刘芳 张树艳 辛鹏 祁雪莲 钟祥 李雅杰

摘 要：针对农民去田间地头判断农田是否需要施氮肥耗时耗力和氮肥用量不精准这一问题，设计了土壤氮含量成分远程实时监测装置。采用偏最小二乘法建立氮含量预测模型，实验表明：该模型相关系数r为0.8551，一次平方误差e=0.0022，精度良好；设计基于GPRS的土壤氮含量远程实时监测系统，将土壤湿度值通过单片机模块进行处理后经GPRS通信模块传送到PC机，通过氮含量预测模型输出氮含量值，从而实现精准施肥。

关键词：单片机 土壤氮含量 远程 实时监测

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（a）-0-02

目前智能农业是我国“互联网+”潮流的一块大领域，在“互联网+”科技的带动下，增加农副产品的产出率，节省人力成本，这将是我国农业发展进步的很大的一步[1，2]。氮对农作物生长过程以及农作物产出率和质量都有非常重要的作用，合理施用氮肥不仅是获得作物高产的有效措施，还十分有利环境保护。而目前人工施肥需要去田间地头监测植物是否有缺氮的情况，根据自己的种植经验去判断施肥量，这样会出现补充氮肥不及时或补充氮肥过量的情况，从而导致农作物减产，品质下降等问题[3]。因此，设计一款远程监测土壤氮含量装置，实现精准施肥，对农作物高产、合理利用资源有着实用价值，对实现农业的精准化、科学化、标准化、定量化、高效化有着推动作用。

1 材料与方法

试验田设于阿拉尔市十团，设立5个不同的样本区域，每次对5个区域进行土壤采样，立即将土壤带到实验室测量土壤的湿度与氮含量，共采集80组样本，以保证实验的准确性。NH4+的测定使用的是氨氮测定仪，相对于半微量开氏法，测定结果简单、准确、效率高，所以通用性比较强，稳定性很好[5]。通过制定的使用氨氮测量仪测量铵根离子的方法，得到土壤铵根离子数据。测定土壤湿度的办法多种多样，常用的有烘干法、滴定法、遥感法、负压计法、重量法、电阻法、核磁共振法、微波法等不同的方法[4]。本项目使用烘干法测定土壤水分，烘干法最简单实用而且比较准确。

2 基于PLS的土壤氮含量预测模型

测得土壤铵根离子数据和土壤湿度数据共80组，利用60组建立土壤铵态氮含量预测模型，20组进行精度验证；在MATLAB平台运用PLS寻找铵根离子和湿度值的最佳匹配函数y=a×x+b，建立土壤铵态氮含量监测模型，利用模型预测的铵根离子值和验证的铵根离子值，进行模型精度验证，土壤铵根离子与土壤湿度之间的精度值达到0.8551（相关系数r）、一次平方误差e=0.0022，实验结果表明，精度较好，模型可行。通过PLS得到的拟合曲线如图1所示。

3 基于GPRS的土壤氮含量远程实时监测系统设计

通过湿度传感器测得湿度值再通过单片机模块对湿度值进行分析处理，然后通过串行口传输到GPRS通信模块，GPRS远程通信将湿度值传送到个人电脑上，个人电脑将数据存储并处理，输入已建好的湿度值与氮含量的预测模型，最终输出氮的值，使用清晰可见该土地的氮含量值，实现对土壤中氮元素含量的远程监测，可实现每日不间断地检测土壤成分的改变状态，根据检测信息决定是否给土壤补给氮肥，为农作物增产提供了现实可行的实践基础，硬件实物图如圖2所示。

将PC机连接网络，数据采集和处理模块通电源。将湿度传感器探头插入土壤中，点击PC机端氮含量监控终端软件，最终获取数据并显示了氮含量数值。当土壤氮含量正常时，上位机终端会正常显示氮含量的数值，土壤氮含量正常状况所示氮含量为92.2152mg/kg。当土壤氮含量低于75g/kg时，氮含量监控终端就会提示及时补充氮肥并显示当前土壤氮含量，氮含量显示如图3所示。

4 结语

基于GPRS实现了数据的远程传送，使用偏最小二乘法建立了湿度与铵根离子的数据模型，利用易语言实现了在Windows环境下运行的氮含量监控终端应用程序，从而实现了氮含量远程实时监测。当土壤氮含量正常时系统会显示土壤氮含量值，当土壤氮含量低于标准值75mg/kg时，系统会给出提示并显示当前氮含量值。

参考文献

[1] 沙磊.“物联网”信息社会“发动机”[J].科技博览，2009，29（6）：6-11.

[2] Bremner JM，著.土壤氮素分析法[M].曹亚橙，译.北京：农业出版社，2011：36-94.

[3] 黄昌勇.土壤学[M].北京：中国农业出版社，2012：4-10.

[4 朱静，丁峰，金洋，等.长江三角洲典型地区农田土壤有机质的时空变异特征及其影响因素[J].土壤，2006，38（2）：158-165.