CN107421582B - 农作物田间环境监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农作物田间环境监测系统及其方法，监测系统包括点式布设装置和带式布设装置；点式布设装置包括基座，基座底部的卡爪上设置有土壤环境采集仪；基座上表面安装有第一电动推杆，第一电动推杆上设置有抱箍，抱箍上的伸缩架的自由端通过支撑架安装有地表环境采集仪；带式布设装置包括第二电动推杆和第三电动推杆，第二电动推杆底部的安装架上设置有土壤环境采集仪，第二电动推杆顶端设置有第一伸缩杆，第一伸缩杆两端设置有第二伸缩杆；第三电动推杆顶部的支撑杆上设置有地表环境采集仪；第三电动推杆由动力装置带动；动力装置、土壤环境采集仪、地表环境采集仪、第一电动推杆、第二电动推杆和第三电动推杆均与控制器连接。

Description

农作物田间环境监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及农作物监测邻域，具体涉及一种农作物田间环境监测系统及套种大豆和玉米监测方法。

背景技术

“人口-粮食-耕地”的矛盾是一个世界性的挑战。对中国而言，该矛盾更加突出，形势更加严峻。其原因在于中国人口基数大，粮食刚性需求旺盛，而中国耕地资源有限或不足，人均耕地面积远远落后于其他国家。如何在耕地资源有限或者不足的情况下，解决广大人民的粮食问题。生态地可持续地通过精确的作物生产环境监测来指导农业生产的方式是一条极为有效的途径。

作物精准管理、环境监测是提高农作物产量的重要内容之一，对于发展优质、高产、高效、生态、安全的农业生产尤为重要。作物精确管理的实施过程包括作物生长信息的获取、信息的管理与决策和田间变量作业。其中，作物生长信息的获取是作物生产精确管理的依据。然而，目前精确农业实施的最大障碍，仍然是在农田信息高密度、高速度、高准确度、低成本获取技术的研究上。因此如何实时获取作物生长信息就成为作物精确管理实施过程中首先需要解决的一个关键问题。

农业田间环境是作物精确管理的依据，而农作物的田间环境在作物的生育时期内处于一个动态变化的过程，深受气候、土壤、经纬度和海拔等因子的影响，环境监测系统能够减少各生态因子的负面效应，有研究表明精确的田间管理对产量的贡献率能达到19.8%，而田间环境定点定带精确测量方式使田间不同空间位置不同生育时期的环境监测成为可能，同时能够及时辅助决策田间管理方式，是实现农业现代化和可持续发展的必然选择。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的农作物田间环境监测系统及套种大豆和玉米监测方法能够根据农作物不同生长时期的具体高度进行作物田间环境参数的精确采集。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种农作物田间环境监测系统，其包括点式布设装置和带式布设装置；点式布设装置包括基座，基座的底部设置有若干延伸至地下的卡爪，卡爪上设置有土壤环境采集仪；基座上表面安装有与第一蓄电池组连接的第一电动推杆，第一电动推杆上等间距地设置有若干抱箍，抱箍上固定有伸缩架，伸缩架的自由端通过支撑架安装有地表环境采集仪；

带式布设装置包括第二电动推杆和第三电动推杆，第二电动推杆底部具有延伸至地下的安装架，安装架上设置有土壤环境采集仪，第二电动推杆顶端设置有第一伸缩杆，第一伸缩杆的两端设置有第二伸缩杆，两根第二伸缩杆的另一端通过一根第一伸缩杆固定连接；第三电动推杆的顶部安装的支撑杆上设置有若干地表环境采集仪；

第一伸缩杆和第二伸缩杆交汇处安装有带动第三电动推杆在第一伸缩杆和第二伸缩杆形成的平面内任意移动的动力装置；第二电动推杆、第三电动推杆和动力装置均与第二蓄电池组连接；动力装置、土壤环境采集仪、地表环境采集仪、第一电动推杆、第二电动推杆和第三电动推杆均与控制器连接。

进一步地，优选动力装置包括安装于第一伸缩杆和第二伸缩杆交汇处的第一电机，第一电机的动力输出轴上连接有第一丝杆，第一丝杆上设置有第一丝杆螺母；第一丝杆螺母上安装有第二电机，第二电机的动力输出轴上连接有第二丝杆，第二丝杆上设置有第二丝杆螺母，第三电动推杆固定于第二丝杆螺母上。

进一步地，优选土壤环境采集仪包括土壤离子交换仪、pH探头、温度传感器和湿度传感器， 地表环境采集仪包括光谱探头、PAR探头、雨量收集仪和风速探头。

进一步地，优选农作物田间环境监测系统还包括与第一蓄电池组和第二蓄电池组电连接的太阳能电池板和移动电源。

进一步地，优选伸缩架包括与抱箍固定连接的第三伸缩杆及与第三伸缩杆和支撑架固定连接的第四伸缩杆，第四伸缩杆倾斜向上安装。

进一步地，优选第一电动推杆上设置有一观察基座水平位置的水平仪。

第二方面，提供一种采用农作物田间环境监测系统监测套种大豆和玉米田间环境的方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据农作物的行间距选择若干点式布设装置和带式布设装置；

根据农作物当前时期的高度调整点式布设装置的抱箍、伸缩架和第一电动推杆及带式布设装置的第二电动推杆和第三电动推杆，使位于不同平面的地表环境采集仪获取的雨量、光照和风速与农作物相对应高度获取的量相匹配；

接收地表环境采集仪和土壤环境采集仪采集的环境参数，并与数据库中的环境参数进行对比：

若地表环境采集仪采集的光照低于当前时间段内的平均日照，表明植物进入下一个生长期挡住了地表环境采集仪，则根据植物下个生长期对应的高度，通过第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第一电机和第二电机调整地表环境采集仪的高度；

当土壤环境采集仪采集的土壤湿度低于设定值时，且地表环境采集仪采集的降雨量低于当前时间段内的平均降雨量，则输出给农作物浇水的建议信息；

当土壤环境采集仪采集的土壤中的离子成分和pH值显示土壤中的养分低于植物生长的设定值时，则输出给农作物补给养料的建议。

实施时，本方案优选农作物为套种的玉米和大豆；玉米和大豆的套种方式包括玉米和大豆采用等行距播种及玉米采用宽窄行播种，大豆播种于玉米的宽行之间的方式；

当玉米和大豆采用等行距播种时，在相邻的玉米行与大豆行之间布设若干点式布设装置；当玉米采用宽窄行播种，大豆播种于玉米的宽行之间时，在玉米窄行设置若干点式布设装置，在玉米行与大豆行之间设置带式布设装置。

实施时，本方案优选当玉米与大豆之间采用等行距播种时，玉米行距100 cm，玉米大豆行距50 cm；当玉米采用宽窄行播种时，玉米窄行行距40 cm，宽行行距160 cm，玉米大豆行距60 cm，大豆行距40 cm。

本发明的有益效果为：本监测系统能够根据地表环境采集仪和土壤环境采集仪采集的光合有效辐射、光谱、土壤离子和pH、温湿度、风速和降水情况等数据进行收集和分析，明确作物的生长环境动态，指示作物生长的环境，并根据作物的生长环境变化指导农业生产。

农作物处于不同生长时期时，控制器能够根据采集的光照强度调整第一电动推杆、第二电动推杆和第三电动推杆至适宜作物当前生长期的最佳环境采集参数采集位置；根据降水量和土壤中的离子成分和pH值输出给农作物补充水分和养料的建议。

本方案的农作物田间环境监测系统能够根据作物不同时期的高度进行自适应调整，使地表环境采集仪处于最佳的采集位置，通过采集的数据与控制器内的数据进行对比，能够准确地给农作物进行水分和养料供给以提高农作物的产量。

附图说明

图1为农作物田间环境监测系统的点式布设装置的结构示意图。

图2为农作物田间环境监测系统的带式布设装置的结构示意图。

图3为带式布设装置的动力装置的结构示意图。

图4为农作物的三种不同种植方式示意图。

其中，1、点式布设装置；101、地表环境采集仪；102、第四伸缩杆；103、风速探头；104、第三伸缩杆；105、抱箍；106、太阳能电池板；107、第一蓄电池组；108、控制器；109、第一电动推杆；110、水平仪；111、基座；112、卡爪；113、土壤离子交换仪；114、湿度传感器；

2、带式布设装置；201、第二伸缩杆；202、支撑杆；203、第三电动推杆；204、第二蓄电池组；205、第二电动推杆；206、动力装置；2061、第一电机；2062、第二电机；2063、第一丝杆螺母；2064、第一丝杆；2065、第二丝杆螺母；2066、第二丝杆。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1和图2，图1示出了农作物田间环境监测系统的点式布设装置的结构示意图。图2示出了农作物田间环境监测系统的带式布设装置的结构示意图。

如图1和图2所示，该农作物田间环境监测系统包括点式布设装置1和带式布设装置2；点式布设装置1包括基座111，基座111的底部设置有若干延伸至地下的卡爪112，卡爪112上设置有土壤环境采集仪；为了确保基座111是否处于水平面上，实施时在第一电动推杆109上设置有一观察基座111水平位置的水平仪110。

实施时，优选在基座111上设置有三个卡爪112，每个卡爪112的长度为40 cm，其采用螺栓或螺钉固定在基座111上，通过设置的卡爪112能够使基座111平稳地安装在作物行间。卡爪112长度的设置，可以确保安装在其上的土壤环境采集仪实现深层土壤中环境参数的采集。

基座111上表面安装有与第一蓄电池组107连接的第一电动推杆109，第一电动推杆109上等间距地设置有若干抱箍105，抱箍105上固定有伸缩架，伸缩架的自由端通过支撑架安装有地表环境采集仪101。

在本发明的一个实施例中，伸缩架包括与抱箍105固定连接的第三伸缩杆104及与第三伸缩杆104和支撑架通过螺钉固定连接的第四伸缩杆102，第四伸缩杆102倾斜向上安装。

伸缩架采用上述结构后，可以根据作物行间距调整第三伸缩杆104的长度，根据作物的高度和光照的最佳采集角度对第四伸缩杆102的长度和倾斜角度进行调整。设置的抱箍105可以根据作物种植行长度方向调整伸缩架位于第一电动推杆109圆周面的最佳位置以及结合第一电动推杆109的高度调节，可以保证地表环境采集仪101获取的雨量、光照和风速与农作物相对应高度获取的量相匹配。

带式布设装置2包括第二电动推杆205和第三电动推杆203，第二电动推杆205底部具有延伸至地下的安装架，安装架上设置有土壤环境采集仪，第二电动推杆205顶端设置有第一伸缩杆，第一伸缩杆的两端设置有第二伸缩杆201，两根第二伸缩杆201的另一端通过一根第一伸缩杆固定连接；第三电动推杆203的顶部安装的支撑杆202上设置有若干地表环境采集仪101。

带式布设装置2中的第一伸缩杆的最大长度为2 m，第三电动推杆203和第二电动推杆205两者伸缩到最大长度时，两者的和为3 m，使用过程中，可以使用控制器108控制第二电动推杆205和第三电动推杆203的伸缩量；安装架设计成与卡爪112相类似，其长度为40cm，通过螺钉固定在第二电动推杆205底部，以确保整个带式布设装置2平稳地安装在作物行间。

第一伸缩杆和第二伸缩杆201交汇处安装有带动第三电动推杆203在第一伸缩杆和第二伸缩杆201形成的平面内任意移动的动力装置206；第二电动推杆205、第三电动推杆203和动力装置206均与第二蓄电池组204连接；动力装置206、土壤环境采集仪、地表环境采集仪101、第一电动推杆109、第二电动推杆205和第三电动推杆203均与控制器108连接。

本方案的控制器108内存储有农作物不同生长期内点式布设装置1和带式布设装置2采集环境参数的最佳高度、每个月份/季度的平均日照、降雨量、农作物不同生长期所需的用水量和化肥用量及多种环境参数对应的农业生产指导意见（比如当前时期的光照低于平均日照时/当前时期的降雨量低于平均降雨量时/当前温度大于设定温度时/当前土壤中的离子、pH值表征土壤肥沃度低于设定值时，针对农作物应该采集的相应补救措施）。

在本发明的一个实施例中，动力装置206包括安装于第一伸缩杆和第二伸缩杆201交汇处的第一电机2061，第一电机2061的动力输出轴上连接有第一丝杆2064，第一丝杆2064上设置有第一丝杆螺母2063；第一丝杆螺母2063上安装有第二电机2062，第二电机2062的动力输出轴上连接有第二丝杆2066，第二丝杆2066上设置有第二丝杆螺母2065，第三电动推杆203固定于第二丝杆螺母2065上，动力装置206的具体结构可以参考图3。

第一电机2061能够通过其上设置的第一丝杆2064和第一丝杆螺母2063带动第三电动推杆203沿着第一伸缩杆长度方向移动，第二电机2062能够通过其上设置的第二丝杆2066和第二丝杆螺母2065带动第三电动推杆203沿着第二伸缩杆201长度方向移动；通过控制器108与第一电机2061和第二电机2062的相互配合，第三电动推杆203能够在第一伸缩杆和第二伸缩杆201构成的平面内任意移动，通过这种方式从而保证了带式布设装置2上地表环境采集仪101获取的雨量、光照和风速与农作物相对应高度获取的量相匹配，同时还可以避免农作物对其造成遮挡影响准确的环境参数采集。

实施时，本方案优选土壤环境采集仪包括土壤离子交换仪113、pH探头、温度传感器和湿度传感器114，地表环境采集仪101包括光谱探头、PAR探头、雨量收集仪和风速探头103。

为保证能够精确监测田间作物的生长环境，并且能够适时进行调节，土壤环境采集仪位置在整个测量空间中既相对固定，又能进行调整，以适应作物的生育期和作物器官的发育。竖直层面：地上部分，光谱、光合有效辐射、温湿度和风速等环境监测满足作物冠层、基部和中间位置；地下部分，土壤离子交换、水分、pH等环境监测满足作物根部、根际、根部与根际的中间位置。

农作物田间环境监测系统还包括与第一蓄电池组107和第二蓄电池组204电连接的太阳能电池板106和移动电源。

综上所述，本方案的农作物田间环境监测系统能满足地上下部作物不同部位气候环境和土壤环境的测量，若干点式布设装置1和带式布设装置2可以通过控制器108远程控制进行高度的调节，可以伸缩至农作物的不同位置，满足不同种植模式以及不同空间的作物。

本申请提供的另一个技术方案为提供一种农作物田间环境监测方法，其包括以下步骤：

根据农作物的行间距选择若干点式布设装置1和带式布设装置2；

根据农作物当前时期的高度调整点式布设装置1的抱箍105、伸缩架和第一电动推杆109及带式布设装置2的第二电动推杆205和第三电动推杆203，使位于不同平面的地表环境采集仪101获取的雨量、光照和风速与农作物相对应高度获取的量相匹配；

接收地表环境采集仪101和土壤环境采集仪采集的环境参数，并与数据库中的环境参数进行对比：

若地表环境采集仪101采集的光照低于当前时间段内的平均日照，表明植物进入下一个生长期挡住了地表环境采集仪101，则根据植物下个生长期对应的高度，通过第一电动推杆109、第二电动推杆205、第三电动推杆203、第一电机2061和第二电机2062调整地表环境采集仪101的高度；

当土壤环境采集仪采集的土壤湿度低于设定值时，且地表环境采集仪101采集的降雨量低于当前时间段内的平均降雨量，则输出给农作物浇水的建议信息；

当土壤环境采集仪采集的土壤中的离子成分和pH值显示土壤中的养分低于植物生长的设定值时，则输出给农作物补给养料的建议。

如图4所示，实施时，本方案优选农作物为套种的玉米和大豆；玉米和大豆的套种方式包括玉米和大豆采用等行距播种及玉米采用宽窄行播种（图4中C图，图4中A为净种玉米，B为净种大大豆，给出AB两个图示主要用于与C形成对比），大豆播种于玉米的宽行之间的方式。

当玉米和大豆采用等行距播种时，在相邻的玉米行与大豆行之间布设若干点式布设装置1；当玉米采用宽窄行播种，大豆播种于玉米的宽行之间时，在玉米窄行设置若干点式布设装置1，在玉米行与大豆行之间设置带式布设装置2。

当玉米与大豆之间采用等行距播种时，玉米行距100 cm，玉米大豆行距50 cm；当玉米采用宽窄行播种时，玉米窄行行距40 cm，宽行行距160 cm，玉米大豆行距60 cm，大豆行距40 cm。套种模式中玉米的密度为6000株.hm^-2，大豆的密度为10000株.hm^-2。

Claims (9)

1.一种农作物田间环境监测系统，其特征在于，包括点式布设装置和带式布设装置；所述点式布设装置包括基座，所述基座的底部设置有若干延伸至地下的卡爪，所述卡爪上设置有土壤环境采集仪；所述基座上表面安装有与第一蓄电池组连接的第一电动推杆，所述第一电动推杆上设置有若干抱箍，所述抱箍上固定有伸缩架，伸缩架的自由端通过支撑架安装有地表环境采集仪；

所述带式布设装置包括第二电动推杆和第三电动推杆，所述第二电动推杆底部具有延伸至地下的安装架，所述安装架上设置有土壤环境采集仪，所述第二电动推杆顶端设置有第一伸缩杆，第一伸缩杆的两端设置有第二伸缩杆，两根所述第二伸缩杆的另一端通过一根第一伸缩杆固定连接；所述第三电动推杆的顶部安装的支撑杆上设置有若干地表环境采集仪；

所述第一伸缩杆和第二伸缩杆交汇处安装有带动第三电动推杆在第一伸缩杆和第二伸缩杆形成的平面内任意移动的动力装置；所述第二电动推杆、第三电动推杆和动力装置均与第二蓄电池组连接；所述动力装置、土壤环境采集仪、地表环境采集仪、第一电动推杆、第二电动推杆和第三电动推杆均与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的农作物田间环境监测系统，其特征在于，所述动力装置包括安装于第一伸缩杆和第二伸缩杆交汇处的第一电机，所述第一电机的动力输出轴上连接有第一丝杆，所述第一丝杆上设置有第一丝杆螺母；所述第一丝杆螺母上安装有第二电机，所述第二电机的动力输出轴上连接有第二丝杆，所述第二丝杆上设置有第二丝杆螺母，所述第三电动推杆固定于第二丝杆螺母上。

3.根据权利要求1或2所述的农作物田间环境监测系统，其特征在于，所述土壤环境采集仪包括土壤离子交换仪、pH探头、温度传感器和湿度传感器，所述地表环境采集仪包括光谱探头、PAR探头、雨量收集仪和风速探头。

4.根据权利要求1所述的农作物田间环境监测系统，其特征在于，还包括与第一蓄电池组和第二蓄电池组电连接的太阳能电池板和移动电源。

5.根据权利要求1所述的农作物田间环境监测系统，其特征在于，所述伸缩架包括与所述抱箍固定连接的第三伸缩杆及与所述第三伸缩杆和支撑架固定连接的第四伸缩杆，所述第四伸缩杆倾斜向上安装。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的农作物田间环境监测系统，其特征在于，所述第一电动推杆上设置有一观察基座水平位置的水平仪。

7.一种采用权利要求1-6任一所述的农作物田间环境监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据农作物的行间距选择若干点式布设装置和带式布设装置；

根据农作物当前时期的高度调整点式布设装置的抱箍、伸缩架和第一电动推杆及带式布设装置的第二电动推杆和第三电动推杆，使位于不同平面的地表环境采集仪获取的雨量、光照和风速与农作物相对应高度获取的量相匹配；

接收地表环境采集仪和土壤环境采集仪采集的环境参数，并与数据库中的环境参数进行对比：

若地表环境采集仪采集的光照低于当前时间段内的平均日照，表明植物进入下一个生长期挡住了地表环境采集仪，则根据植物下个生长期对应的高度，通过第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第一电机和第二电机调整地表环境采集仪的高度；

当土壤环境采集仪采集的土壤湿度低于设定值时，且地表环境采集仪采集的降雨量低于当前时间段内的平均降雨量，则输出给农作物浇水的建议信息；

当土壤环境采集仪采集的土壤中的离子成分和pH值显示土壤中的养分低于植物生长的设定值时，则输出给农作物补给养料的建议。

8.根据权利要求7所述的农作物田间环境监测方法，其特征在于，所述农作物为净作和套种的玉米、大豆；玉米和大豆的套种方式包括玉米和大豆采用等行距播种及玉米大豆带状复合播种两种方式，后者采用宽窄行播种，大豆播种于玉米的宽行之间；

当玉米和大豆采用等行距播种时，在相邻的玉米行与大豆行之间布设若干点式布设装置；当玉米采用宽窄行播种，大豆播种于玉米的宽行之间时，在玉米窄行设置若干点式布设装置，在玉米行与大豆行之间设置带式布设装置。

9.根据权利要求8所述的农作物田间环境监测方法，其特征在于，当玉米与大豆之间采用等行距播种时，玉米行距100cm，玉米大豆行距50cm；当玉米采用宽窄行播种时，玉米窄行行距40cm，宽行行距160cm，玉米大豆行距60cm，大豆行距40cm。