Sebab mengapa penderia EC tanah suria LoRaWAN boleh menjadi "doktor tanah" pertanian pintar terletak pada penyepaduan mendalam teknologi penderiaan tepat kekonduksian tanah (EC), teknologi bekalan kuasa autonomi solar, dan teknologi penghantaran jarak jauh kuasa rendah LoRaWAN, mencapai keperluan teras "tiada pendawaian, tugas jangka panjang dan pemantauan yang tepat". Prinsip kerjanya boleh dipecahkan kepada empat modul utama, membentuk gelung tertutup lengkap daripada pengumpulan parameter tanah kepada aplikasi terminal data.
1、 Lapisan Persepsi Teras: Prinsip Pengukuran Nilai EC Tanah dan Parameter Berkaitan
Fungsi teras penderia adalah untuk menangkap nilai EC tanah dengan tepat (mencerminkan kemasinan/kesuburan), kelembapan dan suhu. Prinsip pengukuran ketiga-tiga parameter ini secara langsung menentukan ketepatan data dan juga merupakan asas untuk membimbing pengurusan pertanian.
-
Pengukuran nilai EC tanah (konduksi): tangkapan kuantitatif ciri kekonduksian ion
Nilai EC tanah pada asasnya adalah penunjuk kekonduksian ion larut (seperti nitrogen, fosforus, kalium, natrium, kalsium, dll.) di dalam tanah. Semakin tinggi kepekatan ion, semakin besar nilai EC. Sensor menggunakan kaedah dwi elektrod (atau kaedah empat elektrod) untuk mencapai pengukuran nilai EC, dan prinsip teras adalah seperti berikut:
Struktur elektrod: Probe sensor dilengkapi dengan 2-4 elektrod logam tahan kakisan (biasanya diperbuat daripada keluli tahan karat 316 atau aloi titanium untuk mengelakkan kakisan oleh garam tanah). Selepas dimasukkan ke dalam tanah, elektrod membentuk "litar konduktif" dengan tanah;
Pengujaan isyarat: Peranti menggunakan voltan AC frekuensi rendah yang stabil (biasanya 50-1000Hz untuk mengelakkan kesan polarisasi tanah yang menjejaskan ketepatan pengukuran) pada sepasang "elektrod pengujaan", membentuk medan elektrik seragam dalam tanah;
Pengumpulan semasa: Satu lagi pasangan "elektrod pengukur" secara serentak mengumpul arus lemah yang dihasilkan oleh pergerakan arah ion dalam tanah (saiz semasa berkorelasi positif dengan kepekatan ion);
Pengiraan data: Rintangan tanah dikira berdasarkan hukum Ohm (R=U/I), digabungkan dengan parameter geometri seperti jarak elektrod dan kedalaman sisipan. Kekonduksian tanah dikira menggunakan formula EC=K/(R × L) (di mana K ialah pemalar elektrod dan L ialah jarak elektrod), dan unit keluaran akhir ialah μ S/cm atau mS/cm.
Nota: Berbanding dengan kaedah dwi elektrod, kaedah empat elektrod secara berkesan boleh menghapuskan gangguan rintangan sentuhan tanah elektrod, dan mempunyai ketepatan yang lebih tinggi dalam senario ekstrem seperti tanah alkali masin. Julat ukuran boleh meliputi 0-20000 μ S/cm dengan ralat ≤ 3%.
-
Pengukuran kelembapan tanah: aplikasi teknologi reflekometri domain frekuensi (FDR).
Kelembapan tanah berkait rapat dengan nilai EC (kelembapan ialah medium pengangkutan ion), dan penderia biasanya menggunakan teknologi FDR (frequency domain reflectometry) untuk mengukur kandungan lembapan isipadu tanah. Prinsipnya adalah seperti berikut:
Penghantaran isyarat frekuensi tinggi: Probe dilengkapi dengan pengayun frekuensi tinggi, yang memancarkan gelombang elektromagnet frekuensi tinggi 100MHz-1GHz ke tanah. Apabila gelombang elektromagnet merambat di dalam tanah, "pemalar dielektrik" yang berbeza akan dihasilkan disebabkan oleh kandungan lembapan tanah yang berbeza (pemalar dielektrik tanah kering adalah kira-kira 3-5, air tulen adalah kira-kira 80, dan semakin tinggi kandungan lembapan, semakin besar pemalar dielektrik);
Pantulan dan penerimaan isyarat: Sesetengah gelombang elektromagnet dipantulkan kembali ke penderia oleh zarah tanah, dan modul penerima menangkap perbezaan fasa dan pengecilan amplitud isyarat yang dipantulkan;
Penukaran lembapan: Dengan menggunakan keluk penentukuran "kandungan lembapan malar dielektrik" pratetap (yang perlu ditentukur terlebih dahulu untuk jenis tanah yang berbeza, seperti tanah liat, tanah liat dan tanah berpasir), nilai ciri isyarat yang dipantulkan ditukar kepada kandungan lembapan isipadu tanah (unit:%), dengan ketepatan pengukuran ± 2% (julat kandungan lembapan).
-
Pengukuran suhu tanah: penukaran ciri rintangan suhu termistor
Suhu boleh menjejaskan ketepatan pengukuran nilai EC tanah dan lembapan (contohnya, peningkatan suhu boleh mempercepatkan pergerakan ion, menghasilkan nilai EC yang lebih besar), jadi adalah perlu untuk mengukur suhu secara serentak untuk "penentukuran pampasan". Teras menggunakan termistor NTC:
Ciri-ciri komponen: Nilai rintangan termistor NTC berkurangan secara eksponen dengan peningkatan suhu, dan ia mempunyai ciri-ciri kepekaan yang tinggi (perubahan rintangan boleh mencapai beribu-ribu ohm dalam julat -40 ℃ hingga 80 ℃) dan tindak balas pantas (≤ 1 saat);
Penukaran isyarat: Peranti menggunakan arus malar ke termistor, mengukur perubahan voltan pada kedua-dua hujung perintang (U=IR), membuat kesimpulan nilai rintangan, dan kemudian membandingkannya dengan "jadual perbandingan rintangan suhu" termistor untuk menukar suhu tanah, dengan ketepatan ± 0.5 ℃ dan resolusi 0.1 ℃;
Fungsi pampasan: Data suhu masa nyata disalurkan semula kepada modul pengukuran nilai EC dan kelembapan, dan ralat yang disebabkan oleh turun naik suhu diperbetulkan melalui algoritma (contohnya, untuk setiap kenaikan suhu 1 ℃, nilai EC meningkat sebanyak kira-kira 2%, dan sisihan perlu ditolak secara berkadar).
2、 Lapisan bekalan tenaga: tenaga dwi pelengkap tenaga suria dan bateri
Penderia perlu tanpa pemandu di lapangan untuk jangka masa yang lama, jadi sistem bekalan kuasa autonomi berkuasa suria adalah jaminan untuk operasinya yang stabil, dan terasnya ialah kerja kolaboratif "penyimpanan tenaga bateri + pengecasan solar":
-
Penukaran tenaga suria: penggunaan kesan fotoelektrik yang cekap
Pemilihan panel solar: Panel solar silikon kristal tunggal (dengan kecekapan penukaran fotoelektrik 20% -24%, lebih tinggi daripada silikon polihabluran) digunakan, dengan keluasan biasanya antara 50-100cm ². Mereka boleh mengeluarkan 5-10 Wj elektrik di bawah purata harian 4 jam cahaya;
Pengurusan pengecasan: dilengkapi dengan pengawal pengecasan MPPT (Penjejakan Titik Kuasa Maksimum), pengesanan masa nyata titik keluaran kuasa maksimum panel solar (seperti melaraskan voltan dan arus secara automatik apabila keamatan cahaya berubah untuk mengelakkan pembaziran tenaga), menghantar tenaga elektrik ke bateri dengan cekap;
Perlindungan pengecasan anti terbalik: Apabila tiada cahaya pada waktu malam atau dalam cuaca hujan, pengawal secara automatik memutuskan sambungan antara panel solar dan bateri untuk mengelakkan bateri daripada menyahcas secara terbalik ke panel solar dan memanjangkan hayat bateri.
-
Penyimpanan tenaga bateri: Reka bentuk nyahcas diri rendah jangka panjang
Jenis bateri: Menggunakan bateri lithium thionyl chloride (Li SOCl ₂), kapasiti biasanya 4000-19000mAh, dengan kadar nyahcas diri ultra-rendah (penyahcasan diri tahunan ≤ 1%, jauh lebih rendah daripada 5% -10% bateri litium), julat kerja suhu yang luas (-55 ℃ hingga 85 ℃ hingga 85 ℃), sehingga 85 ℃
Peruntukan tenaga: Bateri mengutamakan bekalan kuasa kepada "modul penderiaan" (EC, kelembapan, pengukuran suhu) dan "modul penghantaran" (komunikasi LoRa), hanya mengaktifkan komponen berkuasa tinggi semasa pengukuran dan penghantaran, dan memasuki mod tidur (arus tidur ≤ 10 μ A) apabila melahu, memaksimumkan hayat bateri.
3、 Lapisan penghantaran data: Komunikasi jarak jauh kuasa rendah menggunakan protokol LoRaWAN
Data nilai EC, kelembapan dan suhu yang dikumpul oleh penderia perlu dihantar dari jauh ke platform awan, bergantung pada protokol LoRaWAN untuk mencapai keperluan komunikasi "penggunaan kuasa rendah, jarak jauh dan liputan luas"
-
Lapisan fizikal LoRa: Sebarkan teknologi spektrum untuk penghantaran jarak jauh
Kaedah modulasi: Menggunakan teknologi modulasi spektrum penyebaran LoRa (berdasarkan CSSChirp Spread Spectrum), isyarat data dimuatkan pada "isyarat modulasi frekuensi linear" (seperti sapuan linear dari frekuensi 200kHz kepada 400kHz). Kaedah ini mempunyai keupayaan anti-gangguan yang kuat, dan walaupun isyarat ditenggelami oleh bunyi bising, ia masih boleh memulihkan data melalui penyahmodulasian;
Jarak penghantaran: Dalam pemandangan tanah ladang terbuka, radius liputan satu pintu masuk boleh mencapai 5-15km; dalam pemandangan terhalang seperti kebun dan bukit, radius liputan adalah 2-5km, jauh lebih baik daripada teknologi komunikasi jarak dekat seperti Bluetooth (100 meter) dan Wi Fi (1 kilometer);
Kawalan penggunaan kuasa: Mengguna pakai mod kerja "Kelas A" (kategori kuasa rendah yang ditakrifkan oleh protokol LoRaWAN), penderia hanya bangun seketika semasa "penghantaran data huluan" (seperti memuat naik data setiap 10-24 jam, dengan selang yang boleh disesuaikan) dan "arahan penerimaan hiliran" (seperti mengubah suai dari jauh pada selang pensampelan tunggal, dan masa tidur yang lain) milijoule.
-
Proses penghantaran data: Pautan daripada penderia ke awan
Pemprosesan data setempat: Penderia menukar nilai EC, kelembapan dan data suhu kepada isyarat digital dan memampatkan serta mengekodnya (seperti menggunakan JSON atau format binari untuk mengurangkan volum data, dengan penghantaran tunggal hanya 50-100 bait);
Penerimaan dan pemajuan gerbang: Data dihantar ke gerbang LoRaWAN berdekatan melalui modul RF LoRa. Pintu masuk menukar isyarat LoRa kepada isyarat Ethernet/4G dan memajukannya ke pelayan rangkaian awan (NS);
Penghuraian data awan: Pelayan rangkaian mengesahkan kesahihan data (seperti ID peranti, kunci penyulitan), dan kemudian memajukannya ke pelayan aplikasi (AS). Pelayan aplikasi menghuraikan data mentah kepada nilai EC yang boleh dibaca (seperti 800 μ S/cm), kandungan lembapan (seperti 60%), suhu (seperti 25 ℃), dan menyimpannya dalam pangkalan data.
4、 Lapisan aplikasi data: jaminan ketepatan untuk penentukuran dan pampasan
Data mentah perlu ditentukur dan diberi pampasan sebelum ia benar-benar boleh digunakan untuk membuat keputusan pertanian, yang merupakan langkah penting untuk penderia daripada "pengumpulan data" kepada "output nilai":
-
Penentukuran jenis tanah: menghapuskan gangguan daripada tekstur tanah
Struktur zarah dan kandungan bahan organik pelbagai jenis tanah (seperti tanah liat, tanah liat, tanah berpasir) berbeza-beza, yang boleh menjejaskan keputusan pengukuran nilai EC dan kelembapan. Penderia biasanya mempunyai perpustakaan penentukuran terbina dalam untuk berbilang jenis tanah (seperti 10-20 tanah biasa), dan pengguna boleh memilih jenis tanah yang sepadan melalui NFC mudah alih atau platform awan. Peranti secara automatik memanggil algoritma penentukuran sepadan untuk membetulkan sisihan ukuran (seperti menolak kesan penjerapan zarah tanah pada arus apabila mengukur nilai EC pasir).
-
Pampasan silang suhu dan kelembapan: membetulkan kesan faktor persekitaran
Pampasan suhu: Seperti yang dinyatakan sebelum ini, untuk setiap perubahan suhu 1 ℃, nilai EC berubah sebanyak kira-kira 2%, dan pengukuran lembapan juga mungkin mempunyai ralat disebabkan perubahan pemalar dielektrik. Peralatan menggunakan suhu tanah terkumpul masa nyata untuk membetulkan nilai EC dan data kelembapan secara linear atau tidak linear;
Pampasan kelembapan udara: Perumahan hos sensor dilengkapi dengan sensor kelembapan udara. Jika kelembapan udara terlalu tinggi (seperti semasa musim hujan), ia boleh menyebabkan pemeluwapan pada permukaan probe, menjejaskan kekonduksian elektrod. Peranti akan menentukan sama ada untuk menjeda pengukuran atau membetulkan data berdasarkan data kelembapan udara.
Ringkasan: Kerjasama prinsip mencapai "pemantauan tepat tanpa pemandu"
Prinsip penderia EC tanah suria LoRaWAN pada asasnya ialah "kerjasama pelbagai teknologi": penderiaan tepat parameter tanah dicapai melalui kaedah elektrod+teknologi FDR, masalah bekalan kuasa luar diselesaikan melalui tenaga suria+bateri litium-ion, penghantaran kuasa rendah jarak jauh dicapai melalui protokol LoRaWAN, dan kebolehpercayaan data dijamin melalui pampasan penentukuran. Kerjasama yang lancar daripada empat modul ini yang membolehkannya mencapai nilai teras "pengeluaran berterusan data tanah berkualiti tinggi tanpa campur tangan manual selepas penggunaan" dalam senario seperti ladang, kebun dan tanah alkali masin, menyediakan asas data untuk pengurusan tepat pertanian pintar.
