Проектирование устройства для экспресс-контроля состояния посевов после зимовки

Введение. Одной из важнейших задач, стоящих перед аграрным сектором экономики любого государства, является необходимость получения максимально возможного урожая необходимого потребительского качества в конкретном географическом месте возделывания сельскохозяйственной культуры. Составляющими компонентами решения обозначенной задачи являются: качественный посевной материал и его подготовка, оптимальные агротехнологии, сохранность собранного урожая и т.п. При возделывании злаковых растений особое внимание уделяется озимым культурам, так как хорошо известно, что они имеют более высокую урожайность по сравнению с яровыми. Урожайность озимых культур во многом определяется погодными условиями в осенне-зимне-весенний период, а значит и условиями перезимовки, так как хорошо известно, что поврежденные морозом растения дают низкие урожаи. Информация о текущем состоянии посевов в течение зимнего периода, например, даёт возможность агрономам принять решение о проведении в ранний весенний период пересева участков полей с погибшими растениями для компенсации потерь последних. Поэтому необходимо проведение систематических обследований озимых культур и особенно в осенние и весенние периоды года, с обязательным контролем в зимний период [5,6].

Все широко применимые методы зимнего контроля (метод монолитов, метод отращивания растений на воде, метод отращивания узлов кущения, сахарный метод) очень трудоемки и продолжительны по времени проведения оценочных мероприятий, из-за чего получаемые результаты не могут быть оперативно систематически получаемыми. Поэтому напрашивается заключение, что для практики агронома и ученого необходима экспресс-оценка состояния озимых культур в любой период года, и реализовываться она должна на альтернативных традиционным способам новых методах и подходах.

Сегодня уже существуют методы, позволяющие оценить физиологическое состояние растения в любой период его развития, как например, электрометрический метод Низень-кова, который основан на измерении электродвижущей силы, снимаемой с введённых в растение электродов [7]. Такой подход позволяет уменьшить время принятия решения, но в то же время требует дополнительных затрат на обслуживание электродной системы, на поддержание её в работоспособном состоянии, на калибровку и градуировку измерительного элемента.

Поэтому, с нашей точки зрения, для проведения экспресс-оценки жизнеспособности растительной ткани озимых культур наиболее приемлем вариант использования принципов электрической импедансной спектроскопии, реализуемых в виде измерения импеданса растительной ткани на конкретных частотах измерительного, не травмирующего ткани растений, тока. Измерение и оценка импеданса растительной ткани позволяет получить информацию о физиологическом развитии, повреждении, болезни или разрушении отдельной части или всего растения [9-13].

Целью представленной статьи является описание основных подходов при проектировании и сам процесс изысканий при разработке устройства для экспресс-контроля состояния растительной ткани озимых культур после перезимовки.

Материалы и методы. В качестве метода, заложенного в основу функционирования разрабатываемого портативного устройства контроля состояния перезимовавших сельскохозяйственных культур, принято решение использовать хорошо известный в технике контроля физиологического состояния биологических тканей принцип электрической импедансной спектроскопии.

Сущность используемого для измерения метода заключается в подаче небольшого по амплитуде переменного напряжения на тестовую систему и последующей за этим регистрацией протекающего через неё тока. Зная значения напряжения и тока, определяется их отношение и рассчитывается электрический импеданс - комплексное (полное) сопротивление Z f двухполюсника для гармонического сигнала c измерительной частотой f . Полученные данные проведенных измерений накладываются на модель исследуемой системы, что позволяет для неё идентифицировать ряд её физических или химических параметров [14].

В основу функционирования проектируемого устройства было предложено заложить следующую последовательность действий:

• 1)    измерение импеданса (полного сопротивления) растительной ткани Z f на различных частотах f 1 и f 2 ;

• 2)    определение, на основе проведенных измерений, их отношения Z 1 /Z 2 , то есть определение коэффициента жизненного состояния [2]:

к с = Z 1 IZ 2 , (1)

где Z f1 – импеданс растительной ткани на частоте f 1 , Ом;

Z f2 – импеданс растительной ткани на частоте f 2 , Ом.

Показатель, определяемый отношением сопротивлений биологической ткани, измеренных на разных частотах измерительного тока, эффективно используется в различных операциях и процессах по оценке жизнедеятельности и при контроле за развитием живых организмов, при переработке материалов и сырья как животного, так и растительного происхождения [12, 15, 16].

Для того чтобы сделать обоснованное и мотивированное заключение о влиянии степени замораживания озимой пшеницы на изменение сопротивления её растительной ткани, были проведены специальные экспериментальные исследования. При проведении опытов выре- занные монолиты с живыми растениями озимой пшеницы подвергались замораживанию и оттаиванию, для чего использовалась морозильная камера SHIVAKI SFR-81W, для управления которой была разработана специальная схема, контроль импеданса (полного сопротивления) растительной ткани осуществлялся с использованием выпускаемого промышленностью RLC-измерителя «GW Instek LCR-821», афиксация температуры воздуха и почвы осуществлялась при помощи цифрового датчика DS1820 [8].

На рисунке 1 представлены в графической форме снятые зависимости изменения электрического полного сопротивления растительной ткани, измеренного после оттаивания монолитов, относительно сопротивления до заморозки (рисунок 1). Исследования проводились на шести частотах измерительного тока в диапазоне температур от 0 до -34 °С.

Рисунок 1 – Изменение сопротивления растительной ткани после воздействия отрицательной температуры на различных частотах

Проанализировав представленные данные проведенных исследований, можно говорить, что у растительной ткани при замораживании и оттаивании в лабораторных условиях на разных частотах наблюдается изменение сопротивления, которое выражается в различных его количественных значениях как на разных частотах измерительного тока, так и при разной температуре, а поведение зависимостей носит близкий по форме нелинейный характер.

Описание процесса проектирования. Проектирование любого технического устройства включает в себя целый перечень последовательных шагов-решений для разработки и создания конечного продукта. Рассмотрим только те стадии проектирования, реализовав кото- рые можно говорить о готовности исходной информации и документов для начала сборки, монтажа и испытания портативного устройства оперативного контроля за физиологическим состоянием посевов в период зимовки и после неё.

Для измерения импеданса можно использовать специальные приборы – измерители RLC. Эти контрольно-измерительные приборы позволяют измерять и фиксировать отдельные составляющие импеданса (полного сопротивления): омическую, ёмкостную и индуктивную. Но следует отметить, что такие измерительные приборы, ввиду их конструктивного исполнения, достаточно больших массогабаритных особенностей, заключающихся в их стабильной работе в лабораторных условиях, зачастую оказываются непригодны для использования в качестве портативных устройств, позволяющих выполнять экспресс-оценку перечисленных электропроводных параметров.

В качестве готового решения, обеспечивающего портативность разрабатываемого устройства, можно применить микросхему AD5933, которая представляет собой готовый прецизионный импедансный спектрометр, вы- полненный на одном кристалле, имеющий внутреннюю цифровую обработку сигналов (DSP ядро) и подключаемый по I2C-интерфейсу к основной системе измерения и фиксации информации (рисунок 2) [3].

Микросхема типа AD5933 представляет собой высокоточное, готовое к применению системное решение для организации преобразования измеряемого импеданса. Она сочетает в себе модуль таких электронных компонентов, как генератор частоты и 12-битный аналогоцифровой преобразователь (АЦП) производительностью один миллион отсчетов в секунду (MSPS). Измерение внешнего комплексного сопротивления производится на конкретной известной частоте, которая может задаваться генератором частоты. Измеренный аналоговый сигнал импеданса преобразовывается в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя, а дискретное преобразование Фурье (ДПФ (DFT)) обрабатывается модулем цифровой обработки сигналов. Алгоритм DFT позволяет возвращать действительное (Re) и мнимое (Im) «информационное слово» данных на каждой выходной частоте.

Рисунок 2 – Функциональная схема AD5933 [6]

Проведя калибровку, можно легко вычислить значение импеданса и относительной его фазы в каждой конкретной частотной точке вдоль развертки. Эту манипуляцию можно выполнить вне пределов микрочипа с использованием вещественного (Re) и мнимого (Im) содер- жимого регистра, которое может быть считано с последовательного интерфейса I2C [1]. На рисунке 3 приведена принципиальная электрическая схема портативного устройства для оперативного контроля состояния посевов озимых культур.

Устройство функционирует в автономном режиме от двух аккумуляторных батарей питания напряжением 3,6 В. Основными элементами представленной на рисунке 3 принципиальной электрической схемы являются следующие компоненты: DD1 – микроконтроллер PIC16F1937, который предназначен для управления микросхемами DA2 иDA3, а также вывода информации на ЖК-дисплей; DA1 – стабилизатор напряжения MCP1824 с конденсаторами C1 и C2 для преобразования и стабилизации уровня напряжения до 3 В, которым питают все микросхемы; DA2 – прецизионный конвертор импеданса AD5933, предназначенный для измерения импеданса на разных частотах; DA3 – мультиплексор ADG729 с подключенными к его выводам резисторами R3-R10, который предназначен для выбора режима работы и калибровки микросхемы DA2; DA4 – электронный ключ ADG849, который необходим для переключения между режимами калибровки и измерения; X1…X5 – разъёмы для подключения жидкокристаллического дисплея, измерительного зажима-электрода, резистивной сенсорной панели и программатора PicKit.

Я.

RB1

RB4

+5В

10 RB2

11 RB3

сенсорной

25 REO

2 RE1

RE2

RE3/MCLR

Рисунок 3 – Принципиальная электрическая схема портативного устройства оперативного определения состояния посевов озимых культур

8 RBQ

15І RB5

PIC16F1937

В основу работы портативного устройства положен разработанный алгоритм его работы (рисунок 4). В соответствии с ним написана программа для проектируемого устройства, по которой производится вычисление коэффициента жизненного состояния k с .

Информация о текущем фиксируемом состоянии растения может выводиться на ЖК-дисплей как непосредственно, так и в виде измеренных значений импеданса на различных частотах. Кроме этого на дисплей возможен вывод информации о рассчитанном значении ко- эффициента жизненного состояния растительной ткани. Управление устройством, а также установка измеряемой частоты производится с помощью резистивной сенсорной панели.

Дополнительно устройство можно оборудовать встроенным датчиком температуры воздуха для автоматического учёта нелинейности отношений сопротивлений.

Работа с преабразобателем импеданса и бычисления

Рисунок 4 – Алгоритм работы программы вычисления коэффициента жизненного состояния

Заключение. Спроектированное и разработанное устройство для оперативного контроля состояния посевов озимых культур обеспечивает возможность оперативного определения жизненного состояния растений. При этом использование микросхемы AD5933 в качестве измерителя импеданса позволяет значительно уменьшить массогабаритные размеры устройства и сделать его портативным.

Проектируемое портативное устройство может не только определять степень перезимовки озимых культур, но и может быть использовано в садоводстве и виноградарстве для оценки жизнеспособности саженцев плодовых деревьев и черенков годовалой плодоносящей лозы винограда.