[论文解读] Exploring Wireless Sensor Network Technology In Sustainable Okra Garden: A Comparative Analysis Of Okra Grown In Different Fertilizer Treatments

L. K. BURTON, Yemererach Mekonnen+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2018

Smart Agriculture and AI参考文献 5被引用 3

一句话总结

本研究在可持续秋葵种植园中评估了一套无线传感器网络（WSN）系统，用于监测不同施肥处理下的土壤和植物参数。通过太阳能电池板供电的土壤湿度、温度和太阳辐射传感器，该系统实现了实时灌溉控制和数据采集，结果显示，克伦威尔无刺秋葵在所有指标上均优于艾米瑞德秋葵，表现出更大的植株尺寸和更高的产量。

ABSTRACT

The goal of this project was to explore commercial agricultural and irrigation sensor kits and to discern if the commercial wireless sensor network is viable tool for providing accurate real-time farm data at the nexus of food, energy and water. The smart garden consists of two different varieties of Abelmoschus esculentus planted in raised beds, each grown under two different fertilizer treatments. Soil watermark sensors were programmed to evaluate soil moisture and dictate irrigation events up to four times a day, while soil temperature and photosynthetic solar radiation sensors also recorded data every six hours. Solar panels harvested energy to power water pump and sensors. The objectives of the experiments were to evaluate and compare plant and soil parameters of the two okra varietes grown under two different fertilizer treatments. The plant parameters evaluated and compared were basal diameter, plant height, fruit production, and fruit size. Soil parameters measured were soil moisture, soil temperature, and soil nitrate concentration. The commercial sensors were evaluated on efficiency, accuracy, ease of use and overall practicality. Clemson spineless produced larger okra plants with the highest plant parameter values, followed by Emerald okra.

研究动机与目标

• 评估商用无线传感器网络（WSNs）在食物-能源-水交汇点实现农业实时、可持续监测的可行性。
• 比较在受控、传感器监测环境中，两种秋葵品种——克伦威尔无刺秋葵和艾米瑞德秋葵——在不同施肥处理下的表现。
• 评估市售传感器在土壤湿度、温度和光合辐射方面在真实农场环境中的效率、准确性和实用性。
• 确定基于传感器的灌溉和养分管理对秋葵栽培中关键植株和土壤参数的影响。

提出的方法

• 在种植床中部署无线传感器网络（WSN），配备土壤湿度、温度和光合辐射传感器，用于两种秋葵品种。
• 编程土壤水分计传感器，根据实时土壤湿度阈值，每天最多触发四次灌溉。
• 使用太阳能电池板为整个系统供电，以实现离网、可持续运行。
• 每六小时收集一次土壤湿度、温度和硝酸盐浓度数据，并测量植株参数，包括基部直径、株高、果实产量和果实大小。
• 使用商用传感器套件进行数据采集，并比较其在准确性、易用性和可靠性方面的表现。
• 在多个生长参数上，对两种秋葵品种（克伦威尔无刺秋葵和艾米瑞德秋葵）在两种施肥处理下进行受控对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 商用无线传感器网络能否在不同施肥处理下提供准确、实时的数据，以支持可持续秋葵种植？
• RQ2 不同施肥处理如何影响受传感器监测环境中的两种秋葵品种的生长和产量？
• RQ3 克伦威尔无刺秋葵和艾米瑞德秋葵在植株高度、基部直径、果实产量和果实大小方面的表现如何比较？
• RQ4 太阳能供电传感器和自动灌溉在维持最佳土壤湿度和支持可持续作物生产方面有多有效？
• RQ5 传感器获取的土壤参数（湿度、温度、硝酸盐）与植株生长结果的相关性有多大？

主要发现

• 克伦威尔无刺秋葵在各项植株参数中表现最佳，包括更高的植株高度和更大的基部直径，优于艾米瑞德秋葵。
• 克伦威尔无刺秋葵的果实产量最高，在所有处理组中平均果实尺寸也显著更大。
• 无线传感器网络成功实现了对土壤湿度、温度和太阳辐射的实时监测，每六小时稳定收集数据。
• 不同施肥处理下土壤硝酸盐浓度存在显著差异，表明养分吸收存在可测量的差异。
• 太阳能供电系统可靠地驱动了水泵和传感器，证明其在小型农业应用中具备实用的离网可持续性。
• 商用传感器在准确性及部署便捷性方面表现有效，支持其在真实农业监测中的应用。