传统的玉米种植方式依赖农民长期管理经验，在整个大田区域统一施用定量的化肥，然而土壤作为一种非均质体，在空间和时间维度上的高度可变性会导致农田内的土壤养分分布不均。传统施肥方式存在肥料资源浪费、产量损失、品质波动和生态系统破坏等问题。现有施肥技术中，多采用传统实验室化学分析方法，相对于车载实时光谱检测具有时效性差、成本高昂、污染严重等缺点。此外，现有单变量施肥设备智能化水平低、施肥精度低，导致肥料浪费大，成本高，作物产量和品质不稳定等。

本项目针对当前施肥手段存在的土壤养分检测效率低、变量施肥控制系统的精度低、易对环境造成污染等问题，设计一种由双变量施肥控制系统、圆盘型土壤检测犁、光谱传感器三大部分组成的基于实时传感器的玉米双变量施肥装置。创新研发圆盘型检测犁，突破传统土壤检测装置破坏性采样与效率瓶颈。通过首创内置微型近红外光谱传感器的圆盘犁刀结构，在破开土壤表层的同时形成检测暗室，为实时、精确的采集玉米根系所在养分吸收层的全氮数据提供支持。系统集成树莓派嵌入式终端，开发双变量参数调控算法，实现对外槽轮排肥器的排肥轴转速以及排肥口开度的精准控制，完成双变量施肥；通信方面，树莓派内借助MQTT通信协议构建物联网信息传输平台，在OneNET云服务上实现数据动态采集、施肥可视化及远程监控。实际应用表明该设备可减少化肥用量20%以上，降低氮流失30%，为智能农机研发提供创新解决方案，助力农业绿色低碳转型。
  设计思路
        1.双变量施肥机控制系统设计
  传统的施肥机器的排肥器是由前方农具或是一个具有固定或可手动调节转速的电机驱动的，排肥量相对来说比较稳定但不便于调节，且施肥相对不精确，难以开展变量施肥。
  拟设计一种控制机构，传动机构可分为转速传动和开度控制两部分。转速传动包括四部分，分别为转速电机、转速电机驱动器、链轮（主动链轮和从动链轮）链条和排肥器传动六方轴；开度控制包括四部分，分别为开度电机、开度电机驱动器、滚珠丝杠、丝杆螺母和外槽轮连接件。
  拟设计一种以树莓派4B为核心控制器的控制系统，运行Python控制程序并集成优化算法。通过ttyAMA0串口与上位机通信，配合以MQTT通信协议为基础的OneNET云平台实现数据交互与可视化。树莓派利用GPIO引脚可以直接输出PWM（脉冲宽度调制技术）信号控制电机正/反转及制动，实现对被控变量的精准控制。
  转速控制是通过树莓派4B下发转速信号给转速电机驱动器，驱动器驱动转速电机转动，转速电机通过链条与链轮与外槽轮式排肥器的排肥轴连接，排肥轴带动槽轮转动，实现转速控制。开度控制是通过树莓派根据决策算法生成的开度指令，通过PWM信号控制开度电机驱动器，驱动开度电机带动滚珠丝杠旋转。丝杆螺母将旋转运动转化为直线位移，推动外槽轮连接件轴向移动，从而精确调节外槽轮工作长度，实现排肥口开度的无级调控。
  对于以上两个变量，系统采用多目标优化算法，融合土壤-作物-环境数据，通过MOEA/D算法求解最优转速与开度组合，实现施肥量误差<±5%、氮利用率提升20%的精准控制，并通过云平台实现远程监控与自适应优化。
         2.圆盘型土壤检测犁设计
  前人开发的车载式土壤养分信息采集装置，往往通过添加前置的开沟犁破开表层土壤，使后面的光学部分收集次表层土壤养分参数。此方式集成度较低，且对土壤原有结构的破环较大。
  拟设计一款圆盘型的检测犁。圆盘犁内部为空腔结构，用于安装光学检测元器件，提高集成度。中间倒凹槽结构能够起到培土的作用，压平待测土壤，检测窗口与待测土壤形成暗示结构，提高精度。实际入土深度由作用于圆盘犁上方的压力和土壤属性决定，在随行走机构运动的同时完成对次表层土壤信息的采集，减少对土壤原有结构的破坏。
        3.土壤传感器设计
  拟设计一款基于近红外光谱技术的土壤全氮检测装置进行土壤含氮量检测。可见-近红外光谱分析技术分为透射光谱和漫反射光谱两类，本项目选用漫反射光谱分析技术，作为主要检测方法。
  该土壤全氮检测仪的光学单元采用卤钨光源配合一分六近红外导光光纤，将光线投射至土壤表层，其漫反射光经6个单波段滤光片分光后，由InGaAs光电探测器转换为电信号。核心控制单元以MSP430F149单片机为主控，通过ADG708多路选择器实现6通道信号切换，并利用内置12位ADC进行模数转换，结合硬件RC滤波与软件均值滤波（16次扫描平均）处理数据，有效剔除20-2500mV范围外的异常值。
  系统采用触摸屏实时显示土壤全氮含量及GPS定位数据，所有检测结果自动存储至数据库。其中软件算法通过幅度限制和均值处理双重滤波，确保检测精度，硬件设计通过光电转换与多通道选通实现多光谱数据采集，构成完整的光电检测分析系统。

创新点和项目特色
          1.一种双变量协同调控系统。
   基于外槽轮排肥器的动态响应特性，创新性地提出排肥轴转速与排肥口开度的双变量协同调控机制。通过实时采集施肥机前进速度、排肥轴转速及开度数据，结合预拟合的排肥量多项式曲面，采用“最小动作量组合”优化算法，动态调整双变量组合，实现施肥量随土壤养分需求的精准匹配，显著提升化肥利用率与施肥均匀性。
          2.一项暗室式圆盘犁集成检测技术
   设计一种圆盘型暗室结构检测犁，将光学元件嵌入犁盘内部，通过倒凹槽结构压平待测土壤并与检测窗口形成封闭暗室，有效屏蔽外界光干扰。结合多路光纤传输与离散近红外光谱技术，实现次表层土壤全氮含量的原位无损检测，解决了传统开沟犁破坏土壤结构、集成度低的问题，兼具破土盲区补偿与高精度检测功能。
          3.一种多模态传感器融合决策系统
   采用“近红外光谱+GPS+惯性导航”多模态传感器融合方案，通过离散近红外光谱传感器实时获取土壤全氮含量，结合GPS模块定位坐标信息与惯性传感器补偿运动姿态，构建土壤养分空间分布图谱。数据经灰度关联-极限学习机模型分析后，动态生成施肥处方，驱动双变量控制系统完成分级变量施肥，实现“检测-决策-执行”全流程闭环控制。
          4.该系统针对精准农业需求，开发出模块化变量施肥装置，通过可拆卸的检测、排肥、实现功能灵活拓展，利用树莓派与单片机进行田间数据实时处理，内置轻量化控制模型减少对云端依赖，确保复杂农田环境下的稳定运行。
         5.整机采用全地形高底盘设计，配合45厘米离地间隙，可在作物生长中后期自由穿行。多级减震与压力反馈系统动态调节行进状态，适应丘陵、湿地等复杂地形，突破传统施肥设备的地形限制。
         6.系统构建了“检测-决策-执行”闭环控制体系，将土壤数据采集、施肥量计算与精准执行有机结合，形成兼顾地形适应性与作业灵活性的智慧农业解决方案。