专利名称：基于归一化植被指数的玉米氮肥变量施肥控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种实时测量玉米冠层的光谱数据并诊断玉米需氮量，结合 施肥机械的行进速度控制施肥量的基于归一化植被指数的玉米氮肥变量施肥控制装置。
背景技术：
近年来，我国化肥的消耗量和农作物的产量都在逐年增加，但是投入和产出极不 相称。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不仅造成了经济上的巨大损失，而且引起了严 重的环境污染。如何有效地提高化肥利用率，减少养分损失和环境污染，改善施肥方法已经 成为一个刻不容缓的问题。变量施肥技术根据小尺度田块之间的地力和作物长势差异，施以不同的肥料，可 以减少用肥量、提高肥料利用率，减轻对环境的污染。变量施肥的控制目前有两种形式，一 种是处方信息控制施肥技术，另一种是实时控制施肥技术。处方信息控制施肥技术是根据决策分析后的电子地图提供的处方施肥信息，对田 块中肥料的撒施量进行定位调控，这些土壤信息和施肥指令都是事先测定、计算好的，至于 各小区作物长势的差异则基本上未曾考虑。因此，从严格意义上说，这种变量施肥技术只是 一种“测土配方施肥”技术。实时控制施肥技术是根据监测土壤传感器的信息，实时生成施肥控制决策并调整 肥料的投入数量，或根据实时监测的作物光谱信息分析调节施肥量。近几年国外科学家开 发出各种“多光谱影像传感器”，通过光谱传感器可以实时获取作物的NDVI (归一化植被指 数)。NDVI是广泛使用的一种植被指数，是植物生长状态及植被空间分布密度的最佳指示 因子，与植物氮营养状况有较高的相关性。目前这一指标被普遍地用来衡量作物的健康状 况和长势的好坏。因此，可以通过对叶片或群体的光谱分析有效地估计作物需氮量。目前 国外已有成型的基于实时采集NDVI进行变量施肥的成套设备。但价格普遍很高，而且其所 依据的气候和土壤条件等都与我国不甚相同，不适宜在我国推广。
发明内容本实用新型的目的是要提供一种通过实时测量玉米冠层的光谱数据并诊断玉米 需氮量，结合施肥机械的行进速度控制施肥量的基于归一化植被指数的玉米氮肥变量施肥 控制装置。本实用新型的目的是这样实现的，该装置包括以单片机为核心的变量施肥控制装 置主控制器、玉米高光谱数据采集传感器、施肥机械行进速度传感器、步进电机、发电机，所 述的玉米高光谱数据采集传感器、施肥机械行进速度传感器、步进电机、发电机与主控制器 电连接，并由主控制器控制其工作。所述的玉米高光谱数据采集传感器是采集植物归一化植被指数NDVI值的一种高 光谱传感器；所述的施肥机械行进速度传感器是采用霍尔传感器。所述的玉米高光谱数据采集传感器通过RS232 口与主控制器连接。[0010]本实用新型探索了根据NDVI值进行变量施肥的技术。系统采用美国NTeach公司 生产的GreenSeeker传感器实时获得NDVI值，分析玉米生长过程中的长势差异，并通过判 断玉米的潜在产量，根据玉米需氮的具体情况给出施肥决策，进行变量施肥。系统主要包括 信息采集、数据处理和实施机构几个部分。信息采集部分由GreenSeeker高光谱传感器、霍 尔传感器和GPS模块组成。数据处理部分采用STC89C516RD+单片机对数据进行实时运算 处理。实施机构由步进电机和机械施肥机两部分组成。系统通过GreenSeeker传感器实时 获取现场玉米冠层的NDVI值，并依据经过试验取得的最优氮肥用量模型(NFOA)，和通过霍 尔元件计算得出的变量施肥机的行进速度，实时计算追肥用量，生成施肥控制策略。最终通 过调整步进电机的转速来控制施肥量的大小实现变量施肥，并同时把施肥时间、GPS坐标、 NDVI值、施肥量等信息存储下来。
图1为变量施肥控制装置整体结构框图图2为控制装置电路图图3为控制装置工作原理图图4霍尔传感器控制电路图图5高光谱数据采集传感器控制电路图图6步进电机控制电路图。
具体实施方式
由附图1所示它包括以单片机为核心的变量施肥控制装置主控制器、玉米高光 谱数据采集传感器、施肥机械行进速度传感器、步进电机、发电机，所述的玉米高光谱数据 采集传感器、施肥机械行进速度传感器、步进电机、发电机与主控制器电连接，并由主控制 器控制其工作。由图2、4、5所示所述的玉米高光谱数据采集传感器是采集植物归一化植被指数 (NDVI)值的一种高光谱传感器；所述的施肥机械行进速度传感器是采用霍尔传感器。附图2所示所述的玉米高光谱数据采集传感器通过RS232 口与主控制器连接。附图2中霍尔传感器控制电路图1、步进电机控制电路图2、高光谱数据采集传感 器控制电路图3。附图4中接霍尔传感器端4、5 ；附图5中接高光谱数据采集传感器端6 ；附图6 中接步进电机端7。工作原理如下1、信息采集信息采集是变量施肥控制装置中负责采集外部信息的环节，包括GreenSeeker光 谱传感器的数据采集、霍尔传感器(用来检测施肥机的梨的状态以及计算施肥机械的行进 速度)的脉冲速度采集。2、数据处理数据处理是对采集的数据进行计算生成施肥决策的运算环节，包括计算所需施肥 量和步进电机的转速两个部分。施肥量的计算我们采用经过参数优化的NFOA算法。NFOA (NFertilizerOptimization Algorithm)算法是美国俄克兰荷马州立大学的Raun等在2002 年建立的完全基于NDVI值的氮肥施用优化算法，该算法的前提是在长势差(NDVI值低)的 地方多用肥，长势好(NDVI值高)的地方用标准肥量。氮肥优化算法模型中包括6个子模 型①预测潜在产量YPtl (无N肥产量)子模型YPQ = Al+CleB1(INSEY)。其中INSEY = NDVI(常細ν区)/d(d指从种到追肥的天数)②N肥响应指数(RIndvi)子模型阳顯③预测目标产量(YPn)子模型YPN = YP0 X RIndvi④计算玉米平均含(PNG)子模型PNG = A2+B2XYPN由PNG计算玉米N的吸收总量(GNUP)，GNUP = PNGXYPn⑤由NDVI计算玉米追肥前N的吸收量(FNUP)子模型FNUP = A3+C3eB3*NDVI⑥计算当季氮肥追施量子模型FNR = (GNUP-FNUP) /0. 73、实施机构实施机构包括实施变量施肥的机械(中耕追肥机)和步进电机两个部分。本部 分以吉林农业大学田耘、曲桂宝等研制的2BFQ-6型气吸式精密播种变量施肥机(国家863 项目2003AA209090)为基础。该机采用六槽铸铝外槽轮式排肥器排肥，变量施肥精度小于 5%，传动轴变量施肥范围0-675kg/hm2，工作幅宽3-5米。该施肥机采用液压马达作为控制 施肥传动轴的控制部分，根据本项目特点，我们采用步进电机替代液压马达来带动传动轴 转动，控制施肥量。步进电机和施肥传动轴之间采用12 21的轴承和链条进行连接。使 用汽油发电机对控制系统进行供电。4、工作实施过程如图3所示控制装置工作时，首先检测施肥机械的犁是否放下以及GPS模块是否 有信号，如果有信号则证明可以进行施肥工作。系统通过RS232 口读取GreenSeeker光谱 传感器采集的玉米冠层的NDVI值，然后结合NFOA算法计算单位面积的所需施肥量，通过霍 尔传感器的脉冲频率计算出采样时间内施肥机械通过的距离，这样就求出了采样时间内所 需的施肥量。然后通过控制步进电机的转速实现精准变量施肥，并同时存储当前的施肥信 肩、ο
权利要求一种基于归一化植被指数的玉米氮肥变量施肥控制装置，其特征在于它包括以单片机为核心的变量施肥控制装置主控制器、玉米高光谱数据采集传感器、施肥机械行进速度传感器、步进电机、发电机，所述的玉米高光谱数据采集传感器、施肥机械行进速度传感器、步进电机、发电机与主控制器电连接，并由主控制器控制其工作。
2.根据权利要求书1所述的一种基于归一化植被指数的玉米氮肥变量施肥控制装置， 其特征在于所述的玉米高光谱数据采集传感器是采集植物归一化植被指数NDVI值的一 种高光谱传感器；所述的施肥机械行进速度传感器是采用霍尔传感器。
3.根据权利要求书1所述的一种基于归一化植被指数的玉米氮肥变量施肥控制装置， 其特征在于所述的玉米高光谱数据采集传感器通过RS232 口与主控制器连接。
专利摘要本实用新型涉及的是一种实时测量玉米冠层的光谱数据并诊断玉米需氮量，结合施肥机械的行进速度控制施肥量的基于归一化植被指数的玉米氮肥变量施肥控制装置。该装置包括以单片机为核心的变量施肥控制装置主控制器、玉米高光谱数据采集传感器、施肥机械行进速度传感器、步进电机、发电机，所述的玉米高光谱数据采集传感器、施肥机械行进速度传感器、步进电机、发电机与主控制器电连接，并由主控制器控制其工作。
文档编号G05B19/042GK201638046SQ20102016573
公开日2010年11月17日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者李志洪, 站杨 申请人:吉林农业大学