南疆土壤氮含量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

劉芳 張樹(shù)艷 辛鵬 祁雪蓮 鐘祥 李雅杰

摘 要：針對(duì)農(nóng)民去田間地頭判斷農(nóng)田是否需要施氮肥耗時(shí)耗力和氮肥用量不精準(zhǔn)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了土壤氮含量成分遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。采用偏最小二乘法建立氮含量預(yù)測(cè)模型，實(shí)驗(yàn)表明：該模型相關(guān)系數(shù)r為0.8551，一次平方誤差e=0.0022，精度良好；設(shè)計(jì)基于GPRS的土壤氮含量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將土壤濕度值通過(guò)單片機(jī)模塊進(jìn)行處理后經(jīng)GPRS通信模塊傳送到PC機(jī)，通過(guò)氮含量預(yù)測(cè)模型輸出氮含量值，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 土壤氮含量 遠(yuǎn)程 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（a）-0-02

目前智能農(nóng)業(yè)是我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”潮流的一塊大領(lǐng)域，在“互聯(lián)網(wǎng)+”科技的帶動(dòng)下，增加農(nóng)副產(chǎn)品的產(chǎn)出率，節(jié)省人力成本，這將是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)步的很大的一步[1，2]。氮對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程以及農(nóng)作物產(chǎn)出率和質(zhì)量都有非常重要的作用，合理施用氮肥不僅是獲得作物高產(chǎn)的有效措施，還十分有利環(huán)境保護(hù)。而目前人工施肥需要去田間地頭監(jiān)測(cè)植物是否有缺氮的情況，根據(jù)自己的種植經(jīng)驗(yàn)去判斷施肥量，這樣會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)充氮肥不及時(shí)或補(bǔ)充氮肥過(guò)量的情況，從而導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，品質(zhì)下降等問(wèn)題[3]。因此，設(shè)計(jì)一款遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)土壤氮含量裝置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，對(duì)農(nóng)作物高產(chǎn)、合理利用資源有著實(shí)用價(jià)值，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)化、科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化、定量化、高效化有著推動(dòng)作用。

1 材料與方法

試驗(yàn)田設(shè)于阿拉爾市十團(tuán)，設(shè)立5個(gè)不同的樣本區(qū)域，每次對(duì)5個(gè)區(qū)域進(jìn)行土壤采樣，立即將土壤帶到實(shí)驗(yàn)室測(cè)量土壤的濕度與氮含量，共采集80組樣本，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。NH4+的測(cè)定使用的是氨氮測(cè)定儀，相對(duì)于半微量開(kāi)氏法，測(cè)定結(jié)果簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、效率高，所以通用性比較強(qiáng)，穩(wěn)定性很好[5]。通過(guò)制定的使用氨氮測(cè)量?jī)x測(cè)量銨根離子的方法，得到土壤銨根離子數(shù)據(jù)。測(cè)定土壤濕度的辦法多種多樣，常用的有烘干法、滴定法、遙感法、負(fù)壓計(jì)法、重量法、電阻法、核磁共振法、微波法等不同的方法[4]。本項(xiàng)目使用烘干法測(cè)定土壤水分，烘干法最簡(jiǎn)單實(shí)用而且比較準(zhǔn)確。

2 基于PLS的土壤氮含量預(yù)測(cè)模型

測(cè)得土壤銨根離子數(shù)據(jù)和土壤濕度數(shù)據(jù)共80組，利用60組建立土壤銨態(tài)氮含量預(yù)測(cè)模型，20組進(jìn)行精度驗(yàn)證；在MATLAB平臺(tái)運(yùn)用PLS尋找銨根離子和濕度值的最佳匹配函數(shù)y=a×x+b，建立土壤銨態(tài)氮含量監(jiān)測(cè)模型，利用模型預(yù)測(cè)的銨根離子值和驗(yàn)證的銨根離子值，進(jìn)行模型精度驗(yàn)證，土壤銨根離子與土壤濕度之間的精度值達(dá)到0.8551（相關(guān)系數(shù)r）、一次平方誤差e=0.0022，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，精度較好，模型可行。通過(guò)PLS得到的擬合曲線如圖1所示。

3 基于GPRS的土壤氮含量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)濕度傳感器測(cè)得濕度值再通過(guò)單片機(jī)模塊對(duì)濕度值進(jìn)行分析處理，然后通過(guò)串行口傳輸?shù)紾PRS通信模塊，GPRS遠(yuǎn)程通信將濕度值傳送到個(gè)人電腦上，個(gè)人電腦將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并處理，輸入已建好的濕度值與氮含量的預(yù)測(cè)模型，最終輸出氮的值，使用清晰可見(jiàn)該土地的氮含量值，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中氮元素含量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)每日不間斷地檢測(cè)土壤成分的改變狀態(tài)，根據(jù)檢測(cè)信息決定是否給土壤補(bǔ)給氮肥，為農(nóng)作物增產(chǎn)提供了現(xiàn)實(shí)可行的實(shí)踐基礎(chǔ)，硬件實(shí)物圖如圖2所示。

將PC機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集和處理模塊通電源。將濕度傳感器探頭插入土壤中，點(diǎn)擊PC機(jī)端氮含量監(jiān)控終端軟件，最終獲取數(shù)據(jù)并顯示了氮含量數(shù)值。當(dāng)土壤氮含量正常時(shí)，上位機(jī)終端會(huì)正常顯示氮含量的數(shù)值，土壤氮含量正常狀況所示氮含量為92.2152mg/kg。當(dāng)土壤氮含量低于75g/kg時(shí)，氮含量監(jiān)控終端就會(huì)提示及時(shí)補(bǔ)充氮肥并顯示當(dāng)前土壤氮含量，氮含量顯示如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于GPRS實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送，使用偏最小二乘法建立了濕度與銨根離子的數(shù)據(jù)模型，利用易語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了在Windows環(huán)境下運(yùn)行的氮含量監(jiān)控終端應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)了氮含量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)土壤氮含量正常時(shí)系統(tǒng)會(huì)顯示土壤氮含量值，當(dāng)土壤氮含量低于標(biāo)準(zhǔn)值75mg/kg時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出提示并顯示當(dāng)前氮含量值。

參考文獻(xiàn)

[1] 沙磊.“物聯(lián)網(wǎng)”信息社會(huì)“發(fā)動(dòng)機(jī)”[J].科技博覽，2009，29（6）：6-11.

[2] Bremner JM，著.土壤氮素分析法[M].曹亞橙，譯.北京：農(nóng)業(yè)出版社，2011：36-94.

[3] 黃昌勇.土壤學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2012：4-10.

[4 朱靜，丁峰，金洋，等.長(zhǎng)江三角洲典型地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空變異特征及其影響因素[J].土壤，2006，38（2）：158-165.