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精准养分管理

精准农业中几种关键设备的原理与应用

张　宁，白由路，姜　城
（中国农业科学院土壤肥料研究所，北京　100081）

　　精确农业（Precision Agriculture）的含义就是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化各项农业投入，以获取最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源。精确农业是现有农业生产措施与新近发展的高新技术的有机结合[1]。目前精准农业主要从两个方面进行，一是基于地理信息系统（GIS）、全球卫星定位系统（GPS）、遥感技术（RS）和计算机自动控制系统的精准农业，也就是所谓的基于“3S”的精准农业；二是基于传感器技术的精准农业[2~3]。目前，基于管理的对象不同，采用的技术基础各异。但无论其基于的技术如何，最终实现的是对农业措施的变量控制。本文就目前精准农业中常用的几种关键设备作以简单介绍，旨在为普及和应用精准农业技术服务。

　　1 实时和后差分式全球定位系统

　　全球卫星定位系统（Global Positioning System）精准农业的关键设备之一，为了提高其定位精度，目前常采用差分式全球卫星定位系统（Differential Global Positioning System），简称DGPS。美国Trimble 公司生产的AgGPS132农用全球定位系统，包括有接收天线与接收机组成（图1），天线可以安上立柱插在背包上，由人背着流动。也可以安装在磁铁座上吸在汽车或拖拉机顶上。在基准点使用时，可安装在三脚架上，天线的作用是让接收机实时收到多颗卫星的信号。不采用差分定位时，测定误差一般在10米以上，对精确定位来讲精度是不够的。差分式全球定位系统的精度的可达到厘米级，农用的也达到亚米级精度。其原理是基于干扰信号同步发射原则，由两台GPS接收机同时工作，一台安置在已知坐标的基准站上，另一台用于未知坐标点的定位。基准站收到卫星定位信号后，经与已知坐标校正，得到干扰信号，并通过发射电台，送至移动站，移动站在收到卫星定位信号的同时，也需收到基准站的干优信号，经差分校正就可以得到准确的大地坐标。所以，与AgGPS132全球卫星定位系统相配套的有RFM96S信号发射台和RFM96W信号接收器（图1）。

(图：图1 Trimble Ag132型差分式GPS接收机及RFM96S信号发射台RFM96W信号接收器)

　　上述系统的差分校正与卫星信号接收基本上是同步的，因此称实时差分全球卫星定位系统。与此对应的是后差分式全球卫星定位系统，图2是一台MAGELLAN公司生产的ProMARK X-CM型后差分式GPS接收机，后差分式GPS接收机与实时差分式GPS接收机的工作原理相似，但基准站与移动站之间不需要配备信号传输系统，只要求同步接收卫星信号。移动站上测到的结果是未经差分校正的，要取得精准的定位数据，必须要在测定结束后将两台GPS接收机的测定结果输入计算机，经处理后可得到经差分校正后的精确结果。所以，称后差分式全球卫星定位系统。

(图：图2 ProMARK X-CM型 GPS接收机)

　　与田间作物实时计产器和变量施肥机同时工作的必须是实时差分GPS系统，而后差分式GPS系统适用于土壤采样及田间调查。由于后差分式GPS系统不需要配备信号发射台和信号接收机，因而比较轻便，价格也比实时差分式GPS系统低廉。

　　2 机载式自动取土钻

　　详细的土壤信息是开展精准农业工作的重要基础。过去田间取土样是依靠人工用取土钻取土。在大范围内取样时，单纯的人工手段已无法适应，这里介绍的是两种机载式自动取土器。

　　2403型自动取土器可安装在农用拖拉机上，见图3。取土器安装在拖拉机后部的支架上，由拖拉机的液压输出系统控制取土器的取土操作。取土的深度可以调整为20cm到60cm，钻头下达到预定深度即将土样在提升时自动刮入取土槽内，可以跟据需要取一次即将取土槽内的土样倒入土样袋内，也可以取若干次后将混合土样倒入土样袋内。配合GPS系统的使用，每次取土点的坐标位置都同时记载，取土结束后即可应用GIS软件做出取样点的分布图。

(图：图3 安装于拖拉机上的2403型取土器)

　　2400型取土钻是安装在我国常用的农用汽车上，俗称“皮卡车”。该类车有后斗，平时 取土钻架在后斗上，工作时立在车的一侧见照片(图4)。工作情况与安装在拖拉机上的一样，区别是用汽车的电源驱动液压泵来控制取土钻的操作。

(图：图4 安装于皮卡车上的2401型取土器)

　　3 安装于谷物联合收割机上的产量自动记录设备

　　了解地块内产量的变异是实施精准农业的一项内容，地块的产量图是今后生产决策的一项重要依据。安装于作物联合收割机上的产量自动记录设备是根据联合收割机的不同、计产对象的区别选择不同的设备组合而成，这里介绍的是小麦产量自动记录设备。

　　TNgs100 计产器由美国MICRO-TRAK公司生产，包括数据控制器（Grain-Trak）和中央处理器（Grain Sensor Input Module）二部分（见图5）。另外还需要数据采集器（Data-Trak）、产量测定设备 、全球定位（GPS）设备、距离测定设备、联合收割机收割台起落的感应设备、水分测定设备等等与之配合使用。

(图：图5 数据控制器与中央处理器)

　　数据控制器上有显示屏和一系列开关和按钮，通过它进行各连接设备的标定，工作时显示屏上显示出来自中央处理器反映各项工作状态的参数。中央处理器上有一系列插座，产量测定设备 、全球定位、距离测定设备、联合收割机收割头起落的感应设备、水分测定设备等得到的信息都集中到这里，处理后传送到数据控制器。

　　数据采集器是一台存贮卡驱动器（Memory Card Driver），存贮卡插在上面就可以记载工作中的信息，工作结束后取下存贮卡插到笔记本计算机上即可将信息保留在计算机内，并形成地块的产量图（图6）。

(图：图6 数据采集器)

　　产量测定设备是整套设备的关键，MICRO-TRAK公司生产有适合于特定型号联合收割机上用的测产探头，我们采用的是一种通用性的测产探头，型号是CGS 100 Flow Sensor Kit。安装于联合收割机谷物提升斗的顶端，感应器（Sensor Flow）接触到麦子的流动(图7)，然后将麦流量信息传到中央处理器。

(图：图7 测产探头)

　　全球定位系统采用具有实时差分功能的AgGPS 132全球卫星定位系统，通过它取得联合收割机的实时位置信息，TNgs100 型作物实计产器与该设备有可以很好的连接。

　　距离测定设备，用的是磁速度感应（Magnetic Speed Sensor Kit）设备，将磁性材料固定在联合收割机的轮轴上，随着轴的转动每一圈都给探头一次信号，量一下轮胎的直径就得到每一圈联合收割机前进的距离，乘上割幅即得知当前收割的面积。

　　联合收割机割台起落的感应设备是一个装在收割头起落架上的磁性开关，一旦联合收割机停止工作，割台抬起时，由该传感器获得信息，使产量信息记载停止。

　　水分测定设备（DMC Moisture Sensor Kit）是一个可选的部件，安装在谷物流通过的地方，设备感应出水分的含量通过中央处理器对产量进行校正。图8是装有全套产量自动记录设备的联合收割机工作图片。

(图：图8 差公式全球卫星定位系统与田间实时计产器联用的情况)

　　4 变量施肥的实施设备

　　精准农业的本质就是根据收集到的土壤作物空间变异信息，在生产中针对地块的具体情况确定出相应的农业措施。由于地块的空间变异性，因此一些耕作措施也必须能在操作的过程中做出相应的变化。需要变化的耕作措施内容是很多，主要包括灌溉、农药的施用、除草剂、播种、施肥等等，其中变量施肥是一项重要的措施。精准农业的实施可以说是一项复杂的工程，前期大量工作结果将集中要一张操作指挥系统图上，图上提出地块中不同地点相应农艺措施的要求，而实施措施的变化就需要有能记载这张操作指挥系统图的计算机、需要有相应的设备能知道当前机具所在地块上的位置、又能从操作指挥系统图上读取得当前对农事措施的要求，然后按照要求命令机具去执行。

　　国外已有适于精准播种和施肥的机具，图9是一台在精密播种的同时可以实现两种固体肥料变量施用的机具。

(图：图9 美国Conserva Pak公司的129A型精密播种施肥机)

　　实现变量施肥使用的设备是根据现有设备组装起来的。地块图的绘制、土样的采取和测定、根据土样测试结果确定施肥量的变化、最后形成的操作指挥系统图等等前期工作都是在台式计算机或笔记本计算机上完成。

　　但是笔记本计算机经不起在野外风沙的侵蚀和拖拉机上的颠簸，因此选用美国Trimble公司生产的AgGPS 170计算机（图10）。该计算机属于全封闭防砂防水型，经得起颠簸，可以导入已做好的地块图，可以接收AgGPS 132型GPS提供的信号，也可以配合导航设备（AgGPS Parallel Swaching），引导拖拉机按地块图上设定的行驶路线运行，还能够根据GPS提供的当前位置读取操作指挥系统图上当前应采用的农事措施信息，如施用多少肥料的信息等。

(图：图10 Ag170型田间计算机)

　　在施肥方面，采用AGTRON 公司提供的气流播种机控制模块GR-99和液压控制系统。GR-99的外型见图11，由控制台和开关盒组成。

(图：图11 控制模块GR-99)

　　GR-99模块具有综合控制各种农事作业的功能，它能链接许多类型的模块，其中包括GPS模块和阀门驱动电子模块。GPS模块接收当前位置信息，AgGPS 170计算机可读出当前位置应该施用多少肥料的信息。而阀门驱动电子模块提供控制液压马达变化以控制肥料施用量。

　　施用多少肥料的信息的执行，采用AGTRON 公司提供的TASC 6100液压控制系统。基本原理见图12。

(图：图12 液压控制系统基本原则)

　　该系统的工作原理是：控制台根据GPS信号和施肥量信号控制阀门驱动电子模块，模块将信号传到液压控制阀改变液压的压力大小，液压的大小变化改变液压马达的转速，转速的改变通过链轨改变转动轴的转速，转速变动施肥量也就得到控制。

　　主要参考文献

　　[1] 金继运. “精准农业”及其在我国的应用前景. 植物营养与肥料学报, 1998, 4(1): 1~7.

　　[2] Sidney Cox. Information technology: The Global Key to Precision Agriculture and Sustainability. Proceedings of international conference on engineering and technological sciences 2000. Beijing: New World Press , 2000:15~23.

　　[3] Naiqian Zhang, Maohua Wang,Ning Wang. Proceedings of international conference on engineering and technological sciences 2000. Beijing: New World Press , 2000:121~132.