智能水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成金海，劉暢，陳昭璇，汪石麗，陳洋，熊偉麗b

(江南大學(xué)a物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，b輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

近年來，很多農(nóng)村勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)村以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主要工作的人逐漸減少。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)所得回報(bào)相對(duì)較低，因此，農(nóng)村土地轉(zhuǎn)包逐漸成為一種流行模式[1]。對(duì)大面積的農(nóng)田進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、集中生產(chǎn)，可以達(dá)到最大化利用土地資源的目的。

水肥一體化技術(shù)適用于大面積種植、集中管理的生產(chǎn)模式。智能水肥一體化是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的深度結(jié)合[2]。嵌入式智能設(shè)備通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，自動(dòng)化設(shè)備之間自動(dòng)組網(wǎng)，管理員通過嵌入式設(shè)備采集到的溫濕度等實(shí)時(shí)參數(shù)，設(shè)置施肥過程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水肥一體化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制[3]。這種智慧農(nóng)業(yè)模式節(jié)能高產(chǎn)，省時(shí)省力，易于維護(hù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能水肥一體化硬件系統(tǒng)

1.1 采集和監(jiān)控傳感器數(shù)據(jù)

使用以ESP8266為主控芯片[4]的集成板卡。板卡上兼有溫濕度傳感器、光敏傳感器、蜂鳴報(bào)警器等傳感器，也可外擴(kuò)增加傳感器。板卡體積小，易于封裝。定期采集0～5 cm土層的pH值和電導(dǎo)率(EC)，將數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)庫。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)選用機(jī)智云。在機(jī)智云的開發(fā)者中心建立WiFi網(wǎng)絡(luò)方案[5]，添加傳感器數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)置讀寫類型和數(shù)據(jù)類型，設(shè)定參數(shù)的數(shù)據(jù)范圍，下載SDK后對(duì)C文件進(jìn)行二次開發(fā)，修改代碼添加功能，如設(shè)置閾值報(bào)警等。代碼修改完成后，使用Cygwin在Windows系統(tǒng)下執(zhí)行Unix指令生成bin文件，使用ESP Flash Download Tool將bin文件下載到板卡。

用戶下載機(jī)智云APP，使用熱點(diǎn)配置ESP8266集成板卡，配置完成后可以使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地控制活躍設(shè)備。機(jī)智云平臺(tái)提供設(shè)備共享功能，用戶可以將配置完成的設(shè)備共享，以便于多個(gè)管理員協(xié)同監(jiān)測(cè)，高效管理。用戶可以在設(shè)備詳情中實(shí)時(shí)查看傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行控制管理[6]。

1.2 肥料配比和施用模型——RGB模型

ESP8266集成板卡上的LED彩燈可以通過RGB模型體現(xiàn)出肥料的配比。RGB模型的混合方式類似紅綠藍(lán)3盞燈的光相互疊合，色彩相混，從而組成一種特定的顏色。在LED上采用三合一點(diǎn)陣全彩技術(shù)，即在一個(gè)發(fā)光單元里由RGB三色晶片組成全彩像素。運(yùn)用RGB模型模擬3個(gè)施肥罐的進(jìn)料配比模型，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 模型關(guān)系的對(duì)照

為了與3通道的閾值保持一致，在機(jī)智云上設(shè)定數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)為0～255。為了充分利用RGB模型空間，將數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)范圍劃分為16類，每類值域?yàn)?6。假設(shè)分配有不同種類的施肥罐，分別為氮罐1號(hào)(簡記為氮1，以下與之類似)、氮2……依次到鉀1、鉀2，流速分為2檔，則有如表2所示關(guān)系。

表2 彩燈成分與施肥方案關(guān)系表

圖1是水肥管理參數(shù)的設(shè)定界面，計(jì)算機(jī)識(shí)別顏色代碼，得到施肥模式為氮1磷2鉀1，流速1檔。同時(shí)，可以得知3個(gè)施肥罐的投料比例為14∶15∶11。此模型具有比較好的拓展性，當(dāng)對(duì)應(yīng)多種農(nóng)作物、多個(gè)不同類型的施肥罐時(shí)，可以重新定義方案區(qū)間。

圖1 參數(shù)設(shè)置的界面

2 物聯(lián)網(wǎng)智能水肥一體化軟件系統(tǒng)

2.1 辣椒種植數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集到的4 000條辣椒種植管理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)集中包含溫度、濕度、pH值、EC值、流量、流速、肥料濃度等7個(gè)特征參數(shù)，以及單個(gè)辣椒的質(zhì)量[7]。在python環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和擬合，然后使用擬合出來的模型來預(yù)測(cè)單個(gè)辣椒的質(zhì)量[8]。其中，訓(xùn)練集數(shù)據(jù)為3 200條，測(cè)試集數(shù)據(jù)為800條，測(cè)試集中僅存放每個(gè)樣本的7個(gè)特征參數(shù)。

線性回歸會(huì)出現(xiàn)欠擬合現(xiàn)象，為此，在對(duì)辣椒數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)選用局部加權(quán)線性回歸，允許在估計(jì)時(shí)引入一些偏差，以降低預(yù)測(cè)的均方誤差。局部加權(quán)選用的核函數(shù)為高斯核函數(shù)。高斯核的值過小，會(huì)產(chǎn)生過擬合的現(xiàn)象。經(jīng)多次調(diào)試，選定高斯核的值為10[9]。

在python環(huán)境中使用擬合模型對(duì)測(cè)試集進(jìn)行測(cè)試，打印預(yù)測(cè)的單個(gè)辣椒的質(zhì)量，與原800條數(shù)據(jù)中單個(gè)辣椒的質(zhì)量真值進(jìn)行對(duì)比：若模型預(yù)測(cè)值和真值允許誤差在2 g以內(nèi)則認(rèn)定為1，反之為0，得到模型的準(zhǔn)確率[10]。增大允許誤差，模型準(zhǔn)確率與真值和測(cè)試值最大允許誤差的關(guān)系如表3所示。

表3 誤差范圍與模型準(zhǔn)確率的關(guān)系

觀察表3可知，當(dāng)最大允許誤差為6 g時(shí)，局部加權(quán)線性回歸模型的準(zhǔn)確率已經(jīng)高于90%，說明此預(yù)測(cè)模型較為合理，適用于本系統(tǒng)的辣椒種植生產(chǎn)方案[11]。

2.2 掌上農(nóng)林APP開發(fā)

目前，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展主要依靠改進(jìn)糧食作物品種、使用機(jī)械化設(shè)備等措施，發(fā)展智慧型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向[12]。構(gòu)建轉(zhuǎn)型的智慧農(nóng)業(yè)體系，大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息與生產(chǎn)安全現(xiàn)代化是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)增收的重要方式。開發(fā)智慧型的農(nóng)業(yè)類APP能夠有效管理現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式，幫助農(nóng)民群體深入理解智慧農(nóng)業(yè)[13]。

掌上農(nóng)林APP是根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式需求設(shè)計(jì)開發(fā)的農(nóng)業(yè)APP，主要包括了智能天氣預(yù)報(bào)界面、社區(qū)交流界面、水肥一體化技術(shù)參數(shù)設(shè)定界面，以及歷史管理方案記錄界面。

智能天氣預(yù)報(bào)界面。農(nóng)民具有豐富的農(nóng)業(yè)經(jīng)驗(yàn)。此界面可以幫助農(nóng)民根據(jù)天氣的實(shí)時(shí)變化情況及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)管理方案，如夏日突發(fā)的雷暴天氣前就無須澆水施肥。即農(nóng)民群體控制發(fā)展大方向，依靠智能水肥一體化等智能技術(shù)發(fā)展高品質(zhì)農(nóng)業(yè)模式[14]。

參數(shù)設(shè)定界面。用戶可以設(shè)置溫度、濕度等參數(shù)，APP中嵌入的人工智能算法模型會(huì)生成快速和經(jīng)濟(jì)2種施肥方案，幫助農(nóng)民提高作物產(chǎn)量、節(jié)省成本[15-16]。圖2為用戶在參數(shù)界面設(shè)定參數(shù)后，APP根據(jù)算法模型生成的具體施肥方案界面。

圖2 具體施肥方案的界面

歷史記錄界面。此界面存放30 d內(nèi)用戶選擇的施肥方案記錄。農(nóng)民可以通過查看施肥方案的歷史記錄，有效統(tǒng)計(jì)成本信息和分析施肥方案，同時(shí)整理本地的歷史記錄，以便于不斷更新算法模型。

社區(qū)交流界面。功能完善、界面簡潔的社區(qū)界面對(duì)于農(nóng)民群體具有友好性。用戶可在社區(qū)平臺(tái)上交流農(nóng)業(yè)問題，交換農(nóng)業(yè)種植經(jīng)驗(yàn)。管理員推送現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的相關(guān)文章，分享智能水肥一體化技術(shù)等智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的成功案例。社區(qū)界面在一定程度上增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的趣味性，有助于加快智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展模式走入農(nóng)民生活。

3 小結(jié)

智能水肥一體化技術(shù)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)同現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的新型技術(shù)之一。開發(fā)者在不斷改良灌溉設(shè)備的基礎(chǔ)上與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有機(jī)接軌，綜合運(yùn)用了大數(shù)據(jù)技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中存在的成本問題、效率問題、環(huán)保問題提供了有效的應(yīng)對(duì)策略[17-18]。所闡述的智能水肥一體化技術(shù)方案主要圍繞智慧決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)，幫助用戶科學(xué)決策，達(dá)到了節(jié)能高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)高效的目標(biāo)。