智能水肥一體化系統設計

成金海，劉暢，陳昭璇，汪石麗，陳洋，熊偉麗b

(江南大學a物聯網工程學院，b輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

近年來，很多農村勞動力向城市轉移，農村以農業生產為主要工作的人逐漸減少。由于農業生產勞動所得回報相對較低，因此，農村土地轉包逐漸成為一種流行模式[1]。對大面積的農田進行科學規劃、集中生產，可以達到最大化利用土地資源的目的。

水肥一體化技術適用于大面積種植、集中管理的生產模式。智能水肥一體化是現代物聯網技術、大數據技術、自動控制技術和傳統農業生產技術等相關技術的深度結合[2]。嵌入式智能設備通過無線傳感網絡進行控制，自動化設備之間自動組網，管理員通過嵌入式設備采集到的溫濕度等實時參數，設置施肥過程參數，實現對水肥一體化系統的遠程控制[3]。這種智慧農業模式節能高產，省時省力，易于維護。

1 物聯網智能水肥一體化硬件系統

1.1 采集和監控傳感器數據

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、蜂鳴報警器等傳感器，也可外擴增加傳感器。板卡體積小，易于封裝。定期采集0～5 cm土層的pH值和電導率(EC)，將數據存入本地數據庫。

物聯網平臺選用機智云。在機智云的開發者中心建立WiFi網絡方案[5]，添加傳感器數據點，設置讀寫類型和數據類型，設定參數的數據范圍，下載SDK后對C文件進行二次開發，修改代碼添加功能，如設置閾值報警等。代碼修改完成后，使用Cygwin在Windows系統下執行Unix指令生成bin文件，使用ESP Flash Download Tool將bin文件下載到板卡。

用戶下載機智云APP，使用熱點配置ESP8266集成板卡，配置完成后可以使用移動網絡隨時隨地控制活躍設備。機智云平臺提供設備共享功能，用戶可以將配置完成的設備共享，以便于多個管理員協同監測，高效管理。用戶可以在設備詳情中實時查看傳感器數據，對水肥一體化系統進行控制管理[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模型體現出肥料的配比。RGB模型的混合方式類似紅綠藍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上采用三合一點陣全彩技術，即在一個發光單元里由RGB三色晶片組成全彩像素。運用RGB模型模擬3個施肥罐的進料配比模型，對應關系如表1所示。

表1 模型關系的對照

為了與3通道的閾值保持一致，在機智云上設定數據點參數為0～255。為了充分利用RGB模型空間，將數據點參數范圍劃分為16類，每類值域為16。假設分配有不同種類的施肥罐，分別為氮罐1號(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所示關系。

表2 彩燈成分與施肥方案關系表

圖1是水肥管理參數的設定界面，計算機識別顏色代碼，得到施肥模式為氮1磷2鉀1，流速1檔。同時，可以得知3個施肥罐的投料比例為14∶15∶11。此模型具有比較好的拓展性，當對應多種農作物、多個不同類型的施肥罐時，可以重新定義方案區間。

圖1 參數設置的界面

2 物聯網智能水肥一體化軟件系統

2.1 辣椒種植數據處理

對采集到的4 000條辣椒種植管理數據進行處理。數據集中包含溫度、濕度、pH值、EC值、流量、流速、肥料濃度等7個特征參數，以及單個辣椒的質量[7]。在python環境下對數據進行處理和擬合，然后使用擬合出來的模型來預測單個辣椒的質量[8]。其中，訓練集數據為3 200條，測試集數據為800條，測試集中僅存放每個樣本的7個特征參數。

線性回歸會出現欠擬合現象，為此，在對辣椒數據進行處理時選用局部加權線性回歸，允許在估計時引入一些偏差，以降低預測的均方誤差。局部加權選用的核函數為高斯核函數。高斯核的值過小，會產生過擬合的現象。經多次調試，選定高斯核的值為10[9]。

在python環境中使用擬合模型對測試集進行測試，打印預測的單個辣椒的質量，與原800條數據中單個辣椒的質量真值進行對比：若模型預測值和真值允許誤差在2 g以內則認定為1，反之為0，得到模型的準確率[10]。增大允許誤差，模型準確率與真值和測試值最大允許誤差的關系如表3所示。

表3 誤差范圍與模型準確率的關系

觀察表3可知，當最大允許誤差為6 g時，局部加權線性回歸模型的準確率已經高于90%，說明此預測模型較為合理，適用于本系統的辣椒種植生產方案[11]。

2.2 掌上農林APP開發

目前，我國農業發展主要依靠改進糧食作物品種、使用機械化設備等措施，發展智慧型現代農業模式是我國農業發展的主要方向[12]。構建轉型的智慧農業體系，大力發展現代農業，實現農業信息與生產安全現代化是農業高產增收的重要方式。開發智慧型的農業類APP能夠有效管理現代農業模式，幫助農民群體深入理解智慧農業[13]。

掌上農林APP是根據現代農業模式需求設計開發的農業APP，主要包括了智能天氣預報界面、社區交流界面、水肥一體化技術參數設定界面，以及歷史管理方案記錄界面。

智能天氣預報界面。農民具有豐富的農業經驗。此界面可以幫助農民根據天氣的實時變化情況及時調整生產管理方案，如夏日突發的雷暴天氣前就無須澆水施肥。即農民群體控制發展大方向，依靠智能水肥一體化等智能技術發展高品質農業模式[14]。

參數設定界面。用戶可以設置溫度、濕度等參數，APP中嵌入的人工智能算法模型會生成快速和經濟2種施肥方案，幫助農民提高作物產量、節省成本[15-16]。圖2為用戶在參數界面設定參數后，APP根據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內用戶選擇的施肥方案記錄。農民可以通過查看施肥方案的歷史記錄，有效統計成本信息和分析施肥方案，同時整理本地的歷史記錄，以便于不斷更新算法模型。

社區交流界面。功能完善、界面簡潔的社區界面對于農民群體具有友好性。用戶可在社區平臺上交流農業問題，交換農業種植經驗。管理員推送現代農業的相關文章，分享智能水肥一體化技術等智能技術在農業上應用的成功案例。社區界面在一定程度上增加了農業生產過程中的趣味性，有助于加快智慧農業發展模式走入農民生活。

3 小結

智能水肥一體化技術是傳統農業同現代物聯網技術相結合的新型技術之一。開發者在不斷改良灌溉設備的基礎上與物聯網平臺有機接軌，綜合運用了大數據技術、無線傳感網絡技術等物聯網核心技術，為傳統農業中存在的成本問題、效率問題、環保問題提供了有效的應對策略[17-18]。所闡述的智能水肥一體化技術方案主要圍繞智慧決策系統設計，幫助用戶科學決策，達到了節能高產、優質高效的目標。