【論文精選】用于精準灌溉決策的便攜式土壤濕度檢測

《農業(yè)工程學報》2018年第34卷第22期刊載了昆明理工大學楊春曦、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灌溉決策系統(tǒng)”。該研究由國家自然科學基金資助項目（項目號：61364002）等資助。

土壤水分含量對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。而在準確測量整個作物區(qū)域的土壤濕度時，面臨一個兩難的處境：少量土壤濕度固定檢測點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又使得投資成本較大。

該文設計了一套精準灌溉決策系統(tǒng)，共分為便攜式檢測裝置設計、上位機數(shù)據(jù)接收程序設計和分布式決策程序設計3部分。系統(tǒng)首先采用便攜式土壤濕度檢測裝置對土壤濕度進行檢測，并將數(shù)據(jù)無線傳輸至上位機數(shù)據(jù)接收程序，分別進行存儲和二進制處理，算法子模塊對處理過的二進制數(shù)據(jù)進行整體和局部區(qū)域分類，并進行數(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大規(guī)模數(shù)據(jù)進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之間的數(shù)據(jù)交換和計算，最終實現(xiàn)所有檢測點的參數(shù)值達到相同或相近。經過二進制改進和遺傳算法優(yōu)化后，該算法最終運算結果僅存在一個狀態(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。

經過實驗室標定，便攜式土壤濕度檢測裝置的最大誤差為2.2%，設計裝置檢測精度為95%，且運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠，符合實際測試需要；決策系統(tǒng)界面友好、操作方便，系統(tǒng)算法運行穩(wěn)定、決策結果準確。尤其是在作物區(qū)域的土壤檢測值超過63個時，其仿真平均決策準確率超過98%，而30次實測平均決策準確率超過90%。

研究結果表明，該精準灌溉預測系統(tǒng)預測精度較高、便攜性好、可擴展性強、有利于在精細化節(jié)水灌溉領域進行推廣應用。

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