基于物联网的农作物生长过程微量元素含量的测定

齐仁龙, 朱小会, 翟璐璐

(1.郑州科技学院 电子与电气工程学院, 河南 郑州 450064;2. 郑州科技学院 河南省智能信息处理与控制工程技术研究中心, 河南 郑州 450064)

与人类生存休戚相关的就是食物,食物的来源大都离不开土地资源。土地是关乎人类生存生活的主要自然资源。植物的生长离不开土地,更离不开土地中的微量元素。微量元素含量虽然在生物体总质量中占比不高于0.01%,但在植物整个生长过程中至关重要。土壤中微量元素含量的不均衡或者缺失,都会对植物的生长产生负面影响,但含量过高也会让植物中毒[1]。土壤中微量元素有效态含量对农作物生长过程来说是十分重要的。近年来,人们为了提升农作物的复种指数,越来越多地用化学肥料代替有机肥。这虽然能从一定程度上提高农作物产量,但同时会导致土壤中微量元素含量的不断变化,给持续种植农作物的生长带来一系列问题,也会造成农产品营养成分的失衡[2]。研究农作物生长过程微量元素含量的变化,就是为了研究土壤中微量元素有效态含量的丰缺,合理调节土壤的微量元素含量,以科学指导施肥,实现农作物的优质高产[3]。

本文对农作物微量元素含量进行智能识别与诊断分析,将农作物生长过程微量元素含量的检测数据采集、数据传输与管理、预测预报、信息发布等功能集于一体,通过建立通用的农作物生长过程微量元素含量监测预警平台,为农作物生长过程微量元素含量的测定及预警提供及时、准确的信息服务。

1 农作物生长过程微量元素含量监测预警平台的结构设计

所设计农作物生长过程微量元素含量的监测预警平台,由农作物微量元素含量监测大数据平台和农作物微量元素含量监测系统组成。农作物微量元素含量监测系统由数据采集、数据初步处理、数据云端存储分析、接收评价结果等部分组成。其中,数据采集部分主要采集锌、硼、铁、钾、锰、镁及其他微量元素含量的检测数据[4];数据初步处理部分主要是对微量元素含量检测数据进行预处理;数据云端存储分析部分主要是将数据存入云端服务器并实现数据的分析评价;接收评价结果部分主要是将数据的综合分析结果(即评价结果)发送至终端,并给出微量元素调整的建议。农作物生长过程微量元素含量监测预警平台的结构如图1所示。

图1 农作物生长过程微量元素含量监测预警平台的结构Fig.1 The structure of monitoring and warning platform for trace element content during crop growth

2 农作物生长过程微量元素含量监测预警平台的硬件设计

本文选用市面上农作物养分检测的成型产品ST-ZY30型植物养分检测仪来采集农作物生长过程微量元素含量的数据。该检测仪需直流12 V或交流(220±22)V电压供电,能够测量的波长范围为红光(680±2)nm、蓝光(420±2)nm、绿光(510±2)nm、橙光(590±4)nm。其量程为0.001～9 999 mg,线性误差≤0.1%,重复性误差≤0.05%。其检测传感模块采用双联排多通道设计方式,一次性可快速检测12个样本,能够通过多通道实现所有检测项目的同时检测,可显著提升检测效率,降低检测成本。

2.1 信息处理单元

信息处理单元采用的是美国TI公司的MSP430F149型单片机。其片内集成资源非常丰富,包括灵活的时钟模块、6个8位并行的I/O端口、定时器、比较器、中断模块、串行通讯模块、12位的A/D转换模块、DMA(Direct Memory Access的缩写)控制器、FLASH存储器等。MSP430F149型单片机属于16位单片微型处理器,可根据需要设置不同的工作模式,且能在1.8～3.6 V的低电压供电下以μA级的超低功耗正常工作。采用其12位A/D转换模块,可方便地搭建数据采集子电路。MSP430F149型单片机的最小工作系统如图2所示。

图2 MSP430F149型单片机的最小工作系统Fig.2 The MSP430F149 microcontroller minimum working system

2.2 无线通信单元

无线通信单元采用的是CC2420型无线射频芯片。它能通过片内集成的直流稳压电路将3.3 VDC转换为1.8 VDC,进行正常供电。它在使用时,需外接16 MHz的晶振,作为250 kb/s数据收发的时序信号;采用输入输出阻抗来匹配芯片,以便通过天线进行短距离的无线通信。该无线通信单元的电路如图3所示。

图3 无线通信单元的电路Fig.3 Wireless communication unit circuit

2.3 数据传输结构

农作物生长过程微量元素含量监测预警平台的数据传输结构如图4所示。预警平台采用农作物微量元素测定装置对农作物微量元素含量的检测数据进行采集,并可将所采集数据上传至计算机数据管理系统以及云端服务器。预警平台的使用者可通过智能控制终端查询相关数据,并打印相关的分析表格。

图4 农作物生长过程微量元素含量监测预警平台的数据传输结构Fig.4 The data transmission structure of monitoring and warning platform for trace element content in crop growth process

2.4 无线传感器节点

无线传感器节点由检测传感模块、数据处理模块(它由CPU、存储模块、嵌入式操作系统等构成)、通信模块以及电源模块组成。无线传感器节点的结构如图5所示。其中,检测传感模块用于采集农作物微量元素含量的检测数据并实现数据的转换;数据处理模块用于协调控制无线传感网络中所有智能检测节点的操作,并对数据进行储存和处理;通信模块能够通过射频芯片实现无线传感网络中各智能检测节点间的通信,对采集的数据进行收发并交换控制信息;电源模块用于确保网络中各智能检测节点的正常运行。

图5 无线传感器节点的结构Fig.5 The wireless sensor node structure

3 农作物生长过程微量元素含量监测预警平台的软件设计

3.1 数据采集流程

农作物生长过程微量元素含量的数据采集流程为:智能检测节点以初始状态开始工作; MSP430F149型单片机上电并初始化,处于发送与接收状态,以实时获取需要查询的数据;若某节点处于数据发送状态则查询相邻节点或簇头并发送数据,而若某节点处于数据接收状态则通过地址查询来建立连接并接收数据;若节点并没有发送或接收数据则判断是否采集数据;若无线传感器节点的检测传感模块未处于数据发送状态则数据处理模块处于休眠状态,以便实现网络的低功耗节能运行。系统上电待电正常运行后,数据采集流程将自动启动,并采用中断的方式执行相应的软件功能[5]。农作物生长过程微量元素含量的数据采集流程如图6所示。

图6 农作物生长过程微量元素含量的数据采集流程Fig.6 The work flow of data collection of trace element content in crop growth process

3.2 基站工作流程

基站在农田分布的数量远远少于检测节点的分布数量,主要负责分析、比较、融合所有检测节点的农作物生长过程微量元素的含量信息。基站能够将有关数据传送至控制管理中心,也能将控制管理中心发出的控制命令送往各检测节点。在设计基站时,为保证基站在传输协议上与所有检测节点的统一,需要采用同一款CC2420型无线射频芯片。基站主要是负责数据处理和通信的。为保证其处理能力,作为基站使用的MSP430F149型单片机不再兼有数据采集任务,即基站电路中不用添加检测传感模块。基站工作流程如图7所示。

图7 基站工作流程Fig.7 Workflow of base station

3.3 预警模型

建立农作物生长过程微量元素含量监测预警模型时,首先应以农作物生长过程微量元素含量的检测数据作为模型的输入量,以适合指定农作物生长的微量元素含量作为输出量[6],确定神经网络的结构,包括输入、输出层的变量,以及隐含层的层数、节点数;然后将BP神经网络和Elman神经网络的输出结果转化为基本的概率赋值函数,并将相应的函数值作为D-S证据理论的输入量;最后运用Dempster合成公式得到符合一定精度要求的最终预测结果[7]。图8所示为农作物生长过程微量元素含量监测预警模型的框架。

图8 农作物生长过程微量元素含量监测预警模型的框架Fig.8 The early warning model framework of monitoring data of trace element content in crop growth process

本文建立的农作物生长过程微量元素含量监测预警平台采用交通管制信号灯显示法,即以“锌元素”“硼元素”“铁元素”“钾元素”“锰元素”“镁元素”“其他微量元素”7种标识,无警、轻警、中警、重警、巨警5种对应预警模型输出结果的警情等级,按5分制评判向量Q(Q=[5,4,3,2,1]),对农作物生长过程的微量元素含量进行检测结果的评判。若4

实际中,农作物生长过程微量元素含量的监测预警应遵循“预防为主,综合防治,保护环境”的原则,在获取警情、警报后,从系统中调取预警信息模板并进行填充,发送短信、邮件或者系统消息,对农作物不良长势进行预警[9],通知相关人员及时处理,且应打印相关数据的分析表格,留存备查。

4 结语

本文基于我国农作物土壤智能监控系统的应用现状,研究农作物生长过程微量元素含量测定的关键技术,融合物联网的传感器、智能操控和无线通信技术,以大数据分析技术来实现土壤环境的智能监控,搭建了一个综合性的、通用的农作物生长过程微量元素含量监测预警平台。该预警平台具有针对农作物生长过程微量元素含量的检测数据实时无线采集、展示、处置和监控等功能,反应灵敏、自动化程度高、易操作、可扩展、可集中式监控,能够满足目前农业生产对农作物生长过程微量元素含量监控的需要,具有良好的应用前景。