基于GPRS和ZigBee通讯协议的棉田施肥控制系统

韩洪杰,钱 彬

(河北能源职业技术学院,河北 唐山 063000)

0 引言

随着我国城镇化进程的逐步推进,农村青壮年劳力逐渐减少[1],中老年农民对于强度较大的棉花施肥劳动越来越力不从心[2]。为了保证棉花产量,盲目施肥现象普遍存在,造成了肥料浪费及土壤干结[3],随着雨水冲刷进入水系,造成富营养化,严重影响生态平衡[4-5]。因此,在减少化肥使用量的同时,实现施肥自动化,提高棉花产量成为重要课题[6]。当前棉花施肥主要采用经验方法,存在人为因素干扰、针对性差及化肥使用过量的问题。目前,对于施肥量检测通常采用土壤肥料传感器[7],由于数据输出问题及成本,不适用于大规模集中棉花植株。本系统采用无人机搭载光谱传感器模式,通过对大田棉花冠层光谱分析,建立氮肥施加模型,确定不同生长时期氮肥需求量,并采用GPRS[8]和ZigBee[9]传输协议实现无人机光谱数据传输和控制中心对施肥系统的远程控制。由于采用无人机光谱采集棉花田数据,数据采集效率极高[10],可有效监控大田棉花长势,通过氮肥施加模型,确定氮肥需求量。

1 系统网络结构

智能施肥系统整个控制网络分为3层,即感知层、网络传输层和应用层,如图1所示。

图1 系统网络结构Fig.1 System network architecture

无人机将采集到的光谱数据发送到网络层,混肥阀门组、混肥传输电机和精准下料槽开关,将当前工作状态传输到网络层,同时接收网络层传来控制信号,实现远程无人控制。网络层采用GPRS和ZigBee传输协议。GPRS协议采用运营商强度基站建设,实现全天24h数据稳定传输,ZigBee具有节能、信号稳定的特点[11],适用于大范围棉花田,其用于组建局域网络;GPRS协议用于将局域网数据与控制信号上传互联网,最后数据传输到控制中心。控制中心为整个系统应用层,主要分为混肥控制系统和氮肥施加模型两部分。混肥系统实现对混肥阀门组、混肥传输电机和精准下料槽开关的控制,氮肥施加模型实现对棉花不同生长时期氮肥施加量的预测,以保证棉花在氮肥施加减少的情况下实现稳产高产。

2 氮肥施加模型

氮元素是棉花生长的重要元素,是蛋白质的主要组成元素,对于棉花坐果至关重要;氮元素也是叶绿素的重要组成元素,直接影响着棉花光合作用[12]。棉花生长不同阶段所需氮元素浓度不同,氮元素浓度低时,造成植株矮小,叶片黄化,花芽分化延迟[13],棉花产量低,品质差;土壤浓度氮含量过高时,植株徒长,枝繁叶茂,容易造成大量落花,同时植株抗病能力降低。通过凯式法[14]探究不同生长时期棉花叶片中的氮含量及整个生长周期中棉花氮需求量变化。采用反射光谱方法,探究叶片含氮量和不同植被指数之间的关系,选定拟合性能最好的植被指数,建立叶片含氮量光谱模型。分析棉花不同生长时期植被指数与棉花产量之间的关系,同时建立植被指数和施肥量之间的关系,最终建立不同生长时期氮肥施加值,完成氮肥施加模型。

2.1 不同生长时期棉花含氮量变化

棉花整个生长周期分为蕾期、花铃早期、花铃中期、花铃晚期和吐絮期等5个时期,不同生长时期,叶片含氮量不同。选取3块实验田,分别依次采用200、400、600kg/hm2的氮肥施加量,采用凯式法分析不同实验田中叶片氮含量,如图2所示。

图2 棉花叶片含氮量变化Fig.2 Changes of nitrogen content in cotton leaves

3种施肥量的样本总体变化趋势相同,从蕾期到花铃中期,叶片含氮量逐步提高。这是由于该时间段内,棉花叶片生长迅速,叶绿素总量迅速提高,光合作用加强,反过来促进土壤中氮元素向叶片转移,以植物生长为主。从花铃中期到吐絮期,叶片氮含量逐渐降低。这是由于该时间段内土壤中氮元素向棉花果实转移,叶片逐步变黄直至枯萎,以生殖生长为主。同时,200、400、600kg/hm2的氮肥施加量其叶片氮含量曲线不相互平行,且从花铃早期,花铃中期叶片生长最重要过程中,变化斜率逐渐降低。

2.2 叶片含氮量光谱分析

花铃中期不同氮肥含量的棉花叶片反射光谱,如图3所示。由图3可知：在550nm处形成波峰,在680nm处形成波谷,在710～760nm范围中,光谱强度急剧增加,在970nm处形成波谷。随着氮施肥量的增加,叶片反射光谱强度逐渐提高。这是由于叶片吸收光谱主要是由于叶绿素和水分造成的,在可见光范围内叶绿素对于光谱的吸收起到关键作用,而叶绿素对于绿色吸收能力弱,对于红色具有很强的吸收能力,因此在550nm处形成波峰,在680nm处形成波谷。由于在整个光谱范围内出现多处波峰和波谷,考虑由多波长计算得到的植被指数[15]和氮施肥量之间的关系,5种常见植被指数拟合结果如表1所示。其中,植被指数mND705拟合决定系数R2最大,同时均方根误差RMSE最小,其模型与实际情况吻合程度最好,因此选用mND705作为建立模型的植被指数。

表1 不同植被指数含氮量拟合比较Table 1 Different vegetation index for fitting of nitrogen content

图3 不同氮施肥量叶片光谱Fig.3 Leaf spectrum for different nitrogen quantity fertilizer

2.3 棉花不同生长时期氮肥施加模型

棉花生长分为蕾期、花铃早期、花铃中期、花铃晚期和吐絮期等5个时期,且前3个时期以植株叶片生长为主,期间植株叶片得的稠密且颜色为绿色;后两个时期以生殖生长为主,叶片开始发黄,脱落,因此不同生长时期所需氮肥含量不同。由于土壤中氮肥主要流向为植物叶片中的叶绿素,而拟合植被指数mND705对于叶绿素含量变化敏感,因此可以求解植被指数mND705与施加氮肥量之间的关系,最终以植被指数mND705为桥梁,求解不同生长时期最佳氮肥施加量,保证棉花在各生长阶段均处于最佳生长状态。

对不同生长时期的植被指数mND705和相应棉花产量进行拟合分析,x为植被指数mND705,y为样本产量,并计算在获得最高产量时,对应的mND705值,如表2所示。

表2 产量与植被指数关系Table 2 Relationship between yield and vegetation index

由于在生长前期,氮肥主要转化为叶片中的叶绿素,讨论mND705值与氮肥施肥量之间的关系,从而确定各生长时期最佳施肥量,分析不同生长时期浓度成梯度分布的施肥量与相应mND705,发现二者总体呈线性分布,拟合结果如表3所示。

表3 施肥量与植被指数关系Table 3 Relationship between vegetation index and amount of fertilizer application

通过建立不同生长时期mND705与棉花产量之间的模型,建立不同生长时期mND705与施肥量之间的模型,最终确定不同生长时期最优氮肥施加量,对两组模型的可靠性进行测试,两组模型不同时期的拟合决定系数R2如图4所示。产量模型R2均处于0.75以上,施肥量模型R2均超过0.82,总体上模型具有较高可靠性;两种模型在花铃中期之前,R2逐步提高,这是由于在花铃中期之前,棉花总体上在进行植株生长,叶片浓度和叶绿素含量均处于逐步提高阶段,该时间段植株叶片生长情况直接反映棉花生长情况;花铃中期以后模型精度下降,这是由于该阶段棉花处于生殖生长阶段,叶片逐渐变黄,直至枯萎,叶片光谱模型精度逐渐降低。同时,土壤氮元素流向从叶片中叶绿素逐渐向棉花转移,造成该阶段施肥量模型精度下降。

图4 模型可靠性Fig.4 Reliability for model of nitrogenous fertilizer application

3 施肥系统设计

3.1 施肥系统结构设计

整个施肥系统分为肥料输送、肥料混合与输出两部分,如图5所示。工作时,驱动电机带动直径为d的传输带轮旋转,传送带上布置着标准配肥槽,每个配肥槽容量为100g,配肥槽上端布置精确下料漏斗,通过与带轮转速同步处理,完成下料漏斗的开关控制,确保肥料准确落入配肥槽;肥料槽中肥料通过肥料输入孔进入混肥容器中,控制阀控制肥料进入混肥容器,为放水阀开启时,水流入混肥容器,在容器中形成分布均匀的肥液;混合完成后通过混合肥液输出端流出,与喷淋浇灌系统连接,实现棉花的施肥。

1.传输带从动轴 2.标准配肥槽 3.驱动电机 4.水输入端 5.肥料输入端 6.电磁阀 7.混合肥液输出端图5 施肥系统组成Fig.5 Structure of fertilization system

3.2 驱动电机与混肥浓度关系

混肥系统改变驱动电机转速控制标准配肥槽中肥料落入混肥罐的数量,即可控制混肥浓度。已知电机转速为n,传输带轮直径为d,则传送带线速度为

(1)

配肥槽之间的距离为l,且容量为100g,则单位时间内,进入配肥罐的氮肥质量m为

(2)

当电机开机时间为T时,混肥质量为

(3)

设配液罐额定承载液体体积为Vt,则肥液中氮肥浓度如式(4)所示。由此可知,肥液浓度与驱动电机转速呈正比例关系。

(4)

4 系统测试

氮肥施加模型采用光谱分析方法,确定不同生长阶段植被指数mND705和棉花产量之间模型,以及植被指数mND705和氮肥施加量之间的关系,确定不同生长时期最优氮肥施加量。

配肥相对平均误差如图6所示。由图6可知：总体上配肥误差均达到98.5%以上,表明配肥系统精度较高,且配肥精度随着配肥质量的增加呈现下降趋势。这是由于配肥槽在驱动电机的带动下连续工作,不可避免地造成少量肥料附着在配肥槽中,造成附着在配肥槽中的氮肥不断累积,当累积到一定程度,肥料脱落配肥槽,进入混肥罐,因此总体上呈现出随着配肥质量的增加,配肥精度逐步下降的趋势。

图6 配肥准确度测试Fig.6 Test for accuracy of fertilization

采用氮肥施加模型推算棉花不同生长时期氮肥施加量和农技师多年经验总结不同生长时期氮肥施加量的对比如图7(a)所示。总体上讲,模型氮肥使用量明显小于经验推荐施加量。蕾期、吐絮期施肥量相近,而花铃早期、中期、晚期明显小于经验推荐量。与经验推荐相比整个生长周期,施加模型减少可氮肥用量为37.3kg/hm2,如图7(b)所示。采用模型,经验推荐和不施肥3种情况对实验田进行对比实验,结果表明：不施肥方式棉花产量最低,模型施肥方式产量最高;模型施肥方式与经验推荐和不施肥情况进行对比,每公顷产量分别高出118kg和1608kg。

图7 施肥模型测试Fig.7 Test for model of nitrogenous fertilizer application

5 结论

在GPRS和ZigBee传输协议的基础上,建立了氮肥自动控制系统,达到了减少氮肥消耗及棉花增产的目的。ZigBee传输协议用于组建局域网,包括无人机光谱采集、混肥阀门组,混肥传输电机和精准下料槽等几部分;GPRS协议用于远程传输数据,实现控制中心远程控制。系统主要包括氮肥施加量模型和施肥控制系统。氮肥施加模型首先选定适当植被指数,建立植被指数和氮肥施加量之间的关系,其次建立不同生长时期植被指数与棉花产量之间的关系,最终以植被指数为桥梁,计算不同生长时期氮肥最佳施肥量。建立施肥控制系统,通过控制施肥传送电机转速,实现不同浓度的氮肥施加。测试结果表明：氮肥施加系统精度在98%以上;氮肥添加模型性能可靠,与传统经验施肥法相比,氮肥用量每公顷减少37.3kg,产量提高118kg,实现了节肥增产的目的。