南疆土壤氮含量遠程實時監測系統開發

劉芳 張樹艷 辛鵬 祁雪蓮 鐘祥 李雅杰

摘 要：針對農民去田間地頭判斷農田是否需要施氮肥耗時耗力和氮肥用量不精準這一問題，設計了土壤氮含量成分遠程實時監測裝置。采用偏最小二乘法建立氮含量預測模型，實驗表明：該模型相關系數r為0.8551，一次平方誤差e=0.0022，精度良好；設計基于GPRS的土壤氮含量遠程實時監測系統，將土壤濕度值通過單片機模塊進行處理后經GPRS通信模塊傳送到PC機，通過氮含量預測模型輸出氮含量值，從而實現精準施肥。

關鍵詞：單片機 土壤氮含量 遠程 實時監測

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-0-02

目前智能農業是我國“互聯網+”潮流的一塊大領域，在“互聯網+”科技的帶動下，增加農副產品的產出率，節省人力成本，這將是我國農業發展進步的很大的一步[1，2]。氮對農作物生長過程以及農作物產出率和質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的有效措施，還十分有利環境保護。而目前人工施肥需要去田間地頭監測植物是否有缺氮的情況，根據自己的種植經驗去判斷施肥量，這樣會出現補充氮肥不及時或補充氮肥過量的情況，從而導致農作物減產，品質下降等問題[3]。因此，設計一款遠程監測土壤氮含量裝置，實現精準施肥，對農作物高產、合理利用資源有著實用價值，對實現農業的精準化、科學化、標準化、定量化、高效化有著推動作用。

1 材料與方法

試驗田設于阿拉爾市十團，設立5個不同的樣本區域，每次對5個區域進行土壤采樣，立即將土壤帶到實驗室測量土壤的濕度與氮含量，共采集80組樣本，以保證實驗的準確性。NH4+的測定使用的是氨氮測定儀，相對于半微量開氏法，測定結果簡單、準確、效率高，所以通用性比較強，穩定性很好[5]。通過制定的使用氨氮測量儀測量銨根離子的方法，得到土壤銨根離子數據。測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、負壓計法、重量法、電阻法、核磁共振法、微波法等不同的方法[4]。本項目使用烘干法測定土壤水分，烘干法最簡單實用而且比較準確。

2 基于PLS的土壤氮含量預測模型

測得土壤銨根離子數據和土壤濕度數據共80組，利用60組建立土壤銨態氮含量預測模型，20組進行精度驗證；在MATLAB平臺運用PLS尋找銨根離子和濕度值的最佳匹配函數y=a×x+b，建立土壤銨態氮含量監測模型，利用模型預測的銨根離子值和驗證的銨根離子值，進行模型精度驗證，土壤銨根離子與土壤濕度之間的精度值達到0.8551（相關系數r）、一次平方誤差e=0.0022，實驗結果表明，精度較好，模型可行。通過PLS得到的擬合曲線如圖1所示。

3 基于GPRS的土壤氮含量遠程實時監測系統設計

通過濕度傳感器測得濕度值再通過單片機模塊對濕度值進行分析處理，然后通過串行口傳輸到GPRS通信模塊，GPRS遠程通信將濕度值傳送到個人電腦上，個人電腦將數據存儲并處理，輸入已建好的濕度值與氮含量的預測模型，最終輸出氮的值，使用清晰可見該土地的氮含量值，實現對土壤中氮元素含量的遠程監測，可實現每日不間斷地檢測土壤成分的改變狀態，根據檢測信息決定是否給土壤補給氮肥，為農作物增產提供了現實可行的實踐基礎，硬件實物圖如圖2所示。

將PC機連接網絡，數據采集和處理模塊通電源。將濕度傳感器探頭插入土壤中，點擊PC機端氮含量監控終端軟件，最終獲取數據并顯示了氮含量數值。當土壤氮含量正常時，上位機終端會正常顯示氮含量的數值，土壤氮含量正常狀況所示氮含量為92.2152mg/kg。當土壤氮含量低于75g/kg時，氮含量監控終端就會提示及時補充氮肥并顯示當前土壤氮含量，氮含量顯示如圖3所示。

4 結語

基于GPRS實現了數據的遠程傳送，使用偏最小二乘法建立了濕度與銨根離子的數據模型，利用易語言實現了在Windows環境下運行的氮含量監控終端應用程序，從而實現了氮含量遠程實時監測。當土壤氮含量正常時系統會顯示土壤氮含量值，當土壤氮含量低于標準值75mg/kg時，系統會給出提示并顯示當前氮含量值。

參考文獻

[1] 沙磊.“物聯網”信息社會“發動機”[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：農業出版社，2011：36-94.

[3] 黃昌勇.土壤學[M].北京：中國農業出版社，2012：4-10.

[4 朱靜，丁峰，金洋，等.長江三角洲典型地區農田土壤有機質的時空變異特征及其影響因素[J].土壤，2006，38（2）：158-165.