基于物联网与气体识别技术的土壤氮肥掌上监管系统的制作方法

本发明主要涉及物联网农业、精准农业技术领域，具体是一种基于物联网与气体识别技术的土壤氮肥掌上监管系统。

背景技术：

中国在20世纪90年代后期开始了对精准农业的关注和适当引入。近年来，中国在精准农业的示范研究方面发展速度较快、在引进、消化、吸收国外研究成果的基础上，研究和探讨适合中国国情的精准农业技术体系，精准农业的思想已经为科技界和社会广为接受，并在实践上有一些应用。

在精准施肥领域，施肥推荐方法常常需借助的仪器是叶绿素仪和光谱分析仪，这两种仪器都是根据作物缺肥会引起叶片颜色厚度以及形态发生的变化，来进行判断土壤中肥料的多少和如何相应的施肥。这两种方法都有的问题是得先有植物由于缺肥产生的现象，然后再进行相关的追肥工作，而不能在没有现象前就给出相关的建议。

现阶段，农业物联网使用的传感器常见的只有温湿度传感器，可以显示温度和湿度数据，只设定测点测试地址的对应关系及测量点的修正值，然而，该法测量数据单一，且局限应用于灌溉系统，对于施肥系统则束手无策。目前市面上分析土壤中肥料的方法大致分为化学分析法、叶绿素分析法两种，化学分析方法是将土壤取样后制成培养液，通过大型化学成分分析仪器进行分析，数据准确，然而却需要找专业的测试人员和测试仪器，需要花费大约1天甚至更长的时间，因此实时性很差，每次测试时只能选定很少的土壤进行分析，因此很难推测出实际土壤中化肥的含量，加上其较高的测试费用，农民很少使用；叶绿素分析法是取液中各色素的含量，根据叶片状态(如叶绿素含量)进行测定确定是否需要施肥，实时性相对于化学分析方法有所提高，但是每次只能检测不足1平方厘米的面积，所以其分析样品量极少，不具有代表性，不合适于室外的农田中使用，而且价格昂贵。

技术实现要素：

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种基于物联网与气体识别技术的土壤氮肥掌上监管系统，本系统采用多组分气体分析方法，利用嗅觉/味觉传感器及信号处理系统，实时分析推算出土壤氮肥的成分含量，并将数据传递给手机端，具有很强的时效性，同时具有价格低廉、操作简单、效果直观的优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于物联网与气体识别技术的土壤氮肥掌上监管系统，包括：土壤分析仪和服务器，其中，土壤分析仪包括

电源模块：用于为土壤分析仪供电；

传感器：采用气体传感器阵列采集土壤表层气体信号；

中央处理单元：用于接收传感器信号并判断出气体浓度及气体种类，根据气体浓度推算出化肥含量、根据气体种类推算出化肥种类；

数据发送模块：用于接收中央处理单元分析处理后的信号并发送；

服务器：包括数据接收模块，用于接收数据发送模块发出的信号并进行存储和分析，得出合适的施肥量和施肥配比方案并将方案发送至用户客户端。

土壤分析仪还包括图像采集模块，用于记录作物生长，帮助采集作物信息，其采集数据通过数据发送模块和数据接收模块送入服务器存储、处理。

传感器还包括温湿度传感器，用于采集土壤温湿度、ph值，通过服务器处理后得出合适的灌溉方案发送至用户客户端。

系统还包括天气预测模块，天气预测模块数据通过服务器处理，结合天气情况得出施肥时间方案发送至用户客户端。

电源模块采用太阳能和蓄电池供电方案，由中央处理单元根据阳光情况选择并切换电源。

所述数据发送模块和数据接收模块之间通过wifi或gprs进行数据传输。

土壤分析仪还包括gps定位模块，用于定位跟踪和防盗。

本发明的有益效果：

1、本发明首次使用气味可视化技术，将农田土壤中以氮肥为主的成分含量变化在用户客户端以图像方式直观呈现，具有很强的时效性，同时分析处理后可给出合适的施肥量和配比，及时提醒用户进行合理施肥。

2、本发明同时还具有灌溉系统提示，通过对土壤温湿度的实时监测，及时提醒用户进行合理灌溉。

3、本发明结合天气预测机制，随着天气预报的准确性不断提高，能够有效避免在施肥后下雨的情况发生，不仅能给出施肥比例和量的建议，更能够结合天气情况，给出具体在哪一天适合施肥的建议，同时从根源上对环境保护有重要意义。

4、本发明能够对历史数据进行保存分析，满足大数据时代对数据的需求。

附图说明

附图1为本发明系统原理图；

附图2为本发明系统流程图；

附图3为本发明硬件结构图；

附图4为本发明系统软件框图；

附图5为本发明数据库与人机交互界面实现流程图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

水稻、玉米、小麦等禾谷类作物宜选用氨态氮肥，其中氯铵、尿素、碳铵等氨态氮肥使用较多，并且这些氨态氮肥具有较强的挥发性和不稳定性。因此这些肥料在土壤中会部分分解或挥发出氨气，通过检测氨气的多少来间接判断土壤中肥料含量随时间的变化规律。在土壤中，有机肥也会挥发出来相应的气体，通过对这些气体的检测，又可以分析出土壤中无机肥和有机肥的比例关系。

如附图1、2所示，本发明即是通过相应的气体传感器阵列，采用土壤表层气体信息并进行分析处理，得出土壤内肥料等的相关信息，在用户手机进行显示，同时能够给出合理的施肥方案，为实现高效、精准农业提供了保证。

如附图3所示，本发明的系统硬件采用基于于嵌入式cpu的中央处理单元以土壤中肥料产生的气体为监测背景，可以实现对土壤中无机肥和有机肥产生的气体进行实时采集分析和处理，进而给出肥料的含量变化以及肥料含量比例等功能。除此之外，该系统还可以对土壤中的基础数据温湿度进行采集传输和显示，并具有防盗功能。其硬件结构中：

1.1电源模块：采用太阳能供电方案，结合蓄电池，以更便捷地将该检测系统应用于农田中。根据阳光情况选择并切换功率源，在阳光充足时由太阳能电池供电，在阳光不足时由蓄电池供电，实现了智能供电选择。

1.2气体传感器阵列：通过肥料产生的气体种类和浓度变化来判断肥料的种类和含量是本项目的关键步骤。采用对化肥挥发出来的气体敏感的传感器，结合搭建的信号采集电路、调理电路、信号放大电路，对采集来的电信号进行分析，进而得处土壤中剩余化肥的含量。

1.3数据传输模块：本土壤肥料检测仪不仅可以用于温室大棚内，也可以在室外田间工作，在温室大棚内可通过wi-fi将采集的信号发送到互联网，再通过服务器接收，将采集的数据进行分析处理。

如果在室外无wi-fi覆盖，就需要用gprs进行数据传输。gprs网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持tcp/ip协议，无需经过pstn(公用电话交换网)等网络的转接，可直接与internet网互通。

1.4控制模块：采用stm32f407单片机，该款芯片采用arm32位cortex-m3的处理器，最高工作频率可达72mhz，1.25dmips/mhz，因此其处理速度快。存储器方面，片上集成512kb的flash存储器，64kb的sram存储器，其自带的存储器使其即使不外接存储芯片也可以存储很多的数据；该芯片具有3种低功耗模式：休眠、停止、待机模式，因此非常适合应用于在野外采用太阳能供电的系统当中。

此外，stm32f407接口丰富，外设众多，可嵌入实时操作系统，是作为科研和产品的一个非常完美的芯片。

1.5其他模块：该系统除了上述模块以外，还具有外围显示模块，可以显示系统的电量、系统采集时间、系统工作频率等参数；由于该系统放在田间工作，因此它需要具有防盗功能，我故，本发明设计了gps定位跟踪系统，当系统被移动以后，会自动实时发送位置信息，为找回被盗系统、减少被盗情况提供了有力帮助。

发明可使用keilmdk集成开发环境和c语言、汇编语言进行工程开发。编写好hex文件后，最后通过jtag将生成的二进制可执行性文件烧写进单片机。

本系统包括了预热自检、显示浓度、时间调节、gprs/wifi数据传输、gps定位等功能。系统软件框图如附图4所示：

预热自检：金属氧化物传感器在长时间的放置后需要进行一段时间的预热才能产生正确的信号:检测各个传感器的信号电压和加热电压是否正常，通过测量其电压值来判断。

显示浓度：测得的数据可以显示在土壤肥料检测仪器上，也可以通过手机app显示。

利用互联网实时查看被检测地点的土壤氮肥含量信息以及施肥建议。

时间调节：可显示当前时间，也可调整。

gprs/wi-fi数据传输：将土壤肥料含量信息通过gprs系统或者wi-fi模块传入互联网中，以作为大数据的数据基础和后期分析处理使用。

gps定位功能：加入gps模块可实时查看系统所处位置，当系统被移动时，会产生报警信息，以防检测系统被盗，即使被盗，也可根据gps定位到系统位置。

如附图5所示，为实现跨区域、跨时间地获取土壤中肥料情况的信息，同时能够让更多的人共享，也为了使数据存储起来，便于更好地分析土壤肥料变化、作物生长情况，本发明设计了相应的人机界面和数据库系统，可以将农田中测量仪器采集的数据和作物的收成情况记录下来，以便于进一步分析处理。