物聯(lián)網(wǎng)模式下的農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)及施肥系統(tǒng)研究

宋 艷，黃留鎖

(河南教育學(xué)院 信息技術(shù)系，鄭州 450046)

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物聯(lián)網(wǎng)模式下的農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)及施肥系統(tǒng)研究

宋 艷，黃留鎖

(河南教育學(xué)院 信息技術(shù)系，鄭州 450046)

針對(duì)目前國內(nèi)傳統(tǒng)施肥方式中，存在基肥施用量大，盲目施肥，氮、磷、鉀單一品種化肥用量過多，導(dǎo)致土壤肥力退化、土壤養(yǎng)分不均衡，影響到農(nóng)作物增收等現(xiàn)狀，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、近紅外分析技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，選用近紅外分析技術(shù)和基于FFT算法及小波變換的光譜微弱信號(hào)處理方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)分的變化，全面而準(zhǔn)確地掌握農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分情況，并智能控制自動(dòng)施肥執(zhí)行端施肥。為此，進(jìn)行了樣機(jī)試制，并運(yùn)用于不同的農(nóng)業(yè)土壤，包括褐土、紅土、黑土等進(jìn)行養(yǎng)分監(jiān)測(cè)和施肥試驗(yàn)。結(jié)果表明：農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)及施肥系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，精準(zhǔn)施肥，能滿足不同農(nóng)業(yè)土壤的精確施肥。本系統(tǒng)可指導(dǎo)科學(xué)施肥，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的施肥水平，減少農(nóng)業(yè)污染。

物聯(lián)網(wǎng)；土壤養(yǎng)分；施肥；近紅外分析

0 引言

除了葉面的光合作用，農(nóng)作物所需的養(yǎng)分，主要是由其根系從土壤中吸取，土壤的養(yǎng)分決定了作物能否存活以及生長的速度和質(zhì)量。土壤養(yǎng)分包括土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀等，土壤養(yǎng)分缺乏或過量對(duì)作物生長發(fā)育而言都是不利的，可使元素之間的拮抗作用增加，并誘發(fā)多種病癥[1]。

作為國家的重要方向之一，農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化在世界各國都被提上了重要日程[2]。其中， 調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分狀況，以滿足作物在不同生長發(fā)育階段對(duì)養(yǎng)分的需要，是獲取農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)土精準(zhǔn)施肥已成為廣大農(nóng)作物生產(chǎn)者的迫切要求。精準(zhǔn)施肥可以提高資源使用效率，降低成本，提高農(nóng)作物產(chǎn)值，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染破壞[3]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Internet of things)是將物與物之間建立聯(lián)系的技術(shù)[2]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)展農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵和核心技術(shù)，主要包括農(nóng)業(yè)各種關(guān)鍵要素的監(jiān)測(cè)、傳輸、處理和執(zhí)行等幾個(gè)層面。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是世界各國在農(nóng)業(yè)方面的發(fā)展重點(diǎn)。

精準(zhǔn)施肥，需以土壤實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的養(yǎng)分分布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，因而快速、穩(wěn)定地獲得土壤養(yǎng)分分布數(shù)據(jù)是精準(zhǔn)施肥的第一步。作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)的前端，土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)傳感器設(shè)計(jì)是目前的一個(gè)難點(diǎn)。其中，光譜分析是一種有很大潛力的快速分析方法[4]，采用近紅外光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤養(yǎng)分的快速分析，實(shí)現(xiàn)物料網(wǎng)前端對(duì)土壤養(yǎng)分的數(shù)據(jù)傳感功能，可為農(nóng)業(yè)施肥現(xiàn)代化作業(yè)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

為此，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)合近紅外光波數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)，同時(shí)根據(jù)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)置比對(duì)，實(shí)時(shí)做出施肥與否的決策，以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)施肥。本系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)作物生長環(huán)境的養(yǎng)分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，并通過模型分析和數(shù)據(jù)處理，對(duì)土壤養(yǎng)分實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。通過樣機(jī)試制、組裝、連接和運(yùn)用于不同土壤環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果證明：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和近紅外光分析技術(shù)的農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀，以及有效氮、磷、鉀含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)肥料的精準(zhǔn)供給，可智能化控制、精準(zhǔn)化運(yùn)行，有助于農(nóng)產(chǎn)品高產(chǎn)和節(jié)能環(huán)保。

1 設(shè)計(jì)原理

將設(shè)置在田間或溫室大棚內(nèi)的可見光/近紅外土壤養(yǎng)分傳感器(TFC系列土壤養(yǎng)分速測(cè)儀、YN型土壤肥料養(yǎng)分速測(cè)儀器)采集到的信息，包括農(nóng)業(yè)土壤的有機(jī)質(zhì)、水解性氮、pH、全氮、全磷和全鉀，以及有效氮、磷、鉀含量等數(shù)據(jù)，通過光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)FFT算法和小波變換，光譜微弱信號(hào)處理后，以電流方式傳輸給各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；然后通過GPRS無線傳輸?shù)叫畔⑻幚砥脚_(tái)和以單片機(jī)為核心的中心控制系統(tǒng)。信息平臺(tái)和控制系統(tǒng)針對(duì)不同的農(nóng)作物、不同的生長時(shí)期，按照作物生長需求，設(shè)置對(duì)應(yīng)的土壤養(yǎng)分指標(biāo)，通過指標(biāo)值與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，發(fā)出相應(yīng)的指令，控制布置在田間相應(yīng)位置的施肥裝置按比例配置相應(yīng)的肥料混合液，開啟注肥、混肥、施肥動(dòng)作，進(jìn)行適量的施肥動(dòng)作。

2 總體設(shè)計(jì)方案

該方案主要包括田間或溫室多點(diǎn)放置的土壤養(yǎng)分傳感器、施肥裝置及相應(yīng)的太陽能供能裝置，以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備RTU、數(shù)據(jù)傳輸單元DTU、JN5121通信模塊、無線通信GPRS、MSP430 F149低功耗單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、增壓泵、離子濃度測(cè)量儀、pH測(cè)量儀、施肥罐、閥門和微噴系統(tǒng)等。

2.1 流程

系統(tǒng)流程為：土壤養(yǎng)分傳感器→數(shù)據(jù)采集設(shè)備RTU→數(shù)據(jù)傳輸單元DTU→JN5121通信模塊→無線通信GPRS→MSP430 F149低功耗單片機(jī)→計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端→步進(jìn)電機(jī)→增壓泵→離子濃度測(cè)量儀、pH測(cè)量儀→施肥罐→閥門→微噴系統(tǒng)。

2.2 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與傳感實(shí)現(xiàn)。

按每667m260支的密度于田間或大棚內(nèi)安裝土壤養(yǎng)分傳感器。近紅外土壤養(yǎng)分傳感器發(fā)出單波段光信號(hào)，經(jīng)被測(cè)土壤反射，采用便攜式分光輻射光譜儀(ASD)測(cè)量反射光譜；用View Spec Pro5.7.2軟件進(jìn)行有效性檢查，取平均值，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出；通過分析找出各個(gè)測(cè)定指標(biāo)的特征波段，回歸建模，得出土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)信息，經(jīng)小波轉(zhuǎn)換和FFT算法處理，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)MSP430 F149單片機(jī)放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換等處理。因被測(cè)對(duì)象是微弱電流信號(hào)，放大后容易導(dǎo)致電流和電壓失調(diào)，還可能發(fā)生自激干擾、零點(diǎn)漂移。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用CA3140集成運(yùn)算放大器，其具有高輸入阻抗，并選用FET 作輸入極，具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理模塊、信息存儲(chǔ)分析模塊、施肥建議模塊、用戶操作模塊及精準(zhǔn)施肥模塊。

數(shù)據(jù)處理模塊所處理的數(shù)據(jù)包括兩類：一是空間位置數(shù)據(jù)；二是屬性數(shù)據(jù)?？臻g位置數(shù)據(jù)提供需/或不需施肥的土壤具體位置，系統(tǒng)可開啟相應(yīng)位置的微施肥系統(tǒng)進(jìn)行施肥操作；屬性數(shù)據(jù)指的是被測(cè)土壤的養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)具體的作物需求，在施肥建議模塊的建議下，系統(tǒng)自動(dòng)判斷，所測(cè)土壤是否需要施以一定配方及一定量的肥料。

信息統(tǒng)計(jì)匯總模塊包括所有矢量和屬性數(shù)據(jù)查詢，以及所有信息的統(tǒng)計(jì)與分析。

施肥建議模塊，根據(jù)被測(cè)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)信息和輸出目標(biāo)，系統(tǒng)可以給出精確的施肥建議，包括施肥配方和用量。

精準(zhǔn)施肥模塊包括土壤養(yǎng)分平衡模塊和施肥決策模塊，處理功能包括模式輸入與輸出、角色互換及參數(shù)調(diào)整。精準(zhǔn)施肥模塊根據(jù)施肥建議模塊的處理結(jié)果，通過單片機(jī)控制相應(yīng)位置的微施肥系統(tǒng)啟動(dòng)施肥動(dòng)作。

2.4 微施肥系統(tǒng)

按每667m260支的密度于田間或大棚內(nèi)微施肥系統(tǒng)，在各大棚內(nèi)或田間，設(shè)置安裝微噴施肥裝置。微噴施肥設(shè)計(jì)成懸掛式，選用30L/h小旋輪微噴頭,選用微噴施肥裝置工作壓力范圍在0.15～0.24MPa之間。微噴施肥裝置通過閥門控制開關(guān)，閥門連接單片機(jī)I/O口，并安裝限壓閥，可對(duì)工作壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制微噴施肥面積。管道材料選擇UPVC管、閥門選用1.6MPa的UPVC管材及PE材料。微施肥系統(tǒng)根據(jù)施肥建議模塊的建議，吸取一定量可溶性固體肥料和液體肥料，配制成均一溶液，開啟閥門，旋轉(zhuǎn)葉片將裝置內(nèi)配制好的肥料液均勻噴灑在土壤內(nèi)，完成施肥操作；溶液噴施完畢，微施肥系統(tǒng)自動(dòng)停止施肥。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)端程序軟件程序采用C 語言編寫，可實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，包括AD 轉(zhuǎn)換功能、軟件濾波功能，以及包括傳輸、存儲(chǔ)、顯示、指令的執(zhí)行等功能。實(shí)際運(yùn)用表明，其可以滿足本智能控制系統(tǒng)使用要求。

4 試驗(yàn)

4.1 材料與方法

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行樣機(jī)組裝，并于田間或大棚安裝近紅外土壤養(yǎng)分傳感器和微噴施肥系統(tǒng)；傳感器每隔15min監(jiān)測(cè)1次土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)放大處理，與建模分析對(duì)比，反饋數(shù)據(jù)信息給物聯(lián)網(wǎng)中心處理模塊；由施肥建議模塊給出施肥建議，微噴施肥系統(tǒng)自動(dòng)配制肥料液，開啟閥門，進(jìn)行施肥操作。

為檢測(cè)本系統(tǒng)工作的有效性，于樣機(jī)試運(yùn)行期間對(duì)田間或大棚隨機(jī)取樣，共取6個(gè)點(diǎn)樣品，采集20cm深度范圍內(nèi)的土層土壤，剔除可見異物,用“四分法”取樣,過0. 25、1. 00 mm 篩,按常規(guī)方法，測(cè)定土壤樣品的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷及速效鉀含量，以檢測(cè)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

4.2 結(jié)果與分析

樣機(jī)運(yùn)用于本地褐土橘子園、紅土茶樹園、棉花黑土地養(yǎng)分監(jiān)測(cè)與自動(dòng)施肥，于上午9：05開始運(yùn)行，上午10：30停止運(yùn)行。在樣機(jī)試運(yùn)行期間，每隔15min于樣機(jī)覆蓋范圍內(nèi)隨機(jī)采集土壤樣品，用化學(xué)方法測(cè)定土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，以驗(yàn)證本系統(tǒng)工作的有效性?；瘜W(xué)測(cè)定結(jié)果見結(jié)果如表1～表3所示。

表1 褐土橘子園土壤養(yǎng)分的化學(xué)檢測(cè)結(jié)果

表2 紅土茶樹園土壤養(yǎng)分的化學(xué)檢測(cè)結(jié)果

表3 運(yùn)用本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制棉花黑土地土壤養(yǎng)分的化學(xué)檢測(cè)結(jié)果

從化學(xué)測(cè)定驗(yàn)證結(jié)果發(fā)現(xiàn)：本系統(tǒng)可在一個(gè)較短的實(shí)時(shí)內(nèi)快速響應(yīng)，并根據(jù)土壤養(yǎng)分的不同情況，科學(xué)調(diào)配土壤營養(yǎng)液配方，對(duì)土壤養(yǎng)分缺乏的部分進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充；當(dāng)養(yǎng)分達(dá)到較優(yōu)的含量值時(shí)，自動(dòng)停止施肥動(dòng)作，避免了肥料、能源的浪費(fèi)和對(duì)土壤環(huán)境的污染。

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和近紅外光檢測(cè)技術(shù)的農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分自動(dòng)監(jiān)測(cè)和施肥的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、硬件安裝和軟件編寫等工作。實(shí)現(xiàn)了土壤養(yǎng)分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)預(yù)警和確定施肥的智能控制目標(biāo)， 并制作系統(tǒng)樣機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)樣機(jī)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、反應(yīng)迅速，可為農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制提供服務(wù)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥作業(yè)的智能化水平和精細(xì)化水平。

[1] 趙庚星,李秀娟,李濤,等.耕地不同利用方式下的土壤養(yǎng)分狀況分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005(10):55-58.

[2] 許世衛(wèi).我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策[J].中國科學(xué)院院刊,2013(6):686-692.

[3] 趙春江,薛緒掌,王秀,等.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003(4)：7-12.

[4] 丁海泉,盧啟鵬.近紅外光譜技術(shù)在土壤養(yǎng)分分析中的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景[J].光譜學(xué)與光譜分析,2012(1):88-91.Abstract ID:1003-188X(2017)07-0189-EA

Monitoring and Fertilization System System of Agricultural Soil Nutrients Based on Internet of Things

Song Yan,Huang Liusuo

(Department of Information Technology,Institute of Eduaction, Zhengzhou 450046,china)

A monitoring and fertilization system system of agricultural soil nutrients based on internet of things,NIR technology、modern communications technology and wireless network technology is designed and build up to improve the domestic fertilization methods and solve the problem of soil fertility degradation, soil nutrient imbalance、surfeit basal fertilizer, blind fertilization、excessive phosphorus and potassium fertilizer,etc.A FFT algorithm and wavelet transform processing method is applied to analyzing weak spectral signal for obtaining soil nutrient data with the advantages of real-time, high-speed, accuracy, time-saving, non-destruct and easy to realize the in-situ analysis.Test results showed that the monitoring and fertilization system system operates steadily on monitoring soil nutrients and control soil nutrients through automatic fertilization,and can meet the precise fertilizing demand on different agricultural soils, the system can guide scientific fertilization, improve fertilization level of agricultural production and reduce agricultural pollution.

internet of things; soil nutrients; fertilization; anlysis

2016-05-18

河南省社科規(guī)劃決策咨詢委托項(xiàng)目(2015JCWT06)

宋 艷(1979-)，女，河南周口人，實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，( E-mail)34538543@qq.com。

黃留鎖(1976-)，男，鄭州人，講師，(E-mail)ls.huang@139.com。

S126

A

1003-188X(2017)07-0189-03