基于多傳感器的棉花監測系統

(成都大學 四川 成都 610106)

一、棉花生產概況

棉花的整個生長發育周期中，易受到環境因素，病蟲害因素和人為因素等的影響，是棉花產量和棉花質量的主要影響因素[1]。在中國絕大多數的棉花的生長環境的監測和調節是依靠農業從事者的經驗和判斷，具有極大的誤差性和偶然性，所以就不能及時的調節和改變農作物的生長環境。造成棉花養分不足或養分過剩，這不僅對棉花的生長造成不良影響，而且會造成土壤破壞和環境污染。

二、監測系統的建立

傳統的棉花農業生產獲取相關信息的主要渠道是通過農業從事者的直接觀測，具有耗時周期長、檢測誤差大、覆蓋面小等缺點。本系統將傳感檢測、數字圖像、專家決策系統、無線網絡通信等多種信息技術與棉花栽培管理過程科學結合，快速診斷棉花營養狀況與跟蹤決策棉花管理方式，對于科學施肥、灌溉、除蟲等提供了精準實時的實施方案。對于提高棉花品質、保護環境有著積極的推動作用。對于制定地域經濟發展規劃和農場種植者生產管理實施都具有積極的現實意義。

(一)總體方案

整體構成及工作流程依據系統可拓展性和結構化的設計原則，考慮到與棉花生長密切相關的信息具有動態性的特點，本系統由數據采集部分，數據庫，棉花生長模型庫，中央處理計算機以及執行無人機組成。

圖1 技術路線圖

本系統通過濕度傳感器對土壤濕度進行實時數據采集，采用土壤肥力傳感器對土壤氮磷鉀元素進行實時數據采集，并通過無線通信實時傳送給終端計算機。計算機接收到信號后，對接收的信號進行處理優化，計算機優化處理后得出土壤肥力優劣和土壤水分情況。再根據得出的結果和大氣預測進行相應區域的灌溉和施肥。

定期通過無人機進行田間作物圖像采集，并通過無線通信傳輸到用戶計算機，利用圖像處理技術分辨及提取關鍵信息，并和模型庫的棉花生長模型進行對比，判別植物生長狀況，判別是否有病蟲害和雜草，以及病蟲害和雜草的程度，最后得出相應處理方式和方法。該系統平臺為棉花為蟲害監測，土壤肥力檢測，信息服務一體化的實現提供技術支持，主要針對大中型棉花種植地，用戶既可以查看蟲害實時監測結果，又可以通過平臺處理信息瀏覽有關的地圖服務和蟲害監測預警服務。

無人機圖像監測系統能夠同時對植物生理參數和生長環境進行定時在線監測，診斷它們的生長狀態，分析其營養信息，研究其病變、老化、枯死、生長變異等生理生態規律。這對于進行植物栽培的有效管理、生長障礙的防治、分析環境的影響、防治環境污染、促進作物生產按需管理、提升農業生產效能具有重要意義。

(二)傳感器

濕度傳感器:

本研究采用的是電阻式濕度傳感器，傳感原理是采用電阻式濕敏電阻，濕敏電阻的工作原理是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當土壤中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，感濕膜的化學性質發生改變，元件的電阻率和電阻值都發生變化，濕度傳感器輸出的電壓也隨之發生改變，利用這一特性即可測量土壤濕度。

本研究采用的土壤濕度傳感器表面是進過鍍鎳處理，提高了導電性和感應范圍，且解決了傳感器接觸土壤易生銹的問題，使用壽命長。因土壤濕度變化范圍較大，數據量較多，本設計將檢測的數據分為干旱、較干旱、適宜、較濕潤和濕潤五個階段。根據不同的檢測結果，系統分別得出相應的處理方案。

土壤肥力傳感器:

土壤肥力是在植物生活期間，土壤供應和調節植物生長所需要的水分、養分、熱量、空氣和其它生活條件的能力。土壤肥力影響著整個棉花的生命周期，氮、磷在棉花幼苗時期有明顯的促進作用，鉀在棉花現蕾以后有明顯促進作用且增加棉花的逆抗性。土壤肥力傳感器測量土壤中氮磷鉀的含量，將探頭插入土里，根據測量結果可以得出實地土壤養分含量，并和土壤濕度傳感器合為一個檢測單元，分布在種植地中。

由于土地面積廣，土地地形差異和間距不同的土地的水分含量以及養分存在一定的差異，且植物在生長過程中對土地中的養分利用率有所差異，以及土地地形差異地表水流徑流不同，造成棉花生長周期內，土地出現水分及養分均的情況。

根據上述問題，結合傳感器檢測范圍和土壤水分和養分擴散情況，在橫向和縱向皆間隔50m放置一個檢測單元。既增大了檢測范圍又不影響檢測效果，并能極大的提高經濟效益。

(三)無人機

無人機安裝有自動駕駛儀、程序控制裝置等設備。對其進行跟蹤、定位、自動飛行、檢測和數字傳輸。本研究中的植保無人機主要完成兩大功能，第一對作為檢測設備，對棉花生長進行定期圖像采集，第二作為執行設備，對計算機得出的植保方案進行相應的植保措施。

植保無人機體型小而且功能強大，可負載8-10公斤農藥，可在低空噴灑農藥，每2分鐘可完成一畝棉花地的作業。其噴灑效率是傳統人工的20倍。該飛機采用智能操控，操作通過終端電腦及GPS定位對其實施自動控制，其旋翼產生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果好，同時無人操控施藥大大提高了農藥噴灑的安全性。通過分析和處理棉花生長發育過程中的形態變化，和觀測植株的葉面積，葉色，葉傾角，株高和莖粗登形態特征進行分析。可以評估棉花生長狀況、作物品質、病蟲害程度、產量。可以提前對植株病蟲害做出預防及及時的治療，調節植株生長長勢，極大的減少管理和運營成本，增大作物產量。

三、結論

本研究綜合了土壤檢測、圖像處理技術、導航技術、棉花生長模型及數據庫，提出并完成了基于傳感器和無人機技術的棉花檢測系統。監測系統數據獲取量大、速度快、精度高、優勢顯著，解決了目前傳統人工目測和手工測量帶來的誤差或錯誤，可進行準確的進行產量預估，病蟲害防治，植株生長長勢調節，減少了主觀人為因素，節約勞動力資源，是潛力較大的近地面監測方法，對精準農業和智能化農業的發展有著極其重大的意義。