智能水肥一体化系统设计

成金海，刘畅，陈昭璇，汪石丽，陈洋，熊伟丽b

(江南大学a物联网工程学院，b轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

近年来，很多农村劳动力向城市转移，农村以农业生产为主要工作的人逐渐减少。由于农业生产劳动所得回报相对较低，因此，农村土地转包逐渐成为一种流行模式[1]。对大面积的农田进行科学规划、集中生产，可以达到最大化利用土地资源的目的。

水肥一体化技术适用于大面积种植、集中管理的生产模式。智能水肥一体化是现代物联网技术、大数据技术、自动控制技术和传统农业生产技术等相关技术的深度结合[2]。嵌入式智能设备通过无线传感网络进行控制，自动化设备之间自动组网，管理员通过嵌入式设备采集到的温湿度等实时参数，设置施肥过程参数，实现对水肥一体化系统的远程控制[3]。这种智慧农业模式节能高产，省时省力，易于维护。

1 物联网智能水肥一体化硬件系统

1.1 采集和监控传感器数据

使用以ESP8266为主控芯片[4]的集成板卡。板卡上兼有温湿度传感器、光敏传感器、蜂鸣报警器等传感器，也可外扩增加传感器。板卡体积小，易于封装。定期采集0～5 cm土层的pH值和电导率(EC)，将数据存入本地数据库。

物联网平台选用机智云。在机智云的开发者中心建立WiFi网络方案[5]，添加传感器数据点，设置读写类型和数据类型，设定参数的数据范围，下载SDK后对C文件进行二次开发，修改代码添加功能，如设置阈值报警等。代码修改完成后，使用Cygwin在Windows系统下执行Unix指令生成bin文件，使用ESP Flash Download Tool将bin文件下载到板卡。

用户下载机智云APP，使用热点配置ESP8266集成板卡，配置完成后可以使用移动网络随时随地控制活跃设备。机智云平台提供设备共享功能，用户可以将配置完成的设备共享，以便于多个管理员协同监测，高效管理。用户可以在设备详情中实时查看传感器数据，对水肥一体化系统进行控制管理[6]。

1.2 肥料配比和施用模型——RGB模型

ESP8266集成板卡上的LED彩灯可以通过RGB模型体现出肥料的配比。RGB模型的混合方式类似红绿蓝3盏灯的光相互叠合，色彩相混，从而组成一种特定的颜色。在LED上采用三合一点阵全彩技术，即在一个发光单元里由RGB三色晶片组成全彩像素。运用RGB模型模拟3个施肥罐的进料配比模型，对应关系如表1所示。

表1 模型关系的对照

为了与3通道的阈值保持一致，在机智云上设定数据点参数为0～255。为了充分利用RGB模型空间，将数据点参数范围划分为16类，每类值域为16。假设分配有不同种类的施肥罐，分别为氮罐1号(简记为氮1，以下与之类似)、氮2……依次到钾1、钾2，流速分为2档，则有如表2所示关系。

表2 彩灯成分与施肥方案关系表

图1是水肥管理参数的设定界面，计算机识别颜色代码，得到施肥模式为氮1磷2钾1，流速1档。同时，可以得知3个施肥罐的投料比例为14∶15∶11。此模型具有比较好的拓展性，当对应多种农作物、多个不同类型的施肥罐时，可以重新定义方案区间。

图1 参数设置的界面

2 物联网智能水肥一体化软件系统

2.1 辣椒种植数据处理

对采集到的4 000条辣椒种植管理数据进行处理。数据集中包含温度、湿度、pH值、EC值、流量、流速、肥料浓度等7个特征参数，以及单个辣椒的质量[7]。在python环境下对数据进行处理和拟合，然后使用拟合出来的模型来预测单个辣椒的质量[8]。其中，训练集数据为3 200条，测试集数据为800条，测试集中仅存放每个样本的7个特征参数。

线性回归会出现欠拟合现象，为此，在对辣椒数据进行处理时选用局部加权线性回归，允许在估计时引入一些偏差，以降低预测的均方误差。局部加权选用的核函数为高斯核函数。高斯核的值过小，会产生过拟合的现象。经多次调试，选定高斯核的值为10[9]。

在python环境中使用拟合模型对测试集进行测试，打印预测的单个辣椒的质量，与原800条数据中单个辣椒的质量真值进行对比：若模型预测值和真值允许误差在2 g以内则认定为1，反之为0，得到模型的准确率[10]。增大允许误差，模型准确率与真值和测试值最大允许误差的关系如表3所示。

表3 误差范围与模型准确率的关系

观察表3可知，当最大允许误差为6 g时，局部加权线性回归模型的准确率已经高于90%，说明此预测模型较为合理，适用于本系统的辣椒种植生产方案[11]。

2.2 掌上农林APP开发

目前，我国农业发展主要依靠改进粮食作物品种、使用机械化设备等措施，发展智慧型现代农业模式是我国农业发展的主要方向[12]。构建转型的智慧农业体系，大力发展现代农业，实现农业信息与生产安全现代化是农业高产增收的重要方式。开发智慧型的农业类APP能够有效管理现代农业模式，帮助农民群体深入理解智慧农业[13]。

掌上农林APP是根据现代农业模式需求设计开发的农业APP，主要包括了智能天气预报界面、社区交流界面、水肥一体化技术参数设定界面，以及历史管理方案记录界面。

智能天气预报界面。农民具有丰富的农业经验。此界面可以帮助农民根据天气的实时变化情况及时调整生产管理方案，如夏日突发的雷暴天气前就无须浇水施肥。即农民群体控制发展大方向，依靠智能水肥一体化等智能技术发展高品质农业模式[14]。

参数设定界面。用户可以设置温度、湿度等参数，APP中嵌入的人工智能算法模型会生成快速和经济2种施肥方案，帮助农民提高作物产量、节省成本[15-16]。图2为用户在参数界面设定参数后，APP根据算法模型生成的具体施肥方案界面。

图2 具体施肥方案的界面

历史记录界面。此界面存放30 d内用户选择的施肥方案记录。农民可以通过查看施肥方案的历史记录，有效统计成本信息和分析施肥方案，同时整理本地的历史记录，以便于不断更新算法模型。

社区交流界面。功能完善、界面简洁的社区界面对于农民群体具有友好性。用户可在社区平台上交流农业问题，交换农业种植经验。管理员推送现代农业的相关文章，分享智能水肥一体化技术等智能技术在农业上应用的成功案例。社区界面在一定程度上增加了农业生产过程中的趣味性，有助于加快智慧农业发展模式走入农民生活。

3 小结

智能水肥一体化技术是传统农业同现代物联网技术相结合的新型技术之一。开发者在不断改良灌溉设备的基础上与物联网平台有机接轨，综合运用了大数据技术、无线传感网络技术等物联网核心技术，为传统农业中存在的成本问题、效率问题、环保问题提供了有效的应对策略[17-18]。所阐述的智能水肥一体化技术方案主要围绕智慧决策系统设计，帮助用户科学决策，达到了节能高产、优质高效的目标。