齊曉旭,王國(guó)永

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué),河北 承德 067000)

0 引言

土壤養(yǎng)分是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的重要供給源,對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)起決定性作用[1]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模也不斷擴(kuò)大,對(duì)于大面積稻田土壤養(yǎng)分狀態(tài)監(jiān)測(cè)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)[2-3]。土壤養(yǎng)分是土壤信息的重要組成部分,通過(guò)獲取土壤的養(yǎng)分分布空間和土壤養(yǎng)分變化過(guò)程,能夠有效預(yù)測(cè)水稻生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)養(yǎng)分的需求,科學(xué)指導(dǎo)水稻種植過(guò)程中的灌溉和施肥環(huán)節(jié)。同時(shí),連續(xù)性的土壤養(yǎng)分信息數(shù)據(jù)亦能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程預(yù)測(cè)和農(nóng)業(yè)災(zāi)害評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)[4-6]。

為了有效檢測(cè)土壤養(yǎng)分信息,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集處理與分析,基于GPS技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的方式,設(shè)計(jì)了一種大面積水稻田土壤信息自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能化和實(shí)時(shí)性提供數(shù)據(jù)支持。

1 土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大面積水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)采用分布式控制方式,將整體系統(tǒng)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(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)以移動(dòng)平臺(tái)為載體,使用過(guò)程中進(jìn)行平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制和土壤養(yǎng)分信息采集與數(shù)據(jù)分析處理[8-9]。檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制主要包含平臺(tái)的轉(zhuǎn)向控制、前后運(yùn)動(dòng)控制以及速度控制,信息采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包含土壤溫濕度檢測(cè)、養(yǎng)分檢測(cè)以及GPS定位[10-11]。

圖1 水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of soil nutrient detection system in rice field

水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)控制器用于對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析[12],如圖2所示。工作時(shí),控制器接受系統(tǒng)運(yùn)行指令,執(zhí)行相關(guān)的檢測(cè)動(dòng)作,并接收檢測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 土壤養(yǎng)分檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制板,以2560芯片為處理器核心,養(yǎng)分傳感器模塊上采用超聲模塊進(jìn)行測(cè)距,使用限位開(kāi)關(guān)控制傳感器升降高度[13]。檢測(cè)系統(tǒng)采用手持式GPS模塊,通信方式為無(wú)線通訊,同時(shí)使用TN9紅外土壤溫濕度傳感器和DHT22環(huán)境溫濕度傳感器[14]。圖3為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 養(yǎng)分檢測(cè)控制器系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of nutrient detection controller

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System hardware structure block diagram

檢測(cè)系統(tǒng)中,土壤水分傳感器選用頻域測(cè)量技術(shù)的FDS-100型傳感器,可準(zhǔn)確進(jìn)行土壤含水量測(cè)量,信號(hào)傳輸過(guò)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(shù)參數(shù)。

表1 土壤水分傳感器技術(shù)參數(shù)

GPS信息采集模塊采用TH型手持式GPS,能夠在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行高精度定位與數(shù)據(jù)傳輸。表2為GPS技術(shù)參數(shù)。

選用TN9型紅外土壤溫濕度傳感器進(jìn)行土壤濕度和溫度檢測(cè),傳感器運(yùn)行過(guò)程功耗低,采用熱電堆準(zhǔn)確進(jìn)行溫濕度檢測(cè),能夠承受10℃的溫度沖擊。環(huán)境溫濕度傳感器采用DHT22型溫濕度傳感器,溫度分辨率可達(dá)到0.1℃,量程范圍為-20～60℃,傳感器運(yùn)行過(guò)程具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

表2 GPS技術(shù)參數(shù)

水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)上位機(jī),也可以將檢測(cè)數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)于控制器SD卡中,運(yùn)行過(guò)程保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)。系統(tǒng)顯示器采用點(diǎn)陣式液晶顯示器,對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示輸出。

水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)電源要求具有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能力,能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。在此,選用4個(gè)12V蓄電池串聯(lián)而成主電源,同時(shí)采用電壓轉(zhuǎn)化電路將48V電壓轉(zhuǎn)化為不同的電壓,對(duì)傳感器或系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行供電。

3 土壤養(yǎng)分檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)軟件包含上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件。其中,上位機(jī)軟件包含數(shù)據(jù)通信串口設(shè)置模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊、下位機(jī)初始化模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等;下位機(jī)模塊包含主程序運(yùn)行模塊、系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及顯示模塊等。

系統(tǒng)下位機(jī)軟件主要用于對(duì)土壤養(yǎng)分檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行控制,同時(shí)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析處理、顯示以及上傳等;系統(tǒng)上位機(jī)主要用于對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與分析處理,同時(shí)對(duì)下位機(jī)參數(shù)進(jìn)行發(fā)送與接收。所設(shè)計(jì)的水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)控制器主線流程如圖4所示,水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收流程如圖5所示。

水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)GPS模塊用于對(duì)檢測(cè)過(guò)程中的位置信息進(jìn)行采集和記錄,其信息數(shù)據(jù)提取流程如圖6所示。

圖4 水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)控制器主線流程Fig.4 Main flow of controller of soil nutrient detection system in rice field

圖5 養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)提取流程Fig.6 GPS module location information data extraction process

水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)APC220進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,上位機(jī)接收到下位機(jī)信息數(shù)據(jù)后,進(jìn)行分析處理、保存以及顯示。圖7為水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)工作流程圖。

圖7 養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)工作流程圖Fig.7 Working flow chart of upper computer of nutrient detection system

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

對(duì)水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí),記錄系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的散點(diǎn)圖,與實(shí)際運(yùn)行軌跡進(jìn)行比對(duì)。圖8為GPS模塊定位數(shù)據(jù)與運(yùn)行軌跡對(duì)比曲線。

圖8 GPS模塊定位數(shù)據(jù)與運(yùn)行軌跡對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curve between GPS module positioning data and running track

水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中,記錄檢測(cè)系統(tǒng)獲取到的檢測(cè)點(diǎn)位置信息和土壤含水量,與人工檢測(cè)到的土壤含水量進(jìn)行比對(duì),計(jì)算檢測(cè)誤差,如表3所示。

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明,含水量檢測(cè)平均誤差為3.17%。產(chǎn)生誤差的主要原因是:土壤采集后水分揮發(fā)導(dǎo)致檢測(cè)誤差、傳感器標(biāo)定誤差,以及采集過(guò)程中的深度或土壤品質(zhì)導(dǎo)致的檢測(cè)誤差。

5 結(jié)論

基于GPS技術(shù)設(shè)計(jì)的水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)能夠用于土壤養(yǎng)分的檢測(cè)與位置信息記錄, 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中能夠快速進(jìn)行位置信息的獲取,同時(shí)能夠有效對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定可靠,具有較好的通用性能。

表3 水稻田土壤養(yǎng)分檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)