农业电气自动化中智能控制仪表系统应用方法研究

孟旭尧?何婷

摘要：当前中国农业生产体系发生了巨大革新，向现代化和科技化方向发展。在此背景下，农业电气自动化技术应运而生并被广泛使用到各种农作物种植环节中，对推动农业发展起到至关重要的作用。其中智能控制仪表系统是现代农业电气自动化系统的重要组成部分，具有智能化程度高、可靠性强等优点，能实现远程监测与自动控制，为农业生产提供更为安全有效的保障。基于此，重点探讨农业电气自动化中智能控制仪表系统应用，并提出优化建议。

关键词：农业电气自动化；智能控制仪表系统；应用方法；路径探析

传统农业生产主要依靠人力，效率和机械化程度较低。在当前科学技术快速发展的情况下，自动化技术逐渐成了现代农业生产中不可缺少的重要部分，很大程度上提升了中国整体农业现代化水平。引进新技术的同时，必须考虑其应用效果以及未来发展前景，加强对智能控制仪表系统的研发工作，并将该系统合理有效地运用到农业生产当中，提高农业生产效率和质量，降低劳动强度和劳动成本，促进现代农业建设的可持续化发展。

1 智能控制仪表系统分析

1.1 智能控制仪表系统简介

农业电气自动化中智能控制仪表的应用，能实现对农作物生长过程的智能化监控。其主要原理为采用先进的计算机技术和通信技术，以单片机为核心，通过传感器检测农田信息并进行处理后输出相应的信号至PLC，由PLC完成各种自动控制功能[1]。同时将数据存储在存储器内，当需要时可以直接调用该数据进行计算、分析、判断。智能控制仪表主要由单片机和传感器组成，其中传感器是系统最重要也是最常使用的一种元件，它负责采集土壤温度、湿度、光照强度等多种参数，经过A/D转换送入单片机，再经数据处理电路进行运算、比较后输出一个或几个特定频率的电信号，从而驱动执行设备工作。而单片机作为整个控制系统的核心部件，承担着对所需物理量进行实时监测与实时处理的任务。运行过程中，各功能模块之间必须相互协调配合才能使系统稳定的运行，促进单片机与PC机的融合，提高测控系统性能。随着技术的更新换代，如今智能控制仪表已逐渐发展成为集计算机控制技术、微电子技术、通信技术以及电力电子技术于一体的新型机电一体化产品，被广泛运用于农业生产领域，如：温室大棚的温度控制，农产品产量及质量的在线监测，工业环境下的电能计量等方面。

1.2 智能控制仪表系统工作原理

农业电气自动化中，为充分发挥智能控制仪表系统优势，首先应明确其工作原理，作为重要组成部分，传感器主负责信息采集与传输的功能，而控制器则是对信号进行分析处理并转化为输出结果的核心器件[2]。传输过程中，难免会遇到信号干扰，这时应利用滤波器有效滤除干扰源，保证数据传输准确性，将信号传输到多路模拟器开关中。单片机通过串口通信实现数据接收和显示，同时在程序上加入滤波算法以提升运算效率，最终完成对数据的优化处理。应用A/D转换器对模拟量進行转换，从而得到数字量后再发送给微处理器。若要确保设备运行安全稳定，还需定期检测系统各部件性能是否达标，如温度、湿度等参数，以此保障装置正常运转。

2 智能控制仪表系统的特点

2.1 自动操作性能

智能控制仪表系统具有自动化操作特点，利用微控制器实现对农业生产中相关参数的监测与分析[3]。具体而言，其自动操作性能主要体现在以下几方面：其一，数据采集模块将检测到的各种信息传输至处理中心。其二，数据处理模块通过运算算法进行数据分析和计算，并根据结果生成相应的图表或报告输出显示。其三，报警及故障指示功能可及时发出声光报警，同时自动设置和调整运行状态。其四，远程监控功能，工作人员可以随时随地查看现场情况，方便地了解设备运行状况[4]。

2.2 较好的自测功能

农业电气自动化智能控制仪表系统的自测功能主要是对整个系统运行情况进行监测和记录，及时反映各个部件工作状态。当发现问题时，通过分析故障原因查找解决问题方法，以便快速恢复设备正常运转。另外，还能全面检测系统运转，避免因操作不当引起系统瘫痪现象。

2.3 数据处理能力

任何仪表在运行中难免会出现各种故障，农业电气自动化智能控制仪表系统也不例外，其故障主要集中于硬件和软件两个方面。其中硬件部分的故障一般表现为：电源供电不足或短路。电压互感器、电流互感器等二次回路损坏，继电器触点接触不良引起误动作等。但智能控制仪表系统具有数据处理能力，它可以将采集到的信号经过处理后传输给计算机进行分析、运算并做出判断，从而实现自动控制功能。而软件系统则是由上位机通过人机界面来显示所检测的信息，用户可对仪表系统进行实时监测与操作，完成相应的任务，如设置参数、查询历史数据。

2.4 人机对话功能

智能控制仪表系统最大的特点为人机对话功能，即由用户通过键盘选择所需的参数或状态。这种人机友好型的操作方式不仅能减少人为因素对生产过程产生的影响，还能使整个控制系统更具智能化水平。并且使用该功能搜索时可在屏幕上直接显示出各被测物理量（如温度、压力、流量等）和相应的数值及曲线。当需要改变某一个量时，只要输入该值后即可自动切换到另一不同的设定值并输出与之对应的结果，从而大大地提高了测量精度，缩短了调节时间，避免了人为误动作发生。

3 农业电气自动化中智能控制仪表系统应用方法探析

3.1 对土壤的检测分析

智能控制仪表系统在土壤检测分析应用中主要对土壤水分和温度进行测量，其功能的实现依赖于传感器技术与计算机技术[5]。众所周知，农业生产中，土壤的物理特性对农作物健康生长起到了关键作用，为此必须控制好土壤的湿度与其他参数。而智能控制仪表系统则能准确地检测出土壤条件，进而为科学施肥提供可靠依据，提高作物产量。其分析方法如下：第一，根据不同地区的气象数据确定需要采集的环境温湿度值，并将其转化为数字信号后传输给微处理器。第二，通过比较各环境参数之间的相关性识别异常点所在区域，利用K－均值聚类算法提取特征信息，建立BP神经网络模型预测土壤含水量。利用所得到的预测值对目标变量进行优化选择，获得最优的灌溉量和种植密度，指导农田管理。例如，玉米种植中，种子对土壤的需求条件包括土壤容重、田间持水量及有效水势等。土壤养分状况又受到水分含量、PH值及有机质等因素影响，为合理分配肥料用量，避免不合理使用农药造成环境污染，必须掌握这些关键因子的变化情况。通过利用智能控制仪表系统能测出上述指标的动态变化规律，达到精准施肥目的[6]。

3.2 水质检测中的应用

农业灌溉的主要目的是将作物所需要的水供给到农作物生长区域，确保其正常生长。然而由于农民滥用乱用化肥等现象，导致水质不断恶化，影响了农作物的质量和产量。为解决这一问题，应科学引入智能控制仪表系统，优化水质检测过程，实现水资源可持续利用。水质检测中智能控制仪表系统能在复杂环境下进行数据采集与分析处理，并根据监测结果对水质进行合理调控，提高水质检测效率及准确性。与此同时，水质检测系统还具有良好的预警功能，通过报警提示操作人员及时了解水体污染程度，并出具报告帮助维护部门作出正确决策。总之，在水质检测中利用智能控制仪表系统需要注意以下几点：其一，根据实际情况选择水质检测器型号，保证仪器运行稳定可靠。其二，结合现场设备状况调整采样时间，如：SBD-1型溶解氧检测仪采用24h连续自动定时采样法，而DQS—2型溶解氧传感器则需每天定期取样测定。其三，针对不同类型水样分别制定相应标准操作规程，通常情况下，ZJG-1A型地表水质仪规定每次测试前必须先记录好所取样品量、PH值、电导率、浊度、总硬度以及氨氮含量。ZJ-2B型地下水质分析仪则要求每小时要测量一次水样，以便于后期数据分析处理。其四，水质检测时，为减轻人员工作压力应使用便携式水情测报仪实时获取测点水位信息，通过GPRS传输至服务器或上位机软件方便工作人员查询。

3.3 农业生产虫害检测的应用

病虫害是农业生产中的常见问题，如何有效控制这一病害发生，应加强对智能控制仪表系统的开发应用。第一，根据植保工作需要设计基于Lab VIEW软件和单片机技术的植物保护远程控制系统。第二，针对该控制系统进行了硬件电路设计和软件设计，包括传感器模块，A/D转换模块，MCU控制器等。第三，通过在实验室搭建实验平台测试整个系统运行效果并得出相关数据。具体应用中，系统先分析植物生长调节剂和农药作用机理与特点，结合作物长势监测结果制定相应防治方案。然后利用所研制的植保远程控制系统采集农作物叶片图像信息，将其传输到上位机监控中心，再由下位机以无线方式传输给中央控制室显示或报警。当植株出现萎蔫现象时，自动开启喷药功能，随着土壤含水量下降至田间持水量以下（即低于田间持水率），自动关闭喷药功能，直至土壤恢复水分含量后再次开始喷药。若出现害虫危害症状时，则自动打开杀虫灯照明及灯光强度调节功能，直到完成虫害处理为止，最终实现无人值守情况下的精准施药目的。

3.4 农业气象检测功能

智能控制仪表系统还具有农业气象监测功能，不仅能及时搜集气象数据，还能自动完成对农作物生长环境的分析和评估。农业气象智能控制仪表系统的设计采用了Zig Bee技术作为主要通信手段，GPRS作为无线数据传输方式，GSM短信服务作为辅助通讯方式，结合了传感器、嵌入式技术等先进技术[7]。在硬件上，利用MSP430单片机为核心，实现温湿度采集模块、雨量检测模块、光照测量模块以及土壤湿度测量模块的集成。软件方面，通过串口与上位机进行无线连接，Socket编程实现远程监控，根据不同区域内的環境参数确定相应的控制策略。便于技术人员第一时间了解天气状况，同时，能将温度、降雨信息发送到手机端或者其他移动设备中，方便农民查看当前实时天气，提前做出应对方案，保证生产安全。

4 优化农业电气智能控制仪表系统策略

4.1 控制干扰仪表因素

农业电气智能仪表系统在运行中会受到外界等多种原因的干扰，从而导致测量结果出现偏差。其中差模干扰与外部共模干扰是产生测量误差的主要因素之一。因此，为了解决该问题技术人员应采用适当措施降低差模和共模信号对仪表精度造成影响。深入检测仪表故障位置，通过分析不同类型的干扰源找出具体成因，根据实际情况提出相应对策。在研究中设计人员发现基于FPGA技术的数字信号调理芯片（ADSP）具有良好的抗干扰能力，能将差模或共模波进行隔离处理，并有效消除引起的误差。硬件设计中选用了高性能数字信号处理器DSP2812作为核心控制器，利用其高速运算能力，使电路工作更加稳定可靠，同时使用高精度模拟器件LM3S9B060完成信号调理任务。软件设计中，采用模块化编程思想，结合软件滤波方法减小传感器输出电压的谐波含量。此外，VHDL语言也能实现复杂可编程逻辑门阵列（PLD）功能，为电路设计提供便利条件，提高设计效率。

4.2 优化智能控制仪表系统

智能控制仪表系统的优化中需注意以下几点：其一，正确选择传感器，根据所要求的精度及使用环境确定型号和规格[8]。对所测物理量进行必要的校正，如温度补偿、压力补偿等。了解被测量与测量值之间关系，合理地设置量程范围。其二，为保证较高的精确度，应尽可能采用高精度的变送器，同时要注意其接线方式以及安装位置。其三，选用合适的控制器，在满足工艺需求的前提下尽量降低成本。其四，加强对技术人员的培训，提高其专业素质，使其能将理论灵活应用于实践中，充分发挥智能控制技术作用。其五，为了提高系统可靠性，可通过对系统内部电路结构进行改进或更换硬件设备实现，达到简化电路设计，降低功耗，延长使用寿命目的。

5 结语

综上所述，科学技术的进步推动了农业电气自动化智能控制仪表系统的发展，促进农业集约化、智能化、高效化管理。总之，我国目前农业电气自动化智能控制仪表系统研发正处于初步发展阶段，要想突破现状，必须对其进行深入研究分析，结合当下农业生产实际情况和未来发展趋势制定合理科学的实施方案。另外，技术人员作为主要推广者与实施者，应积极学习国外先进技术，遵循因地制宜原则，从当地农业实际出发设计出适合本地使用的仪器仪表设备，提高农业生产效率。

参考文献

[1] 刘泽革.农业电气自动化中智能控制仪表系统的应用研究[J].山西农经，2020（21）：150-151.

[2] 李宏超.农业生产发展中智能控制仪表系统的设计及应用[J].南方农机，2020，51（18）：7-8.

[3] 朱赞.智能控制仪表系统在农业电气自动化中的应用[J].农业技术与装备，2020（1）：35-36.

[4] 叶佳俊.智能控制仪表系统在农业电气自动化中的应用研究[J].广西农业机械化，2019（5）：7.

[5] 许恺杰.智能控制仪表系统在农业电气自动化中的应用[J].广东蚕业，2019，53（9）：52-53.

[6] 张抗.智能控制仪表系统在农业电气自动化中的应用研究[J].电脑知识与技术，2019，15（8）：163-164.

[7] 莫中凯.智能控制仪表系统在农业电气自动化中的应用研究[J].农业与技术，2019，39（2）：44-45.

[8] 范广忠.农业电气自动化中智能控制仪表系统的应用探讨[J].南方农机，2018，49（16）：132.