【論文精選】用于精準(zhǔn)灌溉決策的便攜式土壤濕度檢測

《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裝置對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測，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裝置的最大誤差為2.2%，設(shè)計(jì)裝置檢測精度為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)測系統(tǒng)預(yù)測精度較高、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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