物联网模式下的农业土壤养分监测及施肥系统研究

宋 艳，黄留锁

(河南教育学院 信息技术系，郑州 450046)



物联网模式下的农业土壤养分监测及施肥系统研究

宋 艳，黄留锁

(河南教育学院 信息技术系，郑州 450046)

针对目前国内传统施肥方式中，存在基肥施用量大，盲目施肥，氮、磷、钾单一品种化肥用量过多，导致土壤肥力退化、土壤养分不均衡，影响到农作物增收等现状，借助物联网技术、近红外分析技术、现代通信技术和无线网络技术，选用近红外分析技术和基于FFT算法及小波变换的光谱微弱信号处理方法，实现实时监测土壤养分的变化，全面而准确地掌握农业土壤养分情况，并智能控制自动施肥执行端施肥。为此，进行了样机试制，并运用于不同的农业土壤，包括褐土、红土、黑土等进行养分监测和施肥试验。结果表明：农业土壤养分监测及施肥系统可稳定运行，精准施肥，能满足不同农业土壤的精确施肥。本系统可指导科学施肥，提高农业生产的施肥水平，减少农业污染。

物联网；土壤养分；施肥；近红外分析

0 引言

除了叶面的光合作用，农作物所需的养分，主要是由其根系从土壤中吸取，土壤的养分决定了作物能否存活以及生长的速度和质量。土壤养分包括土壤有机质及氮、磷、钾等，土壤养分缺乏或过量对作物生长发育而言都是不利的，可使元素之间的拮抗作用增加，并诱发多种病症[1]。

作为国家的重要方向之一，农业的现代化在世界各国都被提上了重要日程[2]。其中， 调节土壤养分状况，以满足作物在不同生长发育阶段对养分的需要，是获取农作物优质高产的重要环节。随着精细农业技术的发展，测土精准施肥已成为广大农作物生产者的迫切要求。精准施肥可以提高资源使用效率，降低成本，提高农作物产值，减少农业生产对环境的污染破坏[3]。

物联网技术(Internet of things)是将物与物之间建立联系的技术[2]。农业物联网技术是当今世界发展农业的关键和核心技术，主要包括农业各种关键要素的监测、传输、处理和执行等几个层面。将物联网技术运用于现代农业生产，是世界各国在农业方面的发展重点。

精准施肥，需以土壤实时、准确的养分分布监测数据为基础，因而快速、稳定地获得土壤养分分布数据是精准施肥的第一步。作为物联网技术运用于农业土壤养分监测与控制技术的前端，土壤养分数据传感器设计是目前的一个难点。其中，光谱分析是一种有很大潜力的快速分析方法[4]，采用近红外光谱技术实现对土壤养分的快速分析，实现物料网前端对土壤养分的数据传感功能，可为农业施肥现代化作业提供技术基础。

为此，本文将物联网技术联合近红外光波数据分析应用于农业土壤养分监测，同时根据土壤养分数据与系统设置比对，实时做出施肥与否的决策，以指导农业施肥。本系统能够对农作物生长环境的养分实现自动化远程监测与控制，并通过模型分析和数据处理，对土壤养分实现精准控制。通过样机试制、组装、连接和运用于不同土壤环境进行试验，结果证明：基于物联网技术和近红外光分析技术的农业土壤养分实时监测系统，可实现对土壤有机质、全氮、全磷和全钾，以及有效氮、磷、钾含量的实时监测，实现肥料的精准供给，可智能化控制、精准化运行，有助于农产品高产和节能环保。

1 设计原理

将设置在田间或温室大棚内的可见光/近红外土壤养分传感器(TFC系列土壤养分速测仪、YN型土壤肥料养分速测仪器)采集到的信息，包括农业土壤的有机质、水解性氮、pH、全氮、全磷和全钾，以及有效氮、磷、钾含量等数据，通过光电转换，经FFT算法和小波变换，光谱微弱信号处理后，以电流方式传输给各网络节点；然后通过GPRS无线传输到信息处理平台和以单片机为核心的中心控制系统。信息平台和控制系统针对不同的农作物、不同的生长时期，按照作物生长需求，设置对应的土壤养分指标，通过指标值与实时监测数据的比对，发出相应的指令，控制布置在田间相应位置的施肥装置按比例配置相应的肥料混合液，开启注肥、混肥、施肥动作，进行适量的施肥动作。

2 总体设计方案

该方案主要包括田间或温室多点放置的土壤养分传感器、施肥装置及相应的太阳能供能装置，以及数据采集设备RTU、数据传输单元DTU、JN5121通信模块、无线通信GPRS、MSP430 F149低功耗单片机、步进电机、增压泵、离子浓度测量仪、pH测量仪、施肥罐、阀门和微喷系统等。

2.1 流程

系统流程为：土壤养分传感器→数据采集设备RTU→数据传输单元DTU→JN5121通信模块→无线通信GPRS→MSP430 F149低功耗单片机→计算机监控终端→步进电机→增压泵→离子浓度测量仪、pH测量仪→施肥罐→阀门→微喷系统。

2.2 土壤养分数据监测与传感实现。

按每667m260支的密度于田间或大棚内安装土壤养分传感器。近红外土壤养分传感器发出单波段光信号，经被测土壤反射，采用便携式分光辐射光谱仪(ASD)测量反射光谱；用View Spec Pro5.7.2软件进行有效性检查，取平均值，将数据导出；通过分析找出各个测定指标的特征波段，回归建模，得出土壤养分数据信息，经小波转换和FFT算法处理，转换成电信号，经MSP430 F149单片机放大、滤波及A/D转换等处理。因被测对象是微弱电流信号，放大后容易导致电流和电压失调，还可能发生自激干扰、零点漂移。因此，本系统设计选用CA3140集成运算放大器，其具有高输入阻抗，并选用FET 作输入极，具有高速、宽带和低噪声等优点。

2.3 物联网智能控制系统

物联网智能控制系统包括数据处理模块、信息存储分析模块、施肥建议模块、用户操作模块及精准施肥模块。

数据处理模块所处理的数据包括两类：一是空间位置数据；二是属性数据。空间位置数据提供需/或不需施肥的土壤具体位置，系统可开启相应位置的微施肥系统进行施肥操作；属性数据指的是被测土壤的养分数据，根据具体的作物需求，在施肥建议模块的建议下，系统自动判断，所测土壤是否需要施以一定配方及一定量的肥料。

信息统计汇总模块包括所有矢量和属性数据查询，以及所有信息的统计与分析。

施肥建议模块，根据被测土壤养分数据信息和输出目标，系统可以给出精确的施肥建议，包括施肥配方和用量。

精准施肥模块包括土壤养分平衡模块和施肥决策模块，处理功能包括模式输入与输出、角色互换及参数调整。精准施肥模块根据施肥建议模块的处理结果，通过单片机控制相应位置的微施肥系统启动施肥动作。

2.4 微施肥系统

按每667m260支的密度于田间或大棚内微施肥系统，在各大棚内或田间，设置安装微喷施肥装置。微喷施肥设计成悬挂式，选用30L/h小旋轮微喷头,选用微喷施肥装置工作压力范围在0.15～0.24MPa之间。微喷施肥装置通过阀门控制开关，阀门连接单片机I/O口，并安装限压阀，可对工作压力进行调节，以控制微喷施肥面积。管道材料选择UPVC管、阀门选用1.6MPa的UPVC管材及PE材料。微施肥系统根据施肥建议模块的建议，吸取一定量可溶性固体肥料和液体肥料，配制成均一溶液，开启阀门，旋转叶片将装置内配制好的肥料液均匀喷洒在土壤内，完成施肥操作；溶液喷施完毕，微施肥系统自动停止施肥。

3 系统软件设计

计算机端程序软件程序采用C 语言编写，可实现软件系统数据的处理，包括AD 转换功能、软件滤波功能，以及包括传输、存储、显示、指令的执行等功能。实际运用表明，其可以满足本智能控制系统使用要求。

4 试验

4.1 材料与方法

根据系统设计，进行样机组装，并于田间或大棚安装近红外土壤养分传感器和微喷施肥系统；传感器每隔15min监测1次土壤养分数据，经放大处理，与建模分析对比，反馈数据信息给物联网中心处理模块；由施肥建议模块给出施肥建议，微喷施肥系统自动配制肥料液，开启阀门，进行施肥操作。

为检测本系统工作的有效性，于样机试运行期间对田间或大棚随机取样，共取6个点样品，采集20cm深度范围内的土层土壤，剔除可见异物,用“四分法”取样,过0. 25、1. 00 mm 筛,按常规方法，测定土壤样品的有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷及速效钾含量，以检测本系统设计的有效性。

4.2 结果与分析

样机运用于本地褐土橘子园、红土茶树园、棉花黑土地养分监测与自动施肥，于上午9：05开始运行，上午10：30停止运行。在样机试运行期间，每隔15min于样机覆盖范围内随机采集土壤样品，用化学方法测定土壤养分数据，以验证本系统工作的有效性。化学测定结果见结果如表1～表3所示。

表1 褐土橘子园土壤养分的化学检测结果

表2 红土茶树园土壤养分的化学检测结果

表3 运用本系统监测与控制棉花黑土地土壤养分的化学检测结果

从化学测定验证结果发现：本系统可在一个较短的实时内快速响应，并根据土壤养分的不同情况，科学调配土壤营养液配方，对土壤养分缺乏的部分进行及时补充；当养分达到较优的含量值时，自动停止施肥动作，避免了肥料、能源的浪费和对土壤环境的污染。

5 结论

基于物联网技术和近红外光检测技术的农业土壤养分自动监测和施肥的系统设计方案，包括物联网建设、硬件安装和软件编写等工作。实现了土壤养分的实时监测、及时预警和确定施肥的智能控制目标， 并制作系统样机，进行试验，对样机运行结果进行了验证。验证结果表明：本系统运行稳定、可靠、反应迅速，可为农业土壤养分实时监测和控制提供服务，促进农业生产施肥作业的智能化水平和精细化水平。

[1] 赵庚星,李秀娟,李涛,等.耕地不同利用方式下的土壤养分状况分析[J].农业工程学报,2005(10):55-58.

[2] 许世卫.我国农业物联网发展现状及对策[J].中国科学院院刊,2013(6):686-692.

[3] 赵春江,薛绪掌,王秀,等.精准农业技术体系的研究进展与展望[J].农业工程学报，2003(4)：7-12.

[4] 丁海泉,卢启鹏.近红外光谱技术在土壤养分分析中的研究进展及应用前景[J].光谱学与光谱分析,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

河南省社科规划决策咨询委托项目(2015JCWT06)

宋 艳(1979-)，女，河南周口人，实验师，硕士研究生，( E-mail)34538543@qq.com。

黄留锁(1976-)，男，郑州人，讲师，(E-mail)ls.huang@139.com。

S126

A

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