專利名稱：基于歸一化植被指數(shù)的玉米氮肥變量施肥控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種實時測量玉米冠層的光譜數(shù)據并診斷玉米需氮量，結合 施肥機械的行進速度控制施肥量的基于歸一化植被指數(shù)的玉米氮肥變量施肥控制裝置。
背景技術：
近年來，我國化肥的消耗量和農作物的產量都在逐年增加，但是投入和產出極不 相稱。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不僅造成了經濟上的巨大損失，而且引起了嚴 重的環(huán)境污染。如何有效地提高化肥利用率，減少養(yǎng)分損失和環(huán)境污染，改善施肥方法已經 成為一個刻不容緩的問題。變量施肥技術根據小尺度田塊之間的地力和作物長勢差異，施以不同的肥料，可 以減少用肥量、提高肥料利用率，減輕對環(huán)境的污染。變量施肥的控制目前有兩種形式，一 種是處方信息控制施肥技術，另一種是實時控制施肥技術。處方信息控制施肥技術是根據決策分析后的電子地圖提供的處方施肥信息，對田 塊中肥料的撒施量進行定位調控，這些土壤信息和施肥指令都是事先測定、計算好的，至于 各小區(qū)作物長勢的差異則基本上未曾考慮。因此，從嚴格意義上說，這種變量施肥技術只是 一種“測土配方施肥”技術。實時控制施肥技術是根據監(jiān)測土壤傳感器的信息，實時生成施肥控制決策并調整 肥料的投入數(shù)量，或根據實時監(jiān)測的作物光譜信息分析調節(jié)施肥量。近幾年國外科學家開 發(fā)出各種“多光譜影像傳感器”，通過光譜傳感器可以實時獲取作物的NDVI (歸一化植被指 數(shù))。NDVI是廣泛使用的一種植被指數(shù)，是植物生長狀態(tài)及植被空間分布密度的最佳指示 因子，與植物氮營養(yǎng)狀況有較高的相關性。目前這一指標被普遍地用來衡量作物的健康狀 況和長勢的好壞。因此，可以通過對葉片或群體的光譜分析有效地估計作物需氮量。目前 國外已有成型的基于實時采集NDVI進行變量施肥的成套設備。但價格普遍很高，而且其所 依據的氣候和土壤條件等都與我國不甚相同，不適宜在我國推廣。
發(fā)明內容本實用新型的目的是要提供一種通過實時測量玉米冠層的光譜數(shù)據并診斷玉米 需氮量，結合施肥機械的行進速度控制施肥量的基于歸一化植被指數(shù)的玉米氮肥變量施肥 控制裝置。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，該裝置包括以單片機為核心的變量施肥控制裝 置主控制器、玉米高光譜數(shù)據采集傳感器、施肥機械行進速度傳感器、步進電機、發(fā)電機，所 述的玉米高光譜數(shù)據采集傳感器、施肥機械行進速度傳感器、步進電機、發(fā)電機與主控制器 電連接，并由主控制器控制其工作。所述的玉米高光譜數(shù)據采集傳感器是采集植物歸一化植被指數(shù)NDVI值的一種高 光譜傳感器；所述的施肥機械行進速度傳感器是采用霍爾傳感器。所述的玉米高光譜數(shù)據采集傳感器通過RS232 口與主控制器連接。[0010]本實用新型探索了根據NDVI值進行變量施肥的技術。系統(tǒng)采用美國NTeach公司 生產的GreenSeeker傳感器實時獲得NDVI值，分析玉米生長過程中的長勢差異，并通過判 斷玉米的潛在產量，根據玉米需氮的具體情況給出施肥決策，進行變量施肥。系統(tǒng)主要包括 信息采集、數(shù)據處理和實施機構幾個部分。信息采集部分由GreenSeeker高光譜傳感器、霍 爾傳感器和GPS模塊組成。數(shù)據處理部分采用STC89C516RD+單片機對數(shù)據進行實時運算 處理。實施機構由步進電機和機械施肥機兩部分組成。系統(tǒng)通過GreenSeeker傳感器實時 獲取現(xiàn)場玉米冠層的NDVI值，并依據經過試驗取得的最優(yōu)氮肥用量模型(NFOA)，和通過霍 爾元件計算得出的變量施肥機的行進速度，實時計算追肥用量，生成施肥控制策略。最終通 過調整步進電機的轉速來控制施肥量的大小實現(xiàn)變量施肥，并同時把施肥時間、GPS坐標、 NDVI值、施肥量等信息存儲下來。

圖1為變量施肥控制裝置整體結構框圖圖2為控制裝置電路圖圖3為控制裝置工作原理圖圖4霍爾傳感器控制電路圖圖5高光譜數(shù)據采集傳感器控制電路圖圖6步進電機控制電路圖。
具體實施方式
由附圖1所示它包括以單片機為核心的變量施肥控制裝置主控制器、玉米高光 譜數(shù)據采集傳感器、施肥機械行進速度傳感器、步進電機、發(fā)電機，所述的玉米高光譜數(shù)據 采集傳感器、施肥機械行進速度傳感器、步進電機、發(fā)電機與主控制器電連接，并由主控制 器控制其工作。由圖2、4、5所示所述的玉米高光譜數(shù)據采集傳感器是采集植物歸一化植被指數(shù) (NDVI)值的一種高光譜傳感器；所述的施肥機械行進速度傳感器是采用霍爾傳感器。附圖2所示所述的玉米高光譜數(shù)據采集傳感器通過RS232 口與主控制器連接。附圖2中霍爾傳感器控制電路圖1、步進電機控制電路圖2、高光譜數(shù)據采集傳感 器控制電路圖3。附圖4中接霍爾傳感器端4、5 ；附圖5中接高光譜數(shù)據采集傳感器端6 ；附圖6 中接步進電機端7。工作原理如下1、信息采集信息采集是變量施肥控制裝置中負責采集外部信息的環(huán)節(jié)，包括GreenSeeker光 譜傳感器的數(shù)據采集、霍爾傳感器(用來檢測施肥機的梨的狀態(tài)以及計算施肥機械的行進 速度)的脈沖速度采集。2、數(shù)據處理數(shù)據處理是對采集的數(shù)據進行計算生成施肥決策的運算環(huán)節(jié)，包括計算所需施肥 量和步進電機的轉速兩個部分。施肥量的計算我們采用經過參數(shù)優(yōu)化的NFOA算法。NFOA (NFertilizerOptimization Algorithm)算法是美國俄克蘭荷馬州立大學的Raun等在2002 年建立的完全基于NDVI值的氮肥施用優(yōu)化算法，該算法的前提是在長勢差(NDVI值低)的 地方多用肥，長勢好(NDVI值高)的地方用標準肥量。氮肥優(yōu)化算法模型中包括6個子模 型①預測潛在產量YPtl (無N肥產量)子模型YPQ = Al+CleB1(INSEY)。其中INSEY = NDVI(常細ν區(qū))/d(d指從種到追肥的天數(shù))②N肥響應指數(shù)(RIndvi)子模型陽顯③預測目標產量(YPn)子模型YPN = YP0 X RIndvi④計算玉米平均含(PNG)子模型PNG = A2+B2XYPN由PNG計算玉米N的吸收總量(GNUP)，GNUP = PNGXYPn⑤由NDVI計算玉米追肥前N的吸收量(FNUP)子模型FNUP = A3+C3eB3*NDVI⑥計算當季氮肥追施量子模型FNR = (GNUP-FNUP) /0. 73、實施機構實施機構包括實施變量施肥的機械(中耕追肥機)和步進電機兩個部分。本部 分以吉林農業(yè)大學田耘、曲桂寶等研制的2BFQ-6型氣吸式精密播種變量施肥機(國家863 項目2003AA209090)為基礎。該機采用六槽鑄鋁外槽輪式排肥器排肥，變量施肥精度小于 5%，傳動軸變量施肥范圍0-675kg/hm2，工作幅寬3-5米。該施肥機采用液壓馬達作為控制 施肥傳動軸的控制部分，根據本項目特點，我們采用步進電機替代液壓馬達來帶動傳動軸 轉動，控制施肥量。步進電機和施肥傳動軸之間采用12 21的軸承和鏈條進行連接。使 用汽油發(fā)電機對控制系統(tǒng)進行供電。4、工作實施過程如圖3所示控制裝置工作時，首先檢測施肥機械的犁是否放下以及GPS模塊是否 有信號，如果有信號則證明可以進行施肥工作。系統(tǒng)通過RS232 口讀取GreenSeeker光譜 傳感器采集的玉米冠層的NDVI值，然后結合NFOA算法計算單位面積的所需施肥量，通過霍 爾傳感器的脈沖頻率計算出采樣時間內施肥機械通過的距離，這樣就求出了采樣時間內所 需的施肥量。然后通過控制步進電機的轉速實現(xiàn)精準變量施肥，并同時存儲當前的施肥信 肩、ο
權利要求一種基于歸一化植被指數(shù)的玉米氮肥變量施肥控制裝置，其特征在于它包括以單片機為核心的變量施肥控制裝置主控制器、玉米高光譜數(shù)據采集傳感器、施肥機械行進速度傳感器、步進電機、發(fā)電機，所述的玉米高光譜數(shù)據采集傳感器、施肥機械行進速度傳感器、步進電機、發(fā)電機與主控制器電連接，并由主控制器控制其工作。
2.根據權利要求書1所述的一種基于歸一化植被指數(shù)的玉米氮肥變量施肥控制裝置， 其特征在于所述的玉米高光譜數(shù)據采集傳感器是采集植物歸一化植被指數(shù)NDVI值的一 種高光譜傳感器；所述的施肥機械行進速度傳感器是采用霍爾傳感器。
3.根據權利要求書1所述的一種基于歸一化植被指數(shù)的玉米氮肥變量施肥控制裝置， 其特征在于所述的玉米高光譜數(shù)據采集傳感器通過RS232 口與主控制器連接。
專利摘要本實用新型涉及的是一種實時測量玉米冠層的光譜數(shù)據并診斷玉米需氮量，結合施肥機械的行進速度控制施肥量的基于歸一化植被指數(shù)的玉米氮肥變量施肥控制裝置。該裝置包括以單片機為核心的變量施肥控制裝置主控制器、玉米高光譜數(shù)據采集傳感器、施肥機械行進速度傳感器、步進電機、發(fā)電機，所述的玉米高光譜數(shù)據采集傳感器、施肥機械行進速度傳感器、步進電機、發(fā)電機與主控制器電連接，并由主控制器控制其工作。
文檔編號G05B19/042GK201638046SQ20102016573
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月15日 優(yōu)先權日2010年4月15日
發(fā)明者李志洪, 站楊 申請人:吉林農業(yè)大學