先分析植物生長調節(jié)劑和農藥作用機理與特點，結合作物長勢監(jiān)測結果制定相應防治方案。然后利用所研制的植保遠程控制系統(tǒng)采集農作物葉片圖像信息，將其傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控中心，再由下位機以無線方式傳輸給中央控制室顯示或報警。當植株出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象時，自動開啟噴藥功能，隨著土壤含水量下降至田間持水量以下（即低于田間持水率），自動關閉噴藥功能，直至土壤恢復水分含量后再次開始噴藥。若出現(xiàn)害蟲危害癥狀時，則自動打開殺蟲燈照明及燈光強度調節(jié)功能，直到完成蟲害處理為止，最終實現(xiàn)無人值守情況下的精準施藥目的。

3.4 農業(yè)氣象檢測功能

智能控制儀表系統(tǒng)還具有農業(yè)氣象監(jiān)測功能，不僅能及時搜集氣象數(shù)據(jù)，還能自動完成對農作物生長環(huán)境的分析和評估。農業(yè)氣象智能控制儀表系統(tǒng)的設計采用了Zig Bee技術作為主要通信手段，GPRS作為無線數(shù)據(jù)傳輸方式，GSM短信服務作為輔助通訊方式，結合了傳感器、嵌入式技術等先進技術[7]。在硬件上，利用MSP430單片機為核心，實現(xiàn)溫濕度采集模塊、雨量檢測模塊、光照測量模塊以及土壤濕度測量模塊的集成。軟件方面，通過串口與上位機進行無線連接，Socket編程實現(xiàn)遠程監(jiān)控，根據(jù)不同區(qū)域內的環(huán)境參數(shù)確定相應的控制策略。便于技術人員第一時間了解天氣狀況，同時，能將溫度、降雨信息發(fā)送到手機端或者其他移動設備中，方便農民查看當前實時天氣，提前做出應對方案，保證生產安全。

4 優(yōu)化農業(yè)電氣智能控制儀表系統(tǒng)策略

4.1 控制干擾儀表因素

農業(yè)電氣智能儀表系統(tǒng)在運行中會受到外界等多種原因的干擾，從而導致測量結果出現(xiàn)偏差。其中差模干擾與外部共模干擾是產生測量誤差的主要因素之一。因此，為了解決該問題技術人員應采用適當措施降低差模和共模信號對儀表精度造成影響。深入檢測儀表故障位置，通過分析不同類型的干擾源找出具體成因，根據(jù)實際情況提出相應對策。在研究中設計人員發(fā)現(xiàn)基于FPGA技術的數(shù)字信號調理芯片（ADSP）具有良好的抗干擾能力，能將差?；蚬材２ㄟM行隔離處理，并有效消除引起的誤差。硬件設計中選用了高性能數(shù)字信號處理器DSP2812作為核心控制器，利用其高速運算能力，使電路工作更加穩(wěn)定可靠，同時使用高精度模擬器件LM3S9B060完成信號調理任務。軟件設計中，采用模塊化編程思想，結合軟件濾波方法減小傳感器輸出電壓的諧波含量。此外，VHDL語言也能實現(xiàn)復雜可編程邏輯門陣列（PLD）功能，為電路設計提供便利條件，提高設計效率。

4.2 優(yōu)化智能控制儀表系統(tǒng)

智能控制儀表系統(tǒng)的優(yōu)化中需注意以下幾點：其一，正確選擇傳感器，根據(jù)所要求的精度及使用環(huán)境確定型號和規(guī)格[8]。對所測物理量進行必要的校正，如溫度補償、壓力補償?shù)?。了解被測量與測量值之間關系，合理地設置量程范圍。其二，為保證較高的精確度，應盡可能采用高精度的變送器，同時要注意其接線方式以及安裝位置。其三，選用合適的控制器，在滿足工藝需求的前提下盡量降低成本。其四，加強對技術人員的培訓，提高其專業(yè)素質，使其能將理論靈活應用于實踐中，充分發(fā)揮智能控制技術作用。其五，為了提高系統(tǒng)可靠性，可通過對系統(tǒng)內部電路結構進行改進或更換硬件設備實現(xiàn)，達到簡化電路設計，降低功耗，延長使用壽命目的。

5 結語

綜上所述，科學技術的進步推動了農業(yè)電氣自動化智能控制儀表系統(tǒng)的發(fā)展，促進農業(yè)集約化、智能化、高效化管理?？傊?，我國目前農業(yè)電氣自動化智能控制儀表系統(tǒng)研發(fā)正處于初步發(fā)展階段，要想突破現(xiàn)狀，必須對其進行深入研究分析，結合當下農業(yè)生產實際情況和未來發(fā)展趨勢制定合理科學的實施方案。另外，技術人員作為主要推廣者與實施者，應積極學習國外先進技術，遵循因地制宜原則，從當?shù)剞r業(yè)實際出發(fā)設計出適合本地使用的儀器儀表設備，提高農業(yè)生產效率。

參考文獻

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