Обоснование структуры информационно-измерительной системы для мониторинга параметров почвы

УДК 004.658.2 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10011

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ПОЧВЫ

Э.А. Папушин, канд. техн. наук

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Россия, Санкт-Петербург

В рамках НИР 2017 года разработана компьютерная программа автоматизации исследований параметров почвенного состояния на опытном поле. Для автоматического получения параметров с поля необходима информационно-измерительная система мониторинга. Постоянный мониторинг параметров почвы на поле позволяет моделировать почвенное плодородие и способствует повышению урожайности. Сложные распределенные информационно-измерительные системы отличаются высокой стоимостью и выполняются единичными образцами индивидуально для каждого практического применения. Предложена структура информационно-измерительной системы мониторинга параметров почвы, которую можно реализовать на основе современных цифровых и аналоговых элементов. Основными элементами являются контрольно-измерительные модули, датчики, устройство сбора данных, WEB-сервер и программное обеспечение. Представленная структура системы создана на основе анализа научных и методических подходов к построению распределенных в пространстве информационно-измерительных систем, а также анализа рынка цифровых и аналоговых элементов. Реализация предложенной системы на практике позволит создавать типовые образцы низкой стоимости даже в условиях малого предприятия, что обеспечит их массовое внедрение в сельское хозяйство.

Ключевые слова: структура; мониторинг; информационно-измерительная система, параметры почвы.

Для цитирования: Э.А. Папушин. Обоснование структуры информационно-измерительной системы для мониторинга параметров почвы // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 1 (94). С 101-105.

JUSTIFICATION OF INFORMATION MEASURING SYSTEM FOR SOIL PARAMETER

MONITORING

E.A. Papushin, Cand. Sc. (Engineering),

Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg

According to research plan, in 2017 a computer program was developed for automation of field studies of soil state parameters. For automatic acquisition and monitoring of the field data, an information measuring system is required. Constant monitoring of soil parameters on the field allows modeling the soil fertility and contributes to higher yields. Complex distributed information measuring systems are rather expensive; they are created in unique samples individually for each practical application. The paper describes the structure of the required system, which can be implemented on the basis of modern digital and analog elements. The main elements are control and measuring modules, sensors, data collection units, WEB server

101

and software. The presented structure has been created following the analysis of scientific and methodological approaches to the construction of distributed in space information and measurement systems, as well as the market analysis of digital and analog elements. The introduction of the proposed system in practice will allow creating typical samples of low cost units even in the conditions of a small-scale enterprise that will contribute to their mass farming applications.

Keywords: structure; monitoring; information measuring system, soil parameter.

Введение

Постоянный мониторинг параметров почвы на поле позволяет моделировать почвенное плодородие и способствует повышению урожайности. Сложные распределенные информационно-

измерительные системы отличаются высокой стоимостью и выполняются единичными образцами индивидуально для каждого практического применения.

В разрабатываемой информационной системе «управления биологизированными технологиями» будет представлено автоматизированное решение ряда задач [15], представляющих ее функциональную структуру. Информационно-измерительная система мониторинга параметров почвы на опытном поле является ее составной частью. Разработка ИИСПП проводится с целью автоматизации сбора, хранения и обработки информации, полученной при проведении полевых исследований параметров почвенного состояния при исследованиях технологических процессов на опытном поле.

Материал и методы

В большинстве практических случаев поле имеет неоднородную почвенную структуру, поля делятся на участки, засеваемые различными

сельскохозяйственными культурами.

Поэтому любая ИИСПП состоит из конечного множества п контрольно-измерительных модулей (КИМ),

разнесенных по площади поля, каждый из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи - мониторинга параметров

почвы. ИИСПП может быть реализована на модульном принципе на открытых стандартах и протоколах.

Результаты и обсуждение

В результате мониторинга производится контроль параметров, напрямую влияющих на урожайность - влажности почвы на разных глубинах залегания, ее кислотности и температуры поверхностного слоя. Для измерения группы параметров, каждый 1-й КИМ содержит т датчиков:

/ = 1, 2., п; ] = 1, 2., т.

Измеренные данные от т датчиков со всех п КИМ передаются на устройство сбора данных (УСД). Подобные УСД необходимы для обработки данных - перевода их в реальные физические величины, выдачи запросов на отдельные КИМ для проведения повторных измерений, временного хранения данных и передачи их на облачные серверы посредством любого средства связи. На WEB-сервере должно быть реализовано специальное программное обеспечение, позволяющее наглядно отображать показания каждого у'-го датчика /-го КИМ (¡=1,2., п;'=1,2., т) по запросу пользователя.

КИМ передают данные на УСД посредством узкополосной беспроводной связи. Структурная схема ИИСПП представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема ИИСПП

Для распределенной в пространстве системы очень важна организация беспроводной связи при временных ограничениях на сроки ее использования в автономном режиме. Расстояния между КИМ и УСД рассматриваемой системы, в зависимости от расположения поля, количества КИМ на нем могут составлять десятки километров, а сроки автономной работы без обслуживания могут достигать несколько месяцев.

Наибольшее распространение получили такие беспроводные технологии связи, использующие не лицензируемые диапазоны частот, как Bluetooth, Wi-Fi на основе стандарта IEEE 802.11 и стандарт LPWAN [7-8]. Технологии Bluetooth и WiFi характеризуются недостаточной для ИИСПП дальностью связи и высоким энергопотреблением [6-8]. Целесообразным является использование технологии LPWAN. Такие сети характеризуются низкой скоростью передачи данных - порядка 0,01 Мбит/с, сверхнизким энергопотреблением и дальностью связи на открытых пространствах до 50 км. Скорость передачи данных для ИИСПП не является критичным показателем.

Основными элементами ИИСПП являются КИМ. КИМ представляют собой массив из датчиков Д1...Дда (рисунок 1), расположенных на определенных глубинах относительно поверхности почвы, передающего модуля беспроводной связи и микроконтроллера для управления процессами измерений и передачи данных.

Для измерения температуры почвы можно использовать термопары. Для измерения влажности используются емкостные цифровые датчики SHT15, реализованные в защитном корпусе класса IP67 и имеющие встроенный 12-битный стандартный АЦП. Погрешность измерений для встроенного в датчики SHT^ первичного измерительного преобразователя влажности составляет 2%.

Для каждого контрольно-измерительного модуля достаточным является использование 8-разрядного микроконтроллера (МК).

Функциями микроконтроллера в составе /-го КИМ являются управление датчиками и конечным устройством в каждом цикле «измерение - передача данных», преобразование измеренных значений в реальные физические величины, временное их хранение и последующее формирование структурированного кадра для передачи на УСД, прием команд управления от УСД, реализация системы единого времени для временного разделения каналов.

УСД, кроме вышеперечисленных задач высокоуровневой обработки данных, ведения баз данных на энергонезависимом носителе и выдачи данных на облачные серверы, также выполняет функции серверов Network и Application Server при координации работы всех КИМ 1...n - управляет скоростью передачи данных и временными слотами, выделенными под отправку

информационных сообщений. Чаще всего в подобных задачах применяются такие одноплатные компьютеры, как Raspberry или Arduino на микроконтроллере ATmega2560 [9].

Для передачи данных от всех n КИМ на WEB-сервер и последующей их обработки данных с целью визуализации и выдачи пользователю в различных формах, документирования, выполнения процедур диагностики и прогнозирования параметров почвы необходимо программное

обеспечение. 103

Выводы

Представленная структура информационно - измерительной системы мониторинга параметров почвы построена на основе анализа научных и методических подходов к построению распределенных в пространстве информационно-

измерительных систем, а также анализа рынка цифровых и аналоговых элементов. Реализация предложенной ИИСПП на практике позволит создавать типовые ИИСПП низкой стоимости даже в условиях малого предприятия, что обеспечит их массовое внедрение в сельское хозяйство.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Матейчик С.Н., Папушин Э.А., Серзин И.Ф. База данных оперативного управления реализацией производительности кормоуборочного агрегата // Инновации в сельском хозяйстве. 2017. № 2 (23). С. 286291.

2. Свидетельство о госрегестрации базы данных # 2017620732 База данных для преобразования и накопления данных спутникового мониторинга от 05.07.2017 / Матейчик С.Н., Папушин Э.А.

3. Матейчик С.Н., Папушин Э.А. Концептуальная модель оценки и анализа результатов научного эксперимента // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. №92. С. 12-18.

4. Папушин Э.А., Матейчик С.Н. База данных информационной системы управления техническими средствами в растениеводстве // Технологии и технические средства механизированного

производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. №92. С. 6-11.

5. Матейчик С.Н., Папушин Э.А. Программа для ЭВМ систематизации и обработки данных полевых экспериментов на опытном поле// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. №93. С. 27-33.

6. Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи. М.: Техносфера, 2006. 288 с.

7. Гусева В.С. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. М.: Изд. дом «Вильямс», 2004. 304 с.

8. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом и оборудованием. М.: Горячая линия Телеком, 2009. 608 с.

9. Смольянинов И. Разработана новая технология связи для беспроводных АСКУЭ // Энергетика и промышленность России. 2016, №01-02 (285-286). С. 28.

REFERENCES

1. Matejchik S.N., Papushin E.A., Serzin I.F. Baza dannyh operativnogo upravleniya realizaciej proizvoditel'nosti kormouborochnogo agregata [Database for in-process control of forage harvester performance]. Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2017; 2 (23): 286- 291

2. Matejchik S.N., Papushin E.A. Baza dannyh dlya preobrazovaniya i nakopleniya dannyh sputnikovogo monitoring. Svidetel'stvo o gosregestracii bazy dannyh 2017620732 ot

05.07.2017 [Database for conversion and accumulation of satellite monitoring data. Certificate of state registration of the database 2017620732 of 05.07.2017]. 3. Matejchik S.N., Papushin E.A. Konceptual'naya model' ocenki i analiza rezul'tatov nauchnogo ehksperimenta [Conceptual model of estimation and analysis of scientific experiment results]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo 104

proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; 92: 12-18.

4. Papushin E.A., Matejchik S.N. Baza dannyh informacionnoj sistemy upravleniya tekhnicheskimi sredstvami v rastenievodstve [Information system database for control of machines and equipment used in crop farming]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; 92: 611.

5. Matejchik S.N., Papushin E.A. Programma dlya EHVM sistematizacii i obrabotki dannyh polevyh ehksperimentov na opytnom pole [Application software for field experimental data consolidation and processing]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; 93: 27-33.

6. Shahnovich I.V. Sovremennye tekhnologii besprovodnoj svyazi [State-of-the-

art technologies of wireless communication]. Moscow: Tekhnosfera, 2006: 288.

7. Guseva V.S. Osnovy postroeniya besprovodnyh lokal'nyh setej standarta 802.11 [Fundamentals of construction of wireless local networks of 802.11 Standard]. Moscow: Vil'yams Publishing House, 2004: 304.

8. Denisenko V.V. Komp'yuternoe upravlenie tekhnologicheskim processom, ehksperimentom i oborudovaniem [.Computerassisted control of a technological process, experiment and equipment]. Moscow: Goryachaya liniya-Telekom, 2009: 608.

9. Smol'yaninov I. Razrabotana novaya tekhnologiya svyazi dlya besprovodnyh ASKUEH [A new communication technology for wireless automated electricity metering systems has been developed]. Energetika i promyshlennost'Rossii. 2016; 01-02 (285-286): 28.

УДК 631.316.41 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10016

ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ПОСАДОК КАРТОФЕЛЯ НА ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЧВЕННОГО СОСТОЯНИЯ В КОРНЕОБИТАЕМОМ СЛОЕ РАЗВИТИЯ

РАСТЕНИЙ

А.Б. Калинин1, д-р техн. наук; П.П. Кудрявцев1;

1 2 А.А. Устроев , канд. техн. наук; И.З. Теплинский , канд. техн. наук

1 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия 2Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Санкт-Петербург, Россия

Представлены результаты экспериментальных исследований параметров почвенного состояния на посадках картофеля при формировании гребней пропашным фрезерным культиватором GF-400 с активными рабочими органами и культиватором GH-4 с пассивными рабочими органами и глубоким рыхлением междурядий. Для регистрации параметров использован измерительно-передающий комплекс на базе мобильной метеостанции iMetos, обеспечивающий также и передачу данных по модемной связи на специальный сервер хранения информации. Установлено, что применение пропашного культиватора с пассивными рабочими органами и глубоким рыхлением междурядий