【論文精選】用于精準(zhǔn)灌溉決策的便攜式土壤濕度檢測(cè)
《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》2018年第34卷第22期刊載了昆明理工大學(xué)楊春曦、劉華、謝可心和楊啟良的論文——“便攜式土壤濕度檢測(cè)裝置用于精準(zhǔn)灌溉決策系統(tǒng)”。該研究由國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào):61364002)等資助。
土壤水分含量對(duì)作物的生長有著重要影響,合適的水分含量是作物良好生長的重要條件。而在準(zhǔn)確測(cè)量整個(gè)作物區(qū)域的土壤濕度時(shí),面臨一個(gè)兩難的處境:少量土壤濕度固定檢測(cè)點(diǎn)不能良好地反映作物區(qū)域土壤濕度信息,而大量布置傳感器檢測(cè)點(diǎn)又使得投資成本較大。
該文設(shè)計(jì)了一套精準(zhǔn)灌溉決策系統(tǒng),共分為便攜式檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)、上位機(jī)數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)和分布式?jīng)Q策程序設(shè)計(jì)3部分。系統(tǒng)首先采用便攜式土壤濕度檢測(cè)裝置對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測(cè),并將數(shù)據(jù)無線傳輸至上位機(jī)數(shù)據(jù)接收程序,分別進(jìn)行存儲(chǔ)和二進(jìn)制處理,算法子模塊對(duì)處理過的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行整體和局部區(qū)域分類,并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,得出作物區(qū)域整體或局部區(qū)域是否需要灌溉的結(jié)論。
決策系統(tǒng)算法為分布式一致性算法,該算法是一種用于對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合的分布式算法,其核心思想是通過相鄰傳感器檢測(cè)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換和計(jì)算,最終實(shí)現(xiàn)所有檢測(cè)點(diǎn)的參數(shù)值達(dá)到相同或相近。經(jīng)過二進(jìn)制改進(jìn)和遺傳算法優(yōu)化后,該算法最終運(yùn)算結(jié)果僅存在一個(gè)狀態(tài)值“0”或者“1”,狀態(tài)值“0”表示作物區(qū)不缺水,狀態(tài)值“1”表示作物區(qū)缺水。
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定,便攜式土壤濕度檢測(cè)裝置的最大誤差為2.2%,設(shè)計(jì)裝置檢測(cè)精度為95%,且運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠,符合實(shí)際測(cè)試需要;決策系統(tǒng)界面友好、操作方便,系統(tǒng)算法運(yùn)行穩(wěn)定、決策結(jié)果準(zhǔn)確。尤其是在作物區(qū)域的土壤檢測(cè)值超過63個(gè)時(shí),其仿真平均決策準(zhǔn)確率超過98%,而30次實(shí)測(cè)平均決策準(zhǔn)確率超過90%。
研究結(jié)果表明,該精準(zhǔn)灌溉預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)精度較高、便攜性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、有利于在精細(xì)化節(jié)水灌溉領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。
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