水肥濃度智能感知與精準配比系統(tǒng)研制與試驗.pdf

2020 年6 月 第2 卷 第2 期 Jun 2020 Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 研 制 與 試 驗 金 洲 1 4 張 俊 卿 1 2 4 郭 紅 燕 1 4 胡 宜 敏 1 4 陳 翔 宇 1 4 黃 河 1 4 王 紅 艷 3 1 中 國 科 學 院 合 肥 物 質(zhì) 科 學 研 究 院 智 能 機 械 研 究 所 安 徽 合 肥 2 3 0 0 3 1 2 中 國 科 學 技 術 大 學 安 徽 合 肥 2 3 0 0 2 6 3 寧 夏 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 工 程 技 術 研 究 中 心 寧 夏 銀 川 7 5 0 0 0 0 4 安 徽 省 智 慧 農(nóng) 業(yè) 工 程 實 驗 室 安 徽 合 肥 2 3 0 0 3 1 摘 要 為 解 決 農(nóng) 場 當 地 當 時 的 復 合 肥 料 精 準 化 配 料 問 題 本 研 究 將 水 肥 一 體 化 智 能 灌 溉 施 肥 系 統(tǒng) 作 為 研 究 對 象 構 建 了 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 首 先 提 出 現(xiàn) 場 在 線 水 肥 溶 液 智 能 感 知 模 型 的 快 速 建 立 方 法 利 用 數(shù) 據(jù) 分 析 算 法 從 傳 感 器 實 時 監(jiān) 測 的 一 系 列 濃 度 梯 度 的 肥 料 溶 液 中 挖 掘 出 模 型 其 次 基 于 上 述 模 型 設 計 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 的 框 架 結 構 闡 述 系 統(tǒng) 工 作 原 理 并 通 過 三 種 水 體 模 擬 在 線 配 肥 驗 證 了 該 系 統(tǒng) 原 位 指 導 水 肥 濃 度 配 比 的 有 效 性 同 時 評 價 了 水 體 電 導 率 對 水 肥 配 比 濃 度 的 干 擾 試 驗 結 果 表 明 正 則 化 條 件 下 二 階 的 多 項 式 擬 合 曲 線 是 表 達 溶 液 電 導 率 與 水 肥 濃 度 的 變 化 關 系 最 優(yōu) 的 模 型 相 關 系 數(shù) R 2 均 大 于 0 9 9 9 由 此 模 型 可 得 出 用 戶 關 心 的 復 合 肥 各 指 標 濃 度 三 種 水 體 模 擬 在 線 配 肥 結 果 表 明 水 體 會 干 擾 電 導 率 導 致 無 法 準 確 反 演 水 肥 配 比 的 濃 度 相 對 偏 差 值 超 過 了 0 1 因 此 本 研 究 提 出 的 在 線 水 肥 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 了 消 除 當 地 水 體 電 導 率 對 水 肥 配 比 準 確 性 的 干 擾 通 過 模 型 計 算 實 現(xiàn) 復 合 肥 精 準 化 配 比 并 得 出 各 指 標 濃 度 該 系 統(tǒng) 結 構 簡 單 配 比 精 準 易 與 現(xiàn) 有 水 肥 一 體 機 或 者 人 工 配 肥 系 統(tǒng) 結 合 使 用 可 廣 泛 應 用 于 設 施 農(nóng) 業(yè) 栽 培 果 園 栽 培 和 大 田 經(jīng) 濟 作 物 栽 培 等 環(huán) 境 下 的 精 準 智 能 施 肥 關 鍵 詞 水 肥 一 體 化 電 導 率 感 知 精 準 配 比 系 統(tǒng) 建 模 多 項 式 擬 合 中 圖 分 類 號 S 2 3 7 文 獻 標 志 碼 A 文 章 編 號 2 0 2 0 0 3 S A 0 1 2 引 文 格 式 金 洲 張 俊 卿 郭 紅 燕 胡 宜 敏 陳 翔 宇 黃 河 王 紅 艷 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 研 制 與 試 驗 J 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 2020 2 2 82 93 JIN Zhou ZHANG Junqing GUO Hongyan HUYimin CHEN Xiangyu HUANG He WANG Hongyan Develop ment and testing of intelligent sensing and precision proportioning system of water and fertilizer concentration J SmartAgriculture 2020 2 2 82 93 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 在 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 中 將 灌 溉 與 施 肥 結 合 一 同 作 用 于 作 物 根 系 的 水 肥 一 體 化 技 術 已 逐 漸 成 為 趨 勢 自 動 灌 溉 施 肥 技 術 被 認 為 是 當 今 世 界 提 高 養(yǎng) 分 利 用 率 的 最 有 效 方 法 之 一 1 灌 溉 施 肥 的 主 要 優(yōu) 點 是 施 肥 均 勻 準 確 可 以 穩(wěn) 定 且 高 精 度 地 控 制 灌 水 量 施 肥 量 施 肥 時 間 等 參 數(shù) 從 而 提 高 水 肥 的 利 用 效 率 避 免 肥 料 施 在 較 干 的 表 土 層 引 起 揮 發(fā) 損 失 溶 解 慢 最 終 導 致 肥 效 發(fā) 揮 慢 的 問 doi 10 12133 j smartag 2020 2 2 202003 SA012 收 稿 日 期 2020 03 31 修 訂 日 期 2020 05 20 基 金 項 目 寧 夏 智 慧 農(nóng) 業(yè) 產(chǎn) 業(yè) 技 術 協(xié) 同 創(chuàng) 新 中 心 建 設 任 務 2017DC53 寧 夏 智 慧 農(nóng) 業(yè) 關 鍵 技 術 研 究 與 集 成 示 范 項 目 2017BY067 安 徽 省 自 然 科 學 基 金 青 年 項 目 1908085QE202 合 肥 研 究 院 院 長 基 金 青 年 火 花 項 目 YZJJ2019QN14 作 者 簡 介 金 洲 1985 男 博 士 助 理 研 究 員 研 究 方 向 為 農(nóng) 業(yè) 信 息 化 與 數(shù) 據(jù) 挖 掘 E mail jinzhou 通 訊 作 者 1 陳 翔 宇 1988 男 博 士 助 理 研 究 員 研 究 方 向 為 農(nóng) 業(yè) 傳 感 器 電 話 0551 65591131 E mail cxy0910 2 黃 河 1980 男 博 士 副 研 究 員 研 究 方 向 為 大 數(shù) 據(jù) 與 智 慧 農(nóng) 業(yè) 電 話 0551 65591131 E mail hhuang 金 洲 等 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 研 制 與 試 驗 Vol 2 No 2 題 既 節(jié) 約 氮 肥 又 有 利 于 環(huán) 境 保 護 水 肥 一 體 化 技 術 已 廣 泛 應 用 于 設 施 農(nóng) 業(yè) 栽 培 2 果 園 栽 培 3 和 棉 花 等 大 田 作 物 栽 培 4 以 及 經(jīng) 濟 效 益 較 好 的 其 他 作 物 5 栽 培 并 取 得 了 顯 著 的 經(jīng) 濟 和 社 會 效 益 6 因 此 研 發(fā) 與 推 廣 高 效 的 水 肥 一 體 化 技 術 具 有 重 要 的 應 用 價 值 水 肥 一 體 機 的 相 繼 面 世 并 通 過 不 斷 升 級 優(yōu) 化 機 械 結 構 顯 著 減 少 了 人 力 提 升 了 生 產(chǎn) 效 率 7 然 而 傳 統(tǒng) 水 肥 機 無 法 在 配 比 過 程 中 獲 取 水 肥 濃 度 信 息 因 而 無 法 實 現(xiàn) 水 肥 自 動 精 確 配 比 也 無 法 實 現(xiàn) 肥 料 減 施 近 幾 年 智 能 化 水 肥 一 體 機 通 過 添 加 水 和 肥 料 的 流 量 傳 感 器 用 以 控 制 水 肥 的 加 入 比 例 試 圖 間 接 感 知 水 肥 濃 度 從 而 提 升 肥 料 的 利 用 率 水 平 8 此 類 方 法 通 過 實 現(xiàn) 灌 溉 液 的 動 態(tài) 調(diào) 節(jié) 從 而 達 到 節(jié) 水 增 效 的 目 的 學 者 和 科 研 人 員 在 智 能 水 肥 一 體 化 灌 溉 施 肥 方 面 做 了 很 多 工 作 王 成 9 韋 立 德 10 和 韓 啟 彪 11 分 別 對 傳 統(tǒng) 灌 溉 施 肥 系 統(tǒng) 進 行 了 研 究 和 優(yōu) 化 使 得 傳 統(tǒng) 施 肥 器 能 夠 直 接 適 用 于 灌 溉 施 肥 自 動 控 制 系 統(tǒng) 付 強 等 12 劉 永 華 等 13 趙 景 波 等 14 和 吳 琦 等 15 從 智 能 調(diào) 控 設 備 智 能 吸 肥 設 備 和 智 能 施 肥 算 法 等 不 同 方 面 開 展 智 能 水 肥 一 體 化 灌 溉 施 肥 的 研 究 顯 著 提 升 了 傳 統(tǒng) 水 肥 一 體 化 灌 溉 施 肥 系 統(tǒng) 的 智 能 化 水 平 Yermiyahu 等 16 在 以 色 列 利 用 傳 感 器 網(wǎng) 絡 對 作 物 水 肥 狀 況 進 行 遠 程 監(jiān) 控 實 現(xiàn) 了 一 體 化 的 灌 溉 和 施 肥 Pawlowski 等 17 在 西 班 牙 基 于 事 件 的 溫 室 灌 溉 過 程 預 測 控 制 方 案 建 立 了 含 水 量 模 型 觸 發(fā) 作 物 灌 溉 施 肥 系 統(tǒng) 完 成 精 準 水 肥 施 用 Jayakumar 等 18 在 印 度 南 部 研 究 了 椰 子 的 生 長 參 數(shù) 與 自 動 噴 滴 灌 系 統(tǒng) 的 關 聯(lián) 程 度 研 制 出 了 高 性 能 的 椰 子 灌 溉 施 肥 設 施 這 些 工 作 針 對 具 體 作 物 和 特 殊 場 景 進 行 了 優(yōu) 化 但 缺 乏 普 適 性 不 具 有 良 好 的 推 廣 性 智 能 灌 溉 施 肥 硬 件 也 取 得 了 一 定 發(fā) 展 水 肥 一 體 化 設 備 主 要 有 以 色 列 的Ne tajet 自 動 灌 溉 施 肥 機 Fertijet 施 肥 機 19 國 內(nèi) 的 WGF 6 12 自 動 施 肥 機 20 SYJ 2 型 液 肥 變 量 施 肥 機 21 和 旁 路 吸 肥 式 自 動 施 肥 機 22 等 推 動 節(jié) 水 灌 溉 與 施 肥 于 一 體 的 新 型 農(nóng) 業(yè) 技 術 的 應 用 和 發(fā) 展 然 而 這 些 自 動 施 肥 機 需 要 對 農(nóng) 場 的 灌 溉 設 施 進 行 升 級 改 造 成 本 巨 大 后 期 維 護 成 本 也 較 高 物 聯(lián) 網(wǎng) 云 計 算 和 人 工 智 能 的 快 速 發(fā) 展 給 水 肥 一 體 化 灌 溉 施 肥 帶 來 了 新 的 思 路 和 方 法 23 趙 進 等 24 研 制 了 一 種 基 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 遠 程 控 制 技 術 水 肥 一 體 化 智 能 系 統(tǒng) 將 物 聯(lián) 網(wǎng) 遠 程 控 制 技 術 引 入 水 肥 一 體 技 術 江 新 蘭 等 25 研 制 了 基 于 兩 線 解 碼 技 術 的 水 肥 一 體 化 灌 溉 系 統(tǒng) 降 低 了 系 統(tǒng) 控 制 結 構 復 雜 度 駱 東 松 和 姜 浩 26 設 計 了 農(nóng) 業(yè) 水 肥 一 體 化 智 能 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 利 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 和 傳 感 器 技 術 實 現(xiàn) 了 遠 程 灌 溉 和 施 肥 姜 巖 等 27 28 將 農(nóng) 業(yè) 專 家 系 統(tǒng) 與 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術 結 合 提 出 了 基 于 專 家 系 統(tǒng) 的 水 肥 智 能 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 了 氮 肥 磷 肥 鉀 肥 的 配 比 然 而 以 上 智 能 化 水 肥 一 體 機 主 要 針 對 氮 磷 鉀 的 單 一 肥 料 種 類 而 農(nóng) 戶 實 際 上 采 用 的 是 肥 料 廠 家 生 產(chǎn) 的 復 合 水 溶 肥 建 立 不 同 肥 料 輸 入 和 輸 出 裝 置 進 行 配 肥 不 僅 增 加 管 路 系 統(tǒng) 的 復 雜 性 也 顯 著 提 高 了 成 本 同 時 農(nóng) 戶 為 降 低 成 本 傾 向 于 采 用 當 地 自 然 水 體 進 行 配 肥 因 此 針 對 復 合 肥 料 和 當 地 水 體 直 接 原 位 準 確 地 感 知 配 比 各 環(huán) 節(jié) 中 水 肥 濃 度 從 而 精 確 調(diào) 控 水 和 肥 的 比 例 對 顯 著 提 升 肥 料 利 用 率 具 有 重 要 現(xiàn) 實 意 義 本 研 究 首 先 以 水 肥 一 體 化 智 能 灌 溉 施 肥 系 統(tǒng) 作 為 研 究 對 象 針 對 農(nóng) 場 當 地 當 時 的 復 合 肥 料 精 準 化 配 料 需 求 創(chuàng) 新 性 地 提 出 可 用 于 現(xiàn) 場 的 水 肥 濃 度 智 能 感 知 和 精 準 配 比 思 想 從 水 肥 濃 度 智 能 感 知 方 法 水 肥 濃 度 智 能 感 知 建 模 水 肥 濃 度 智 能 感 知 和 精 準 配 比 系 統(tǒng) 等 幾 個 方 面 進 行 了 深 入 研 究 提 出 了 一 級 原 位 水 肥 濃 度 建 模 子 系 統(tǒng) 與 二 級 水 肥 精 準 配 比 子 系 統(tǒng) 的 結 構 其 中 一 級 原 位 水 肥 濃 度 建 模 集 成 了 非 接 觸 式 電 導 傳 感 器 用 以 感 知 水 肥 濃 度 構 建 了 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 并 利 用 數(shù) 據(jù) 分 析 算 法 從 傳 感 器 實 時 監(jiān) 測 的 一 系 列 濃 度 梯 度 的 肥 料 溶 液 中 挖 掘 出 最 優(yōu) 模 型 其 次 設 計 了 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 的 框 架 結 構 通 過3 種 水 體 模 擬 在 線 配 肥 驗 證 了 系 8 3Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 統(tǒng) 的 有 效 性 同 時 評 價 了 水 體 電 導 率 對 水 肥 配 比 濃 度 的 干 擾 本 研 究 提 出 的 在 線 水 肥 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 具 有 系 統(tǒng) 結 構 簡 單 水 肥 配 比 精 準 成 本 低 等 優(yōu) 勢 易 與 現(xiàn) 有 水 肥 一 體 機 或 者 人 工 配 肥 系 統(tǒng) 結 合 使 用 可 廣 泛 應 用 于 設 施 農(nóng) 業(yè) 栽 培 果 園 栽 培 和 大 田 經(jīng) 濟 作 物 栽 培 等 環(huán) 境 下 的 精 準 配 比 和 智 能 施 肥 具 有 實 際 應 用 推 廣 價 值 2 試 驗 設 計 與 方 案 2 1 儀 器 與 試 劑 水 肥 感 知 與 配 比 模 型 試 驗 所 需 儀 器 和 設 備 MSP60 3A 注 射 泵 慧 宇 偉 業(yè) 北 京 流 體 設 備 有 限 公 司 雷 磁DDSJ 308A 型 電 導 率 儀 帶 兩 支 鉑 黑 電 導 率 探 頭 電 極 常 數(shù) 和 量 程 分 別 為k 0 957 2 20 000 S cm k 10 57 2 200mS cm 上 海 儀 電 科 學 儀 器 股 份 有 限 公 司 分 析 天 平 北 京 賽 多 利 斯 儀 器 公 司 超 聲 波 清 洗 器 昆 山 市 超 聲 儀 器 有 限 公 司 水 肥 感 知 與 配 比 模 型 試 驗 所 需 試 劑 和 材 料 芭 田 水 溶 肥 料13 6 40 深 圳 市 芭 田 生 態(tài) 工 程 股 份 有 限 公 司 芭 田 水 溶 肥 料20 20 20 深 圳 市 芭 田 生 態(tài) 工 程 股 份 有 限 公 司 超 純 水 18 25 M cm 150mm 定 量 濾 紙 生 工 生 物 工 程 上 海 股 份 有 限 公 司 水 樣 采 集 與 前 處 理 采 集 安 徽 省 合 肥 市 董 鋪 水 庫 水 體 用 定 量 濾 紙 進 行 過 濾 濾 液 作 為 水 肥 在 線 配 比 試 驗 的 水 庫 水 直 接 收 集 安 徽 省 合 肥 市 自 來 水 廠 市 政 供 水 作 為 自 來 水 體 2 2 試 驗 方 案 為 解 決 農(nóng) 場 復 合 肥 料 精 準 化 配 料 問 題 本 研 究 建 立 如 圖1 所 示 的 試 驗 方 案 將 復 合 肥 料 進 行 標 準 化 檢 驗 獲 得 各 項 指 標 的 具 體 數(shù) 值 在 實 驗 室 采 用 純 水 配 置 一 系 列 濃 度 梯 度 的 復 合 肥 溶 液 進 行 電 導 率 測 試 試 驗 獲 取 的 電 導 率 數(shù) 據(jù) 進 行 水 肥 感 知 模 型 構 建 通 過 回 歸 擬 合 篩 選 出 最 優(yōu) 模 型 設 計 搭 建 硬 件 水 肥 精 準 配 比 硬 件 系 統(tǒng) 采 集 自 然 水 體 在 硬 件 系 統(tǒng) 中 通 過 先 投 肥 料 再 持 續(xù) 加 液 的 方 式 模 擬 農(nóng) 場 復 合 肥 料 配 比 在 每 個 濃 度 特 征 點 即 時 采 集 水 肥 溶 液 中 電 導 率 參 數(shù) 通 過 篩 選 出 的 最 優(yōu) 模 型 指 導 自 然 水 體 配 肥 的 模 型 校 驗 并 進 行 模 型 評 價 標 準 數(shù) 值 建 立 試 驗 選 取 同 一 批 次 的 兩 種 芭 田 水 溶 肥 料 各 稱 取500 g 水 溶 肥 料 樣 品 送 檢 至 安 徽 省 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 監(jiān) 督 檢 驗 研 究 院 委 托 對 肥 料 中 總 氮 N 五 氧 化 二 磷 P 2 O 5 氧 化 鉀 K 2 O 等 指 標 按 照NY1107 2010 標 準 進 行 檢 驗 各 指 標 的 檢 驗 值 作 為 建 立 水 肥 濃 度 智 能 感 知 模 型 的 基 準 水 肥 模 型 建 立 試 驗 的 前 處 理 分 別 稱 取 兩 種 水 溶 肥 料 超 純 水 定 容 放 入 超 聲 波 清 洗 器 內(nèi) 溶 解 分 別 配 比 成 一 系 列 濃 度 梯 度 的 待 測 溶 液 為 了 貼 近 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 實 際 配 比 值 依 據(jù) 復 合 肥 廠 家 對 不 同 作 物 施 肥 的 配 比 建 議 并 在 此 基 礎 上 適 當 擴 大 梯 度 范 圍 確 保 農(nóng) 戶 施 肥 的 配 比 值 被 標 準 曲 線 覆 蓋 試 驗 中 的 肥 料 與 水 的 配 比 濃 度 梯 度 選 用 為 1 50 1 100 1 150 1 200 1 250 1 300 1 400 和1 500 共 計8 個 濃 度 水 平 電 導 率 測 試 試 驗 體 系 中 引 入 溫 度 電 極 對 電 導 率 測 試 數(shù) 據(jù) 進 行 修 正 保 證 試 驗 裝 置 可 以 適 用 于 現(xiàn) 場 檢 測 試 驗 過 程 中 將 溫 度 補 償 電 極 與 鉑 黑 電 導 率 探 頭 一 起 依 次 插 入 待 測 溶 液 中 待 測 量 值 穩(wěn) 定 進 行 讀 數(shù) 測 試 樣 品 之 間 用 純 水 反 復 沖 洗 電 導 率 探 頭 并 擦 干 吹 干 確 保 無 交 叉 污 染 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 試 驗 為 了 探 究 自 然 水 體 對 水 肥 智 能 配 比 系 統(tǒng) 的 影 響 并 圖 1 試 驗 方 案 技 術 路 線 Fig 1 Technicalrouteoftestscheme 8 4金 洲 等 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 研 制 與 試 驗 Vol 2 No 2 在 后 臺 系 統(tǒng) 中 修 正 水 體 本 身 電 導 率 引 入 的 誤 差 試 驗 體 系 設 計 三 種 不 同 水 體 進 行 配 肥 試 驗 測 試 對 比 三 種 水 體 分 別 為 安 徽 省 合 肥 市 董 鋪 水 庫 水 過 濾 后 的 濾 液 合 肥 蜀 山 區(qū) 自 來 水 和 超 純 水 分 別 采 用 帶 有 溫 度 補 償 的 電 導 率 電 極 進 行 電 導 率 測 試 在 實 驗 室 環(huán) 境 模 擬 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 的 原 位 使 用 試 驗 時 三 種 水 體 的 水 溫 均 為17 將MSP60 3A 型 注 射 泵 的 進 口 管 路 插 入 試 驗 水 體 的 桶 中 出 口 管 路 放 置 在 配 肥 池 的 燒 杯 內(nèi) 壁 稱 取2 g 芭 田13 40 6 水 溶 肥 料 加 入 燒 杯 內(nèi) 溫 度 補 償 電 極 與 鉑 黑 電 導 率 插 入 燒 杯 內(nèi) 試 驗 時 注 射 泵 每 次 自 動 注 入50mL 容 量 的 試 驗 水 體 每 次 注 入 間 隔 為60 s 用 以 攪 拌 均 勻 與 電 導 率 讀 數(shù) 2 3 水 肥 濃 度 智 能 感 知 方 法 智 能 感 知 是 根 據(jù) 多 傳 感 器 所 提 供 的 多 源 信 息 經(jīng) 過 智 能 信 息 分 析 和 處 理 實 現(xiàn) 對 環(huán) 境 和 對 象 的 認 知 從 而 使 基 于 經(jīng) 驗 判 斷 和 智 能 處 理 的 決 策 成 為 可 能 現(xiàn) 代 智 能 感 知 系 統(tǒng) 的 首 要 任 務 是 從 各 種 傳 感 信 息 中 抽 取 對 象 的 各 種 特 征 并 利 用 對 象 的 特 征 信 息 來 確 定 目 標 和 環(huán) 境 的 屬 性 構 建 特 征 和 目 標 屬 性 的 關 系 模 型 從 而 完 成 智 能 感 知 的 完 整 過 程 針 對 復 合 肥 料 配 比 中 的 快 速 智 能 感 知 問 題 本 研 究 提 出 一 種 新 的 思 路 通 過 提 前 建 立 當 時 當 地 復 合 肥 關 鍵 特 征 與 水 溶 肥 濃 度 關 系 的 模 型 后 期 在 實 際 水 肥 配 比 工 作 中 基 于 模 型 即 可 準 確 得 知 配 肥 池 中 氮 磷 鉀 各 指 標 的 濃 度 因 此 需 首 先 探 究 如 何 合 理 地 構 建 復 合 肥 料 配 比 的 智 能 感 知 模 型 本 研 究 將 溫 度 補 償 電 極 與 鉑 黑 電 導 率 探 頭 用 于 快 速 感 知 時 序 變 化 的 水 肥 溶 液 濃 度 特 征 信 息 依 據(jù) 電 導 率 值 變 化 進 行 水 肥 控 制 是 水 肥 一 體 化 的 有 效 方 法 29 實 時 提 取 水 肥 溶 液 的 電 導 率 值 作 為 關 鍵 特 征 信 息 當 水 肥 溶 液 的 關 鍵 特 征 被 獲 取 后 實 時 利 用 后 臺 參 數(shù) 擬 合 算 法 學 習 出 當 時 當 地 采 用 復 合 肥 預 測 水 肥 濃 度 的 回 歸 模 型 再 通 過 模 型 準 確 得 知 配 肥 池 中 的 氮 磷 鉀 各 項 指 標 濃 度 為 了 對 比 評 價 原 位 水 肥 濃 度 智 能 感 知 模 型 建 立 的 準 確 性 本 研 究 重 點 是 通 過 分 析 不 同 階 數(shù) 和 不 同 正 則 化 項 的 回 歸 模 型 建 立 水 肥 濃 度 與 電 導 率 的 關 系 確 定 水 肥 濃 度 智 能 感 知 模 型 的 最 佳 表 達 形 式 基 于 統(tǒng) 計 回 歸 分 析 每 種 水 肥 的 濃 度 對 溶 液 的 電 導 率 變 化 規(guī) 律 可 用 曲 線 函 數(shù) 表 示 為 f x w 0 w 1 x w 2 x 2 w n x n 1 其 中 f x 代 表 水 肥 濃 度 g L x 代 表 電 導 率 值 mS cm w 0 w 1 w n 為 函 數(shù) 擬 合 后 的 系 數(shù) 本 研 究 通 過 兩 種 方 法 對 系 數(shù) 進 行 求 解 第 一 種 是 根 據(jù) 常 規(guī) 分 析 測 定 中 標 準 曲 線 回 歸 的 方 法 進 行 多 項 式 回 歸 擬 合 即 利 用 函 數(shù)f x 去 擬 合 水 肥 試 驗 數(shù) 據(jù) 并 使 得 損 失 函 數(shù)h x 最 小 其 中h x 可 以 表 示 為 h x 1 n i 1 n f x i y i 2 2 其 中 n 為 試 驗 水 肥 濃 度 測 試 值 數(shù) 量 y i 為 試 驗 實 際 測 試 的 水 肥 濃 度 值 g L 第 二 種 是 引 入 正 則 化 項 變 量 過 多 的 時 候 曲 線 能 很 好 地 擬 合 訓 練 數(shù) 據(jù) 但 是 這 樣 的 曲 線 會 出 現(xiàn) 過 擬 合 現(xiàn) 象 導 致 它 無 法 泛 化 到 新 的 數(shù) 據(jù) 樣 本 中 此 方 法 利 用 系 數(shù)w i 構 造 一 個 懲 罰 函 數(shù) 實 現(xiàn) 對 變 量 的 選 擇 正 則 化 的 損 失 函 數(shù)h w x 一 般 可 以 表 示 為 h w x 1 n i 1 n f x i y i 2 g w i 3 其 中 正 則 化 項g w i 可 以 是 模 型 參 數(shù) 向 量 的 范 數(shù) 通 常 用 的 有L 1 范 數(shù) 和L 2 范 數(shù) 基 于 水 肥 濃 度 與 電 導 率 擬 合 曲 線 融 入 復 合 肥 料N P 2 O 5 和K 2 O 的 基 準 標 準 數(shù) 值 分 別 擬 合 出 水 肥 中N P 2 O 5 和K 2 O 各 指 標 濃 度 與 電 導 率 的 關 系 式 y i d i f x 0 1 x 2 x 2 n x n 4 其 中 y i 代 表N P 2 O 5 和K 2 O 各 項 指 標 的 濃 度 g L x 代 表 電 導 率 值 mS cm d i 代 表 經(jīng) 過 標 準 化 檢 測 的 各 項 指 標 的 含 量 百 分 比 基 準 值 0 1 n 分 別 為 各 項 指 標 函 數(shù) 擬 合 后 的 系 數(shù) 8 5Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 3 試 驗 結 果 與 討 論 3 1 復 合 肥 料 檢 驗 值 為 了 更 精 確 地 評 價 不 同 回 歸 曲 線 委 托 安 徽 省 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 監(jiān) 督 檢 驗 研 究 院 對 本 研 究 采 購 的 兩 種 水 溶 肥 進 行 了 標 準 化 檢 測 兩 種 水 溶 復 合 肥N P 2 O 5 及K 2 O 含 量 的 詳 細 數(shù) 據(jù) 展 示 在 表1 中 這 些 數(shù) 據(jù) 將 作 為 基 準 值 3 2 水 肥 濃 度 智 能 感 知 模 型 構 建 針 對 復 合 肥 料 配 比 中 的 智 能 感 知 問 題 研 究 通 過 感 知 每 種 復 合 肥 料 配 比 中 關 鍵 濃 度 點 建 立 電 導 率 與 水 溶 肥 濃 度 關 系 的 回 歸 模 型 的 方 法 來 實 現(xiàn) 本 節(jié) 探 討 構 建 復 合 肥 料 配 比 的 智 能 感 知 模 型 的 合 理 性 表2 是 采 用 的 兩 種 肥 料 在8 個 濃 度 水 平 下 的 電 導 率 檢 測 結 果 這 些 關 鍵 特 征 濃 度 點 為 建 立 回 歸 模 型 提 供 支 持 表2 結 果 表 明 溶 液 電 導 率 和 溶 液 濃 度 呈 正 相 關 濃 度 越 大 電 導 率 越 高 根 據(jù) 水 肥 濃 度 智 能 感 知 方 法 對 兩 種 肥 料 進 行 不 同 階 的 曲 線 擬 合 溶 液 的 電 導 率 與 水 肥 濃 度 的 變 化 關 系 可 以 分 別 用 圖2 的 不 同 曲 線 進 行 描 述 圖2 a 和 圖2 b 分 別 是 芭 田20 20 20 和 芭 田13 6 40 兩 種 水 肥 溶 液 濃 度 的 多 項 式 擬 合 曲 線 溶 液 的 電 導 率 對 肥 料 濃 度 變 化 關 系 由1 階 到 6 階 的 曲 線 圖 和 對 應 相 關 指 數(shù)R 2 表 示 由 結 果 可 見 曲 線 的 相 關 指 數(shù)R 2 大 于0 95 均 達 到 顯 著 水 平 一 階 到 二 階 擬 合 曲 線 的 相 關 指 數(shù)R 2 從0 995 到0 999 有 明 顯 提 高 說 明 二 階 擬 合 曲 線 對 比 一 階 擬 合 曲 線 的 精 度 更 高 擬 合 度 更 好 更 接 近 實 際 濃 度 多 項 式 階 數(shù) 的 進 一 步 增 加 相 關 指 數(shù) 沒 有 顯 著 變 化 而 且 隨 著 階 數(shù) 和 樣 本 特 征 增 加 當 樣 本 數(shù) 相 對 較 少 時 上 圖 中 的 高 階 曲 線 擬 合 過 程 容 易 使 得 模 型 陷 入 過 擬 合 為 緩 解 過 擬 合 問 題 本 研 究 采 用 第 二 種 方 法 對 芭 田13 40 6 水 肥 溶 液 不 同 階 的 曲 線 擬 合 即 引 入 正 則 化 項 最 終 目 標 函 數(shù) 在 平 均 損 失 函 數(shù) 上 增 加 不 同 的 正 則 化 項 從 而 選 擇 模 型 誤 差 和 模 型 表 1 兩 種 水 溶 肥 的 各 指 標 的 檢 驗 值 Table1 Indexoftestingvaluesoftwowater solublefertilizer 肥 料 名 稱 芭 田20 20 20 芭 田13 6 40 N 含 量 20 5 12 5 P 2 O 5 含 量 19 5 7 5 K 2 O 含 量 19 8 39 7 表 2 兩 種 水 溶 肥 在 不 同 濃 度 下 電 導 率 Table2 Conductivityvaluesoftwowater solublefertilizer atdifferentconcentrations 序 號 1 2 3 4 5 6 7 8 水 溶 肥 濃 度 g L 1 20 00 10 00 6 67 5 00 4 00 3 33 2 50 2 00 芭 田20 20 20 電 導 率 mS cm 1 9 637 0 019 5 340 0 014 3 817 0 009 2 903 0 005 2 547 0 005 2 023 0 009 1 730 0 003 1 427 0 001 芭 田13 6 40 電 導 率 mS cm 1 17 747 0 076 9 737 0 019 7 003 0 045 5 313 0 038 4 227 0 019 3 693 0 009 2 347 0 033 2 017 0 012 圖 2 兩 種 水 肥 多 項 式 曲 線 擬 合 Fig 2 Polynomialcurvefittingoftwowater solublefertilizer 8 6金 洲 等 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 研 制 與 試 驗 Vol 2 No 2 復 雜 度 同 時 較 小 的 模 型 如 圖3 所 示 芭 田13 40 6 多 項 式 回 歸 的 基 礎 上 對 目 標 函 數(shù) 正 則 化 分 別 利 用L 1 范 數(shù) L 1 范 數(shù) 結 合L 2 范 數(shù) 建 立 多 項 式 回 歸 的 正 則 項 對 應 的 損 失 函 數(shù) 分 別 是 h a w x 1 n i 1 n f x i y i 2 w i 1 5 h b w x 1 n i 1 n f x i y i 2 p w i 1 1 p w i 2 6 其 中 0 p 0 1 分 別 表 示L 1 范 數(shù) 的 系 數(shù) 和L 1 范 數(shù) 的 權 重 肥 料 進 行 不 同 階 的 曲 線 擬 合 損 失 函 數(shù) 正 則 化 后 的 擬 合 曲 線 如 圖 2 所 示 正 則 化 項 是 多 項 式 系 數(shù) 的 單 調(diào) 遞 增 函 數(shù) 最 小 化 損 失 函 數(shù) 的 過 程 中 經(jīng) 驗 風 險 越 小 模 型 偏 差 越 小 而 復 雜 度 越 高 模 型 越 復 雜 正 則 化 項 取 值 越 大 從 而 限 制 模 型 的 復 雜 度 對 比 正 則 化 前 后 的 曲 線 圖2 a 圖3 a 和 圖3 b 隨 著 多 項 式 階 數(shù) 的 增 加 標 準 多 項 式 擬 合 曲 線 圖2 a 存 在 偏 離 而 正 則 化 后 的 多 項 式 擬 合 曲 線 圖3 a 和 圖3 b 在 高 階 擬 合 曲 線 情 況 下 正 則 化 取 值 增 大 模 型 變 量 受 到 限 制 避 免 了 過 擬 合 現(xiàn) 象 的 出 現(xiàn) 綜 合 不 同 多 項 式 擬 合 曲 線 的 結 果 正 則 化 條 件 下 二 階 的 多 項 式 擬 合 曲 線 在 數(shù) 據(jù) 經(jīng) 度 模 型 復 雜 度 和 魯 棒 性 方 面 是 水 肥 濃 度 智 能 感 知 模 型 的 最 優(yōu) 表 達 形 式 實 際 的 擬 合 曲 線 函 數(shù) 和 其 養(yǎng) 分 指 標 關 系 式 分 別 如 下 芭 田13 40 6 濃 度 y 0 3004 0 8066x 0 0172x 2 7 芭 田13 40 6N 濃 度 y 0 0375 0 1008x 0 0022x 2 8 芭 田13 40 6P 2 O 5 濃 度 y 0 0225 0 0605x 0 0013x 2 9 芭 田13 40 6K 2 O 濃 度 y 0 1193 0 3202x 0 0068x 2 10 芭 田20 20 20 濃 度 y 0 6206 1 7889x 0 0364x 2 11 芭 田20 20 20N 濃 度 y 0 1272 0 3667x 0 0075x 2 12 芭 田20 20 20P 2 O 5 濃 度 y 0 0225 0 3488x 0 0071x 2 13 芭 田20 20 20K 2 O 濃 度 y 0 1229 0 3542x 0 0072x 2 14 上 述 式 中x 是 水 肥 溶 液 電 導 率 值 mS cm y 是 對 應 養(yǎng) 分 指 標 的 濃 度 值 g L 由 此 得 出 通 過 建 立 這 種 水 肥 配 比 過 程 中 濃 度 與 電 導 率 的 關 系 在 測 定 水 肥 溶 液 中 的 電 導 率 后 可 以 得 出 用 戶 關 心 的N P 2 O 5 和K 2 O 各 主 要 指 標 的 具 體 濃 度 數(shù) 值 為 用 戶 精 準 施 肥 提 供 參 考 依 據(jù) 同 時 這 也 說 明 電 導 率 反 演 水 肥 中 各 指 標 濃 度 具 有 可 操 作 圖3 芭 田13 40 6 正 則 化 曲 線 擬 合 比 較 Fig 3 ComparisonofregularizationpolynomialcurvesfittingofBATIAN13 40 6 8 7Vol 2 No 2 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 性 為 下 一 步 建 立 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 提 供 依 據(jù) 4 水 肥 濃 度 智 能 感 知 與 精 準 配 比 系 統(tǒng) 設 計 4 1 結 構 設 計 面 對 實 際 生 產(chǎn) 中 復 合 肥 料 的 智 能 感 知 與 精 準 配 比 問 題 在 完 成 合 理 的 復 合 肥 料 配 比 的 智 能 感 知 模 型 構 建 后 本 研 究 提 出 基 于 在 配 肥 現(xiàn) 場 原 位 電 導 率 速 測 的 兩 級 水 肥 配 比 系 統(tǒng) 作 為 智 能 感 知 的 模 型 構 建 的 硬 件 載 體 此 配 比 系 統(tǒng) 包 括 一 級 水 肥 濃 度 智 能 感 知 模 型 建 立 子 系 統(tǒng) 與 二 級 水 肥 精 準 配 比 子 系 統(tǒng) 水 肥 一 體 配 肥 系 統(tǒng) 結 構 如 圖4 所 示 一 級 系 統(tǒng) 設 計 為 便 攜 式 裝 置 亦 可 與 現(xiàn) 有 傳 統(tǒng) 水 肥 系 統(tǒng) 兼 容 主 要 基 于 在 線 原 位 電 導 率 探 頭 自 動 采 集 水 肥 溶 液 的 電 導 率 數(shù) 據(jù) 實 時 構 建 水 肥 濃 度 智 能 感 知 模 型 一 級 系 統(tǒng) 主 要 包 括 一 臺 精 密 的 加 液 泵 可 實 現(xiàn) 準 確 定 量 加 液 一 只 大 量 程 在 線 電 導 率 探 頭 一 只 水 肥 配 比 塑 料 桶 以 及 配 套 的 控 制