GPS技術在大塊水稻田土壤養分檢測中的應用

齊曉旭,王國永

(河北石油職業技術大學,河北 承德 067000)

0 引言

土壤養分是農作物生長過程中的重要供給源,對農作物的生長狀態起決定性作用[1]。隨著農業現代化技術的不斷發展,農業生產規模也不斷擴大,對于大面積稻田土壤養分狀態監測成為農業生產過程的重要環節[2-3]。土壤養分是土壤信息的重要組成部分,通過獲取土壤的養分分布空間和土壤養分變化過程,能夠有效預測水稻生長過程對養分的需求,科學指導水稻種植過程中的灌溉和施肥環節。同時,連續性的土壤養分信息數據亦能夠為農業生產過程預測和農業災害評估提供科學依據[4-6]。

為了有效檢測土壤養分信息,實現農業生產過程自動化和信息數據的實時采集處理與分析,基于GPS技術與嵌入式系統相結合的方式,設計了一種大面積水稻田土壤信息自動檢測系統,旨在為農業生產過程智能化和實時性提供數據支持。

1 土壤養分檢測系統設計

大面積水稻田土壤養分檢測系統采用分布式控制方式,將整體系統功能劃分為不同的功能單元模塊[7],如圖1所示。水稻田土壤養分檢測系統以移動平臺為載體,使用過程中進行平臺的運動控制和土壤養分信息采集與數據分析處理[8-9]。檢測系統平臺運動控制主要包含平臺的轉向控制、前后運動控制以及速度控制,信息采集與數據處理系統包含土壤溫濕度檢測、養分檢測以及GPS定位[10-11]。

圖1 水稻田土壤養分檢測系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of soil nutrient detection system in rice field

水稻田土壤養分檢測系統平臺控制器用于對平臺運動過程進行控制,同時對系統的信息數據進行處理與分析[12],如圖2所示。工作時,控制器接受系統運行指令,執行相關的檢測動作,并接收檢測數據,對數據進行分析處理。

2 土壤養分檢測平臺系統硬件設計

水稻田土壤養分檢測系統采用單片機作為系統控制板,以2560芯片為處理器核心,養分傳感器模塊上采用超聲模塊進行測距,使用限位開關控制傳感器升降高度[13]。檢測系統采用手持式GPS模塊,通信方式為無線通訊,同時使用TN9紅外土壤溫濕度傳感器和DHT22環境溫濕度傳感器[14]。圖3為系統硬件結構框圖。

圖2 養分檢測控制器系統框圖Fig.2 System block diagram of nutrient detection controller

圖3 系統硬件結構框圖Fig.3 System hardware structure block diagram

檢測系統中,土壤水分傳感器選用頻域測量技術的FDS-100型傳感器,可準確進行土壤含水量測量,信號傳輸過程衰減小,具有超低溫工作性能[15]。表1為土壤水分傳感器技術參數。

表1 土壤水分傳感器技術參數

GPS信息采集模塊采用TH型手持式GPS,能夠在復雜環境中進行高精度定位與數據傳輸。表2為GPS技術參數。

選用TN9型紅外土壤溫濕度傳感器進行土壤濕度和溫度檢測,傳感器運行過程功耗低,采用熱電堆準確進行溫濕度檢測,能夠承受10℃的溫度沖擊。環境溫濕度傳感器采用DHT22型溫濕度傳感器,溫度分辨率可達到0.1℃,量程范圍為-20～60℃,傳感器運行過程具有較高的穩定性和可靠性。

表2 GPS技術參數

水稻田土壤養分檢測系統可將數據傳輸至系統上位機,也可以將檢測數據直接存儲于控制器SD卡中,運行過程保證系統數據的安全存儲。系統顯示器采用點陣式液晶顯示器,對檢測數據進行實時顯示輸出。

水稻田土壤養分檢測系統電源要求具有較高的穩定性和抗干擾能力,能夠為系統提供穩定可靠的電源。在此,選用4個12V蓄電池串聯而成主電源,同時采用電壓轉化電路將48V電壓轉化為不同的電壓,對傳感器或系統平臺進行供電。

3 土壤養分檢測平臺系統軟件設計

水稻田土壤養分檢測系統平臺軟件包含上位機軟件與下位機軟件。其中,上位機軟件包含數據通信串口設置模塊、無線數據通信模塊、下位機初始化模塊以及數據存儲模塊等;下位機模塊包含主程序運行模塊、系統參數初始化模塊、通訊模塊、數據采集模塊以及顯示模塊等。

系統下位機軟件主要用于對土壤養分檢測過程進行控制,同時對檢測數據進行采集、分析處理、顯示以及上傳等;系統上位機主要用于對各種數據進行保存與分析處理,同時對下位機參數進行發送與接收。所設計的水稻田土壤養分檢測系統控制器主線流程如圖4所示,水稻田土壤養分檢測系統數據接收流程如圖5所示。

水稻田土壤養分檢測系統GPS模塊用于對檢測過程中的位置信息進行采集和記錄,其信息數據提取流程如圖6所示。

圖4 水稻田土壤養分檢測系統控制器主線流程Fig.4 Main flow of controller of soil nutrient detection system in rice field

圖5 養分檢測系統數據接收流程圖Fig.5 Data receiving flow chart of nutrient detection system

圖6 GPS模塊位置信息數據提取流程Fig.6 GPS module location information data extraction process

水稻田土壤養分檢測系統上位機與下位機之間通過APC220進行數據通信,上位機接收到下位機信息數據后,進行分析處理、保存以及顯示。圖7為水稻田土壤養分檢測系統上位機工作流程圖。

圖7 養分檢測系統上位機工作流程圖Fig.7 Working flow chart of upper computer of nutrient detection system

4 系統測試分析

對水稻田土壤養分檢測系統GPS定位系統進行測試時,記錄系統運行過程中的散點圖,與實際運行軌跡進行比對。圖8為GPS模塊定位數據與運行軌跡對比曲線。

圖8 GPS模塊定位數據與運行軌跡對比曲線Fig.8 Comparison curve between GPS module positioning data and running track

水稻田土壤養分檢測實驗測試過程中,記錄檢測系統獲取到的檢測點位置信息和土壤含水量,與人工檢測到的土壤含水量進行比對,計算檢測誤差,如表3所示。

實驗檢測結果表明,含水量檢測平均誤差為3.17%。產生誤差的主要原因是:土壤采集后水分揮發導致檢測誤差、傳感器標定誤差,以及采集過程中的深度或土壤品質導致的檢測誤差。

5 結論

基于GPS技術設計的水稻田土壤養分檢測系統能夠用于土壤養分的檢測與位置信息記錄, 系統運行過程中能夠快速進行位置信息的獲取,同時能夠有效對土壤養分進行檢測。系統運行過程穩定可靠,具有較好的通用性能。

表3 水稻田土壤養分檢測實驗數據