ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ТВЕРДОСТЬ ПОЧВЫ, СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПОЧВЫ 7
1.1 Физико-механические и технологические свойства почв 7
1.2 Пенетрация 13
1.3 Методика измерения грунтовым пенетрометорм 14
1.4 Обзор и анализ существующих аналогов пенетрографов 14
ГЛАВА 2. ПОДБОР ЭЛЕМЕНТОВ 21
2.1 Конструктивная и структурная схемы прототипа устройства для мониторинга почвы 21
2.2 Выбор датчика давления 23
2.3 Выбор способа и устройства беспроводной передачи данных 29
2.4 Выбор контроллера 33
2.5 Подбор элементов для макета на первом этапе разработки устройства
2.6 Выбор языка и среды программирования 41
2.7 Анализ данных, передаваемых с контроллера в программу мониторинга
ГЛАВА 3. ПРОГРАММНАЯ И АППАРАТНАЯ ЧАСТИ ПРОТОТИПА УСТРОЙСТВА
ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТВЕРДОСТИ ГРУНТА 44
3.1 Аппаратная часть макета пенетрометра 44
3.1.1 Схема усилителя сигнала 44
3.1.2 Методика калибровки разрабатываемого устройства 46
3.2 Программный комплекс пенетрометра 48
3.2.1 Алгоритм программы контроллера созданного макета пенетрометра 48
3.2.2 Описание и функции приложения для сбора и хранения данных для
пенетрометра, работающего на ос android 50
3.2.3 Алгоритмы и программная реализация приложения для сбора и хранения данных
для пенетрометра, работающая на ос android 54
3.2.3.1 Вывод карты на монитор мобильного устройства 54
3.2.3.2 Сохранение на SD карту данных 55
3.2.3.3 Реализация связи по протоколу BLE мобильного устройства с
устройством 56
3.2.4 Сервисное ПО (web интерфейс и база данных) для скачивания, хранения и
мониторинга данных, снятых с пенетрометра (прототипа устройства) 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 63
В настоящее время в нашей стране, а в особенности в нашем Алтайском крае широко развит аграрный сектор - огромные территории в тысячи гектар возделываются техникой и засеваются культурными растениями - пшеница, гречка, рожь и так далее. И это на сегодняшний день актуальное направление для развития и улучшения, ведь выращивая сельскохозяйственные культур, мы в конечном итоге получаем из них продукты питания - неотъемлемую часть человеческой жизни.
Одной из самых актуальных тем для наблюдения, изучения и улучшения в Сельском хозяйстве является почва. Почва, на которой из года в год выращивается урожай, которую нужно обрабатывать и возделывать различным способом для достижения наилучшего результата. Способов обработки почвы на сегодняшний день известно много - вспашка плугом, безотвальная вспашка, глубинная вспашка (вспашка земли на определенной глубине), боронение, лущение и другие. Следует отметить, что каждый из этих способов обработки почвы имеет различные трудозатраты и материальные затраты на возделывание.
Еще одним направлением для наблюдения состояния почвы является сельское хозяйство, а именно выпас сельскохозяйственного скота на пастбищах. Фермы делятся на 2 типа: одни предпочитают животных круглый год содержать в стойлах и кормить сеном, другие в целях экономии кормовых ресурсов в летнее время выгоняют животных на пастбища. Пастбище - это место с большой территорией, где растет различная трава, которую едят травоядный скот. Возникает проблема в случае, если выпас животных изо дня в день происходит на одном и том же пастбище - происходит многократное уплотнение грунта, что может пагубно сказаться на росте и развитии растений.
Так же хотелось отметить о такой важной характеристике почвы как плодородие почвы. Плодородие почвы - это способность почвы удовлетворять потребность растений в элементах питания, воде, обеспечивать корневые системы достаточным количеством воздуха, тепла и т.д. Как было сказано выше, мы используем почву как средство производства, существенно изменяя почвообразование, влияя как непосредственно на свойство почвы, ее режимы и плодородие, так и на природные факторы, определяющие почвообразование.
Рассматривая возникающие проблемы невольно задаешься вопросами. Так как же выбрать - каким способом обработать почву, и на какую в глубину в этот раз необходимо вспахать территории, занимающие огромные площади? Что нужно сделать, чтобы с минимальными затратами привести почвы на поле в состояние нормального состояния для возделывания (оптимальной твердости, уплотнения)? Ответы на эти вопросы позволят выбрать способ, орудие и режимы его работы (например, глубину вспашки). Кроме того не стоит забывать, что различие отдельных участков поля по этим показателям требует индивидуального подхода к их механической обработке. Мониторинг твердости почвы - это реальная основа не только обеспечения энергосбережения при обработке почвы, но и основа рационального использования ресурсов для обеспечения хорошего урожая.
Для решения данных проблем была поставлена задача - разработать устройство для мониторинга твердости почвы по глубине, которое не только способно замерять показания твердости почвы, как уже существующие аналоги устройства (эти приборы называются пенетрометры или как их называют в «народе» - трость агронома), но и иметь возможность подключаться к мобильному устройству и передавать на него измеренные данные для дальнейшего хранения и визуализации на экране устройства.
Таким образом, целью магистерской работы является создание прототипа устройства для мониторинга твердости грунта по глубине, измерять, обрабатывать и передавать данные в мобильное приложение. Необходимо разработать мобильное приложение, которое способно принимать показания измерений по беспроводной сети на устройство, сохранять их в памяти, представлять их в удобном для восприятия виде - в виде графиков. А так же рассмотреть возможность разработки сервиса единого мониторинга почвы, где после измерений твердости будут скидываться и храниться все данные замеров.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были рассмотрены характеристики и принципы измерения твердости почвы, также рассмотрены существующие аналоги разрабатываемого устройства, замеряющие твердость почвы по глубине. Создан макет устройства (пенетрометра). Была разработана структурная и конструктивная схемы для разработки прототипа устройства. Так же были подобраны нужные электронные компоненты, готовые модули, датчики и выбран управляющий контроллер для создания прототипа устройства (пенетромерта), замеряющего твердость почвы по глубине, разработана схема усилителя сигнала для датчика силы.
Результатом проделанной работы стало создание макета устройства, замеряющего твердость почвы по глубине, которое способно опрашивать имеющиеся в системе датчики (расстояния и датчик силы тензометрического типа), обрабатывать полученные данные и передавать их по беспроводной сети BLE в приложение на мобильное устройство. Разработан программный код управления макетом для контроллера Arduino. Так же разработано приложение для мобильных устройств на базе ОС Android, которое способно подключаться к макету устройства по сети BLE, по команде принимать массив данных с макета устройства, также имеет возможность сохранять измерения на внешней памяти устройства в виде текстового файла с уникальным названием для дальнейшей передачи файлов в сервис мониторинга почвы. Помимо этого разработанное приложение способно определять координаты замера, выводить на экран мобильного устройства карту с текущим местоположением и привязывать каждое измерение к конкретной координате, чтобы при дальнейшем изучении данных была информация о месте замера, а также есть функция вывода графика на экран сразу после очередного измерения.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
