Технология и техническое средство бесконтактного измерения влажности почвы на основе инфракрасного излучения
На правах рукописи
ПОПОВ Александр Николаевич
ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО
БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ
НА ОСНОВЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Мичуринск – наукоград РФ, 2014 2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ).
доктор технических наук, профессор
Научный руководитель:
Гордеев Александр Сергеевич
Официальные оппоненты: Судник ЮрийАлександрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П.
Горячкина», кафедра информационно управляющих систем, заведующий Гришин Иван Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А.
Костычева», кафедра электротехники, электрооборудования и автоматики, профессор
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»
Защита состоится «18» апреля 2014 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корп. 1, ауд. 206 «Зал заседаний диссертационных советов», тел./факс 8 (475-45) 5-32-13, E-mail: [email protected].
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ и на сайте www.mgau.ru, с авторефератом – на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101.
Автореферат разослан «_» _ 2014 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент В.Ю. Ланцев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. По мере развития технологий производства с/х продукции, в частности технологий точного земледелия, повышаются требования к определению химического состава и влажности каждого участка почвы, причем эта информация должна быть получена в реальном времени осуществления технологического процесса или до него. Одной из задач точного земледелия является определение тех участков поля, которые имеют аномальные величины питательных элементов и влажности. По данным участкам создаются почвенные карты (электронные) конкретного поля, которые в последующем используются для дифференцированного внесения удобрений и воды.
Традиционные методы измерения влажности почвы не в состоянии обеспечить достаточной информацией вследствие большой трудоемкости и низкой производительности. Такая проблема, например, возникает при анализе больших площадей с разнородными характеристиками поля: содержанием гумуса, химического состава, измерением их как по высоте почвенного слоя, так и по территории.
Использование оптических, в частности инфракрасных, методов контроля влажности материалов имеет широкое распространение и позволяет быстро получить информацию с минимальным временем на е обработку. Одним из направлений исследования оптических методов определения влажности почвы является использование собственного излучения почвы и воды в диапазоне 5,5 – 14 мкм. В последние годы появились электронные датчики для работы в этом диапазоне с чувствительностью, соответствующей собственному излучению почвы.
Степень разработанности проблемы измерения влажности почвы бесконтактным методом. В настоящее время для определения химического состава и влажности почвы широко используются инфракрасные спектральные анализаторы, работающие как в лабораторных, так и полевых условиях. Как правило, эти приборы предназначены для измерения единичных образцов почвы, имеют высокую точность и относительно низкую производительность, не соответствующую количеству необходимых измерений в процессе работы посевных и уборочных агрегатов.
Современные технические средства помимо бортовых компьютеров снабжены рядом сенсорных устройств (датчиков) для регистрации параметров технологического процесса, в частности урожайности и влажности зерна, привязанных к конкретным координатам поля. Характеристики самого поля (дефицит или избыток элементов питания) оцениваются через урожайность на конкретном участке. Другие способы оценки характеристик поля в технологическом процессе отсутствуют.
В настоящей работе предлагаются результаты разработки и исследования бесконтактного инфракрасного влагомера для почвы, использующего е собственное излучение, предназначенного для работы, как в полевых условиях, так и в стационарном процессе. Даются так же рекомендации по использованию инфракрасного излучения для построения влагомера и технология его использования.
Целью работы является создание полевого бесконтактного инфракрасного влагомера для почвы.
В соответствии с поставленной целью диссертационной работы сформулированы следующие задачи исследования:
Провести анализ методов и приборов измерения влажности почвы в 1.
полевых условиях для современных технологий сельскохозяйственного производства;
Провести теоретический анализ возможности оценки влажности почвы по 2.
ее собственному инфракрасному излучению;
Разработать прибор для измерения влажности почвы по ее излучению и 3.
провести экспериментальные исследования зависимости его сигнала от влажности и условий использования;
Разработать прибор определения влажности почвы и технологию его 4.
применения в полевых условиях;
Определить эффективность применения прибора при мониторинге 5.
влажности почвы в поле.
Объект исследования: пироэлектрический датчик и излучение почвы различной влажности в диапазоне 5,5 – 14 мкм.
Предмет исследования: зависимость сигнала пироэлектрического датчика от влажности почвы и условий измерения.
Методология и методы исследований. В работе применялись методы, используемые при проведении оптических, агрономических исследований и методы обработки получаемой информации: математической статистики в пакетах прикладных программ MathCAD, Statistika, Exel;
регрессионного анализа на базе нейронных сетей в пакете Matlab.
Научная новизна работы. Выявлена возможность определения влажности почвы по е собственному излучению в оптическом диапазоне 5,5 – 14 мкм и создана нелинейная адаптивная модель измерения влажности в изменяющихся полевых условиях по температуре и влажности воздуха и температуре почвы.
Научная гипотеза. Излучательная способность почвы зависит от излучательной способности ее твердой, жидкой и газовой фаз и их соотношений. Оценка влажности почвы может быть осуществлена по соотношению е излучательной способности к излучательной способности эталонного образца почвы с известной влажностью независимо от температуры.
Теоретическая и практическая значимость. Предложенные прибор и технология его использования в полевых условиях позволяют определять влажность участков почвы на больших площадях в реальном времени и сократить трудовые затраты. Применение прибора возможно в технологиях точного земледелия при подключении к бортовому компьютеру в качестве датчика, для составления карты влажности и температуры поля при посеве, посадке и поливе однолетних и многолетних культур.
Положения, выносимые на защиту:
нелинейная адаптивная модель измерения влажности почвы в полевых условиях при различной температуре и влажности воздуха;
результаты теоретических и экспериментальных исследований интенсивности собственного излучения почвы при различной е влажности, температуре и условиях измерения;
устройство прибора для измерения влажности почвы в полевых условиях;
методика проведения измерений инфракрасного излучения почвы пироэлектрическим датчиком;
технология измерения влажности почвы в полевых условиях.
Реализация результатов исследований. Разработан инфракрасный влагомер почвы и технология его использования. В ходе проведения работы были обследованы поля учхоз-племзавода «Комсомолец» Мичуринского ГАУ и плодовые сады ОПО ВНИИС им. И.В. Мичурина Тамбовской области, показавшие практическую возможность использования влагомера. Результаты исследований приняты к разработке ООО НПП «Измерон-В» (г.Воронеж) для использования в комплексе измерительного оборудования беспилотного летательного аппарата сельскохозяйственного назначения, используются в учебном процессе Мичуринского государственного аграрного университета при изучении дисциплин «Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве» и «Современные технологии и технические средства точного земледелия».
Степень достоверности результатов работы подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными с применением современных приборов (пироэлектрических датчиков, цифровых преобразователей), испытанием прибора в лабораторных и полевых условиях. При обработке экспериментальных данных были использованы методы математической статистики и регрессионного анализа, реализованного в нейронных сетях. Результаты теоретических исследований достаточно хорошо согласуются с лабораторными и полевыми данными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» г.Саратов, 2010;
63-ей научно-практической конференции студентов и аспирантов ФГОУ ВПО МичГАУ, г. Мичуринск 2011;
Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ «Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии»
г. Москва, 2010;
III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» г. Саратов, 2012;
всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 100-летию ФГБОУ ВПО Воронежского ГАУ им.императора Петра I «Инновационные технологии и технические средства для АПК» г.Воронеж, 2012;
64-ой научно-практической конференции студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО МичГАУ, г.Мичуринск 2012;
65-ой научно практической конференции студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО МичГАУ, г. Мичуринск 2013;
I Международной научно-практической интернет конференции «Моделирование энергоинформационных процессов» г. Воронеж, 2012г.
Публикации результатов работы. Основные положения диссертационной работы отражены в 9 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рецензируемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит страниц основного текста, 69 рисунков, 14 таблиц и 7 приложений. Библиографический список включает в себя 149 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлена краткая характеристика состояния вопроса, обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулирована цель исследования, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Методы и приборы определения влажности почвы в полевых условиях. Обзор литературы» рассматриваются существующие методы и приборы полевых измерений влажности почвы, основанные на физических свойствах влаги и почвы. Данные методы имеют разную погрешность и трудоемкость.
Для осуществления оперативных измерений влажности почвы предлагается применять бесконтактные методы, основанные на измерении электромагнитного излучения. Эти методы имеют достаточное освещение в классической литературе по измерению влажности и техническим средствам измерения. Однако описания бесконтактных приборов и их применения для измерения влажности в полевых условиях в литературе нет. Имеются только экспериментальные разработки по дистанционному определению влагозапасов в почве и на е поверхности путм регистрации излучений в самолетном или спутниковом варианте.
Во второй главе «Теоретическое обоснование возможности оценки влажности почвы по е излучательной способности в диапазоне 5,5 – 14 мкм» рассмотрена модель формирования лучистого потока почвы в виде схемы, изображенной на рисунке 1.
Данная модель максимально приближена к реальным условиям и описывается формулой:
–температура фонового излучения, oK;
– отражательная способность образца;
где – влажность образца, %;
– температура объекта, oК.
– излучение направляемое в прибор, Вт;
– излучение газовой фазы, Вт;
– отраженное от газового слоя излучение фона, Вт;
– отраженное от газового слоя излучение прибора, Вт;
П – приемник излучения;
Ф – источник фонового излучения;
излучательная способность фазы: – твердой;
– жидкой;
– газообразной;
Рисунок – Излучательная способность почвы с приповерхностным газообразным слоем Она учитывает потоки излучения фона, потоки излучения самого прибора и излучение образца (почвы), а именно потоки излучения – жидкой фазы, прошедшей через газовую фазу и – излучение твердой фазы, также прошедшего через газовую фазу. Газовая фаза состоит из углекислотной и водяной (паровой) компонент. Углекислотная компонента постоянна и она не влияет на прохождение излучений. Паровая компонента, напрямую зависит от равновесного состояния на границе раздела фаз: почва (твердая + жидкая) – газообразная. Поэтому следует предположить, что она может влиять на прохождение через нее излучения из твердой и жидкой фаз.
На рисунке приведены смоделированные зависимости значения излучения почвы при разном ее влагосодержании. Приведенная модель Рисунок 2 – Зависимости излучения линейна. Поток излучения может иметь как образца (почвы) от влажности для положительное, так и отрицательное увеличение температуры почвы и значение. В целом температуры фона, влагосодержания приводит к увеличению образом, коэффициента отражения почвы, потока излучения. Таким излучаемый сигнал зависит от многих излучательной способности почвы и излучательной способности воды переменных составляющих: температуры почвы Tп;
температуры окружающей среды ;
влажности почвы ;
конструктивных параметров измерительной системы k.
Т.е. зависимость влажности от излучательной способности имеет многофакторный характер:
Это дат основание предложить факторную модель влажности почвы, основанную на факторах, от которых зависит ее ИК излучение:
где – выход факторной модели влажности почвы, %;
– температура почвы, oС;
– o влажность почвы, %;
– влажность воздуха, %;
– температура воздуха, С;
– сигнал неучитываемых и неизвестных факторов;
– коэффициенты,,, линейной модели, соответственно для температуры почвы, влажности почвы, влажности воздуха и температуры воздуха.
В третьей главе «Методика и технические средства взаимосвязи излучения почвы и е влажности» изложена программа и методики экспериментальных исследований.
Лабораторное исследование предусматривает изучение взаимосвязи излучения почвы и ее влажности на специально созданных образцах почвы с различной структурой и влажностью.
Влажность образцов почвы изменялась на определенную величину путем добавления воды, после чего измерялись теплофизические параметры почвы и величина излучения.
Для измерения изучения 1 – корпус влагомера;
2 – разъемы для инфракрасной температуры почвы соединения с микроконтроллером;
3 – корпус различной влажности был разработан микроконтроллера с платой AT90USBKey;
4 – прибор – инфракрасный влагомер почвы программное обеспечение;
5 – входное окно («ИКВП-01») на базе пироэлектрического датчика MLX;
6 – окно пироэлектрического датчика MLX, лазерного указателя Рисунок 3 – Общий вид и органы рисунок 3. Корпус влагомера изготовлен из – дюралеалюминия, внутри управления инфракрасного влагомера почвы которого расположены электронные («ИКВП-01») схемы управления, питания инфракрасного датчика MLX и оптического лазера.
Объектив – линза Френеля 5 применяется для увеличения пространственной зоны чувствительности датчика. Она направляет измерения с почвы на датчик Д (центральный элемент MLX), а корпус датчика улавливает измерение фона.
Блок-схема влагомера «ИКВП – 01» приведена на рисунке 4. Излучение почвы FП поступает на пироэлектрический датчик Д1 и преобразуется в электрический сигнал, излучение фона FФ поступает на пироэлектрический датчик Д2 и преобразуется в электрический сигнал.
Оба сигнала с датчиков поступают в «Схему обработки сигналов пироэлектрических датчиков». Со схемы сигналы поступают на «Компьютер», в котором они подвергаются дополнительной обработке с целью выделения составляющей влажности – удаления шумов от излучений почвы и фона. С «Компьютера» полученная информация накапливается в «Базе данных».
Полевые экспериментальные исследования осуществлялись в мае – июле 2011 – 2012 гг. в поле учхоз племзавода «Комсомолец» МичГАУ на естественном фоне, рисунок 5.
Исследуемый участок поля условно Рисунок 4 – Блок-схема влагомера «ИКВП – 01»
разделялся на квадраты, размером 2х2 м. Измерения и отбор проб производили в центре каждого участка. Прибор устанавливался на высоте мм. Одновременно фиксировали: GPS координаты измеряемых точек;
инфракрасную температуру почвы;
влажность и температуру почвы на поверхности;
температуру и влажность воздуха;
скорость ветра. Для определения реальной влажности методом высушивания отбирались образцы почвы.
Рисунок 5 – Исследуемый участок поля Методическим учхоз-племзавода «Комсомолец» МичГАУ инструментом при обработке экспериментальных данных являлись:
корреляционно-регрессионный анализ. Для его реализации применялась программа «Stat_Analyze» созданная на базе паке MathCAD;
нелинейная адаптивная модель влажности почвы на базе многослойной нейронной сети прямой передачи newff, рисунок 6.
Рисунок 6 – Структурная схема многослойной нейронной сети Вход представлен вектором Pp, элементами которого являются: температура почвы, Tpv;
ИК-температура почвы датчика 1, Tp1;
базовая ИК-температура датчика 2, Tb2;
температура корпуса датчика 1, Tk1;
температура корпуса датчика 2, Tk2;
температура воздуха, Tv и влажность воздуха, Wv. Выход – вектор влагосодержание почвы, Wp. Выход Wn определяется уравнением:
где W – вектор выхода, w – матрица весов;
P – входной вектор параметров;
b – смещение.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований определения влажности в ИК диапазоне 5,5 – 14 мкм» представлены результаты корреляционного анализа данных лабораторного и полевого экспериментов, таблицы 1 и 2. В таблицах обозначено: X1 – температура воздуха (Tv), оС;
X2 – влажность воздуха (Wv), %;
X3 – объем добавленной влаги от объема почвы (Q1), %;
Y1 – температура почвы с электрического влагомера (Tpv), оС;
Y2 – влажность почвы с электрического влагомера (Wpv), %;
Y5 – температура корпуса датчика MLX (Tk2), оС;
Y6 – температура базовая с датчика MLX (Tb2), оС.
Таблица 1 – Матрица корреляций Таблица 2 – Матрица корреляций лабораторного эксперимента лабораторного эксперимента X3 Y1 Y2 Y5 Y6 X1 X2 Y X3 1,00 -0,22 0,89 -0,89 -0,84 X1 1,00 -0,74 -0, Y1 1,00 -0,21 -0,02 -0,16 X2 1,00 -0, Y2 1,00 -0,64 -0,60 Y1 1, Y5 1,00 0, Y6 1, Регрессионная зависимость сигнала датчика MLX от количества добавленной воды Y6(X3) приведена на рисунке 7.
Полученные коэффициенты уравнений регрессии проверены на значимость по t-критерию Стьюдента.
Рассмотрено одновременное влияние нескольких факторов – Wv, Tv, Tk1, Tpv, Wpv на сигнал пироэлектрического датчика Tp1.
Многофакторная регрессионная зависимость сигнала с датчика MLX y(Wpv) от влажности почвы имеет вид: Рисунок 7 – Регрессионная зависимость сигнала почвы с датчика MLX от добавленной воды Y6(X3) Многофакторная регрессионная зависимость показаний ИК температуры «ИКВП – 01» от влажности почвы исследуемого поля Tsrp(Wpv) представлена на рисунке 8 и имеет вид:
Полученное уравнение регрессии (6) носит линейный характер и аналогично регрессии полученной при проведении лабораторных исследований. Спадающий тренд зависимости y(Wpv) объясняется снижением температуры почвы из-за увеличения влажности в отдельных точках. В пакете MathCAD по созданной нами программе «Stat_Analyze», произведена оценка коэффициентов регрессии и оценка адекватности множественной регрессии (6). По параметрам моделей, полученным в лабораторном эксперименте (5) и в поле (6), можно сделать вывод, что влажность почвы снижает сигнал прибора во всех случаях. Однако такие факторы и параметры, как температура воздуха, влажность воздуха и температура корпуса прибора неоднозначно влияют на величину сигнала прибора. Это связано с тем, что условия осуществления экспериментов были не одинаковы – часть не учитываемых факторов в данной модели изменялась от эксперимента к эксперименту. Поэтому данная многофакторная линейная модель не может быть принята для определения влажности по величине сигнала прибора.
Рисунок 8 – Регрессионные Величину сигнала необходимо корректировать зависимости сигнала ИК применительно к условиям измерений. Для снижения датчика MLX в поле погрешности измерения влажности по сигналам прибора целесообразно применить их корректировку нейронной сетью (рисунок 6) в зависимости от неуправляемых переменных – факторов и параметров, рисунок 9. С этой целью производилось обучение нейронной сети для тех условий, в которых производился эксперимент.
Для обучения нейронной сети использовалась программа – «Obuchenie_NeiroVlagomer.m», созданная в пакете Matlab. Входами сети являются сигналы, которые необходимо подвергнуть корректировке: Y1 – сигнал фона ИК излучения Tk1, снимаемый с корпуса датчика;
Y2 – сигнал ИК-почвы Tp1, снимаемый с чувствительного элемента датчика, а также Рисунок 9 – Схема нелинейной адаптации неуправляемые переменные, влияющие на сигнала нейронной сетью погрешность измерений по этим сигналам: X – температура воздуха Tv, оС;
X2 – влажность воздуха Wv, %;
X3 – температура почвы Tpv, оС;
X4 – время анализа, час;
Mi – маркерный сигнал с i-ой точки поля, в которой измерения влажности производятся базовым (контрольным) методом. Выходом является влажность почвы Wp, %.
В результате расчета многофакторной модели нейронной сети были получены коэффициенты весов w для каждого нейрона и коэффициенты смещений b. На рисунке 10 представлен его график, на котором результат обучения (сплошная линия) и наблюдаемые в эксперименте значения (кружки) близки, что указывает на адекватность нейросетевой модели исследуемому процессу. На рисунке 11 приведена регрессионная зависимость значений влажности почвы по электрическому влагомеру TR– 46908 от скорректированных значений прибора «ИКВП – 01». Влажность, измеренная влагомером Wpv и влажность, полученная Wp после корректировки значения прибора, связаны прямой зависимостью – наблюдаемые значения расположены на прямой линии или близко к ней. Это указывает на эффективность корректировки данных прибора нейронной сетью. Для снижения ошибки измерения влажности путем корректировки сигнала прибора нейронной сетью использовалась программа «Opredelenie_NeiroVlagomer.m», созданная в пакете Matlab.
С целью определения эффективности корректировки сигнала прибора нейронной сетью, результаты полевых экспериментов пропускались через нейронную сеть, в соответствии с моделью (рисунок 9). На вход нейронной модели последовательно подавали вектора [Y1], [Y2], [Y1, Y2], [Y1, Y2, X1], [Y1, Y2, X1, X2], [Y1, Y2, X1, X2, X3]. В результате нейронная сеть меняла свою структуру, что сказывалось на результатах корректировки сигнала прибора. На выходе нейронной сети получали прогнозное (теоретическое, скорректированное) значение влажности Wti и ошибки аппроксимации исходных данных регрессией:
где i = 1, 2, …, N – номер строки матрицы эксперимента.
y(x)=-0,034+1,001x Рисунок 10 – Результат обучения Рисунок 11 – Регрессионная зависимость значений влажности по электрическому нейронной сети.
При изменении структуры входного влагомеру «TR – от 46908»
скорректированных значений прибора сигнала ошибка измерения влажности «ИКВП – 01»
существенно изменяется, рисунок 12.
На данном рисунке ошибки представлены в виде убывающей последовательности, в зависимости от структуры входного сигнала. При использовании полного вектора сигналов [Y1;
Y2;
X1;
X2;
X3], ошибка минимальна и составляет – 0,8%.
Средняя ошибка-sr, % Полученные ошибки относятся к матрице результатов экспериментов, которая являлась одновременно обучающей и контрольной.
В пятой главе «Технико экономическая эффективность» предложена система измерения влажности почвы на базе [Y1] [Y2] [Y1;
[Y1;
[Y1;
[Y1;
транспортного средства с навесным Y2;
] Y2;
Y2;
Y2;
оборудованием: бортового компьютера и X1;
] X1;
X1;
прибора «ИКВП – 01» рисунок 13.
X2;
] X2;
Алгоритм технологического процесса X3] измерения влажности прибором «ИКВП – Структура входного вектора 01» приведн на рисунке 14. Он состоит из Рисунок 12 – Диаграмма средней трх этапов: подготовительные операции, ошибки в зависимости от структуры проход по маршруту и обработка данных входного вектора измерений. Системность действий оператора заключается в выборе поля (1) и определении его участков (2) для проведения мониторинга влажности.
1 – исследуемое поле или участок;
2 – транспортное средство;
3 – прибор «ИКВП – 01»;
4 – точки измерения;
5 – бортовой компьютер;
6 – GPS спутники;
7 – датчик температуры почвы;
8 – датчик температуры воздуха;
9 – датчик влажности воздуха;
10 – GSM оборудование оператора связи;
11 – сервер системы мониторинга;
12 – компьютер пользователя;
13 – карта влажности Рисунок 13 – Система измерения ИК сигнала для определения Рисунок 14 – Алгоритм технологического процесса измерения влажности почвы в полевых условиях с помощью квадроцикла влажности по ИК излучению С помощью навигационной системы (9), прокладывают маршрутный ход (8). На основании блока (10) определяют шаг и дискретность измерений (11). В маркерных точках (3) определяют влажность (17) переносными приборами или в лаборатории (18).
По полученным данным определяются min и max границы (19). После переходят к измерениям влажности (4). В бортовом компьютере (5) фиксируется: ИК излучение почвы (12), измерения с датчиков (14), (15), (16) и другие параметры поля (12). Вся информация сохраняется в базе данных (22) и поступает на «сервер предприятия», где пользователь получает доступ к результатам измерения.
Для обработки данных, информация с блока (5) поступает на блок (8), где принимается решение, обучать модель нейронной сети или нет. Если «Да» – данные поступают на блок (20), где на основании блока (19) проводится расчет параметров влажности поля. Если «Нет» – данные поступаю на блок (7). Исходя из блока (20) и (22) происходит корректировка сигнала прибора и сигналов датчиков. Полученный результат (24) сохраняется в блоке (22). С помощью программных пакетов (23) строятся карты полей (21) с нанесением расчетных значений влажности отдельных точек, рисунок 15.
Расчет производительности предлагаемого нами прибора определения влажности почвы позволяет сократить время на измерение в 21, раза, по сравнению с переносным электрическим влагомером TR – 46908.
Нами также предполагается использование данного прибора в варианте установки на Рисунок 15 – Трхмерная карта беспилотном летательном аппарате, скорость влажности поля, построенная по перемещения которого больше, однако это требует реальным данным дальнейшей экспериментальной проверки.
В ходе расчета экономической эффективности годовая экономия денежных средств составляет 167,7 тыс. руб., а срок окупаемости – 1,5 года.
Результаты данных исследований подтверждены актами внедрения научной разработки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Анализ методов и приборов измерения влажности почвы показал, что в 1.
связи с совершенствованием технологических процессов производства сельскохозяйственной продукции, систем точного земледелия, управления оросительными системами появляется необходимость в измерении влажности в режиме реального времени на каждом участке поля в процессе выполнения сельскохозяйственных работ и при их проектировании. Для осуществления оперативных измерений влажности наиболее эффективно применение бесконтактных методов, основанных на измерении электромагнитного излучения почвы. В диапазоне длин волн менее 3 мкм присутствует отраженное и рассеянное солнечное излучение. Собственное излучение земли приходится на диапазон от 4 до 40 мкм с максимумом 10 мкм. В промышленности освоен выпуск инфракрасных пироэлектрических датчиков, что предполагает возможным измерение собственного излучения почвы в диапазоне от 5, до 14 мкм.
В соответствии с законом Стефана-Больцмана собственное излучение 2.
почвы зависит от температуры почвы и температуры элементов окружающего е фона.
Выявлена возможность определения влажности почвы по ее собственному излучению в оптическом диапазоне 5,5 – 14 мкм и создана нелинейная адаптивная модель измерения влажности в изменяющихся полевых условиях по температуре и влажности воздуха и температуре почвы. Излучающая способность почвы линейно зависит от количества находящейся в ней влаги, при этом прямое выделение в указанном диапазоне 5,5 – 14 мкм сигнала от влажности затруднено в связи с шумами от самой почвы и окружающего е фона.
Разработан и экспериментально исследован прибор для измерения 3.
влажности почвы по ее собственному излучению, состоящий из пироэлектрического датчика, для измерения прямого излучения почвы и излучения фона в оптическом диапазоне 5,5 – 14 мкм, и схема накопления данных. Прибор испытан в лабораторных и полевых условиях.
Предложена факторная линейная модель влажности почвы, включающая в 4.
себя температуру почвы, влажность и температуру воздуха. Экспериментальные исследования показали значимую корреляционную связь между сигналом датчика и факторами: температура почвы и окружающего воздуха, влажность почвы и воздуха, температура корпуса прибора, наличие окружающих предметов.
Предложена и экспериментально исследована в полевых условиях 5.
нелинейная адаптивная модель сигнала датчика влажности почвы на базе нейронной сети на фоне неуправляемых факторов внешней среды (фона). Модель предусматривает этап обучения (нахождения коэффициентов) по специальной базе данных, получаемой в процессе предварительного эксперимента или ранее проведенных измерений влажности на других участках и при других условиях. Тип сети – двухслойная прямой передачи, количество нейронов на входе – 10, ошибка обучения – 0,05%, количество циклов обучения – 12000.
Для повышения метрологических свойств прибора используется нейронная 6.
сеть прямой передачи. Входами данной сети являются – сигнал прибора, температура корпуса прибора, температура и влажность воздуха и температура почвы, выходом – влажность почвы. Ошибка измерения влажности зависит от структуры обучающего вектора:
8,2%, – фона ИК излучения с корпуса датчика и ИК излучения почвы снимаемого с чувствительного элемента;
минимальная 0,8% – при использовании полного вектора сигналов: фона ИК излучения с корпуса датчика, ИК излучения почвы с чувствительного элемента датчика, температуры окружающего воздуха, влажности окружающего воздуха и температуры почвы.
Предложена схема технологии использования прибора измерения 7.
влажности почвы в полевых условиях, включающая в себя: измерение излучения почвы данной точки;
измерение температуры и влажности почвы и воздуха (обучение), измерение температуры корпуса прибора;
измерение температуры и влажности воздуха;
обработка указанных сигналов в нейронной сети, обученной на результатах тестовых измерений на полях с разной структурой и типом почвы;
перемещение прибора по заранее намеченному маршруту по GPS координатам;
передача полученной информации по GPRS, GSM – каналам в базу данных предприятия для выработки решения.
Прибор для определения влажности почвы сокращает время на измерение в 8.
21,5 раза по сравнению с переносными электрическими влагомерами. При его использовании годовая экономия денежных средств составляет 167,7 тыс. руб., а срок окупаемости – 1,5 года.
В дальнейшей перспективе научных исследований необходимо уделить внимание совершенствованию конструкции прибора «ИКВП – 01» и технологии бесконтактного измерения влажности почвы.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России Попов, А.Н. Устройство бесконтактного измерения инфракрасной 1.
температуры для определения влажности почвы [Текст] / А.Н. Попов, А.С. Гордеев // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета, 2013. – №1. – С. 66 – 69.
Попов, А.Н. Экспериментальная установка для исследования 2.
инфракрасных сигналов почвы различной влажности [Текст] / А.Н. Попов, А.С. Гордеев // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2013.
– №4. – С. 91 – 94.
Попов, А.Н. Установка для экспериментального исследования влияния 3.
параметров светового излучения на растения [Текст] / А.А. Фокин, А.Н. Попов // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета, 2012. – №2. – С. 117 – 121.
Публикации в журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций Попов, А.Н. Инфракрасная экспресс диагностика заболевания мастита у 1.
коров [Текст] / А.Н. Попов // Инновационные технологии и технические средства для АПК: Материалы всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященные 100-летию Воронежского государственного аграрного университета им. императора Петра I. 28 – 29 ноября 2011г.(IV часть): Изд-во,. – г. Воронеж: ФГБОУ ВПО ВГАУ, 2011. – С. 187 – 188.
Попов, А.Н. Контроль влажности почвы инфракрасным методом [Текст] / 2.
А.Н. Попов // Актуальные проблемы энергетики АПК. сб. научн. тр., III Международная науч. практ. конф. / Под ред. А.В. Павлова. – Саратов: Издательство «Кубик», 2012. – С. 201 – 204.
Попов, А.Н. Методы обработки ИК-изображений тепловизионных 3.
приборов [Текст] / А.Н. Попов // Материалы 63-й науч. практ. конф. студентов и аспирантов (II раздел) сб. научн. тр. / Под ред. В.А. Солопова, Н.И. Грекова и др. – Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2011. – С. 106 – 111.
Попов, А.Н. Применение пироэлектрического датчика при определении 4.
влажности почвы инфракрасным методом [Текст] / А.Н. Попов, А.С. Гордеев // Материалы 64-й науч. практ. конф. студентов и аспирантов 27 – 29 марта 2012г. (I раздел) сб. научн. тр. / Под ред. В.А. Солопова, Н.И. Грекова и др. – Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2011. – С. 74 – 77.
Попов, А.Н. Разработка бесконтактного инфракрасного влагомера для 5.
почвы [Текст] / А.Н. Попов, С.Е. Товкач // Актуальные проблемы энергетики АПК. сб.
научн. тр, Международная науч. практ. конф. / Под ред. А.В. Павлова. – Саратов:
Издательство «Кубик», 2010. – С. 277 – 280.
Попов, А.Н. Экспериментальная установка для исследования 6.
инфракрасных сигналов почвы различной влажности [Текст] / А.Н. Попов // Моделирование энергоинформационных процессов. сб. научн. тр, I Международная науч. практ. интернет. конф. 10 – 15 декабря 2013г: Изд-во,. – г. Воронеж. гос. ун-т. инж.
технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2013. – С. 159 – 160.
Отпечатано в издательско-полиграфическом центре МичГАУ Подписано в печать 26.11.13г. Формат 60х84 1/ 16, Бумага офсетная № 1. Усл.печ.л. 1. Тираж 100 экз. Ризограф Заказ № _ Издательско-полиграфический центр Мичуринского государственного аграрного университета 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, тел. +7 (47545) 5-55-