沈麗艷， 馬春龍

（1．上海電力設計院有限公司，上海 200025；2．長春大學光華學院信息工程系，吉林長春 130031）

0 引 言

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)耕作中，對土壤電導率的測量是很有意義的。土壤含有鹽、水、有機質(zhì)等多種成分，這些成分對農(nóng)作物的生長有決定性的作用，它可以通過測量土壤的電導率來分析求得，同時，土壤的電導率與農(nóng)作物的產(chǎn)量和肥料也有很大的聯(lián)系。

測量土壤電導率傳統(tǒng)的方法有兩種：一是在實驗室進行測量；二是在現(xiàn)場進行測量。實驗室測量的步驟是：第一，完成土壤浸提液的制備；第二，對制備好的土壤浸提液測量其電導率，這種方法是用土壤浸提液電導率的變化來描述土壤電導率的變化。這種測量電導率方法的優(yōu)點是精度高，可以把它做為評價土壤電導率的標準。缺點是不方便、過程麻煩，不具備實時性，與現(xiàn)代信息農(nóng)業(yè)要求測量的實時性、快速性不一致。現(xiàn)場進行測量的方法主要有兩種：非接觸式測量和接觸式測量。非接觸式測量的傳感器是利用電磁感應原理來檢測土壤電導率的，接觸式測量則是采用電極式土壤電導率傳感器，這種方法的優(yōu)點是不需要在被測地塊采集待測土壤樣本，一般不需要擾動土壤，測量時不會影響、傷害到農(nóng)作物，在農(nóng)作物生長的各個時間段都能夠?qū)崟r進行土壤電導率的測量，與現(xiàn)代信息農(nóng)業(yè)要求測量的實時性、快速性相統(tǒng)一。

國外測量土壤電導率的常用方法有車載接觸式測量設備，但該設備對土壤電導率的測量時機被局限在農(nóng)作物耕種前，在農(nóng)作物生長的其它時期不能進行測量，而且這樣的設備也不方便在大棚、溫室等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施中應用。

目前，國內(nèi)測量土壤電導率常用的方法是使用便攜式電導率測量儀，對于大面積的土壤測量來說，需要測量很多點，然后求取平均值，這種辦法工作效率低、誤差大，而且數(shù)據(jù)也不能夠?qū)崟r采集。文中根據(jù)多傳感器數(shù)據(jù)融合理論設計了一種新的土壤電導率的測量方法［1－2］。

1 多傳感器土壤數(shù)據(jù)融合結構

多傳感器土壤數(shù)據(jù)融合結構如圖1所示。

圖1 土壤數(shù)據(jù)融合結構

在該結構中，首先對每個傳感器的采集信息進行預處理，各局部處理器分別處理各個傳感器提供的采集信息（即對信息進行放大、模數(shù)轉換以及特征提取），并給出一個關于目標的局部處理信息，然后將局部處理信息結果送到融合中心。融合中心的主要任務就是按照一定的融合算法處理所有局部信息結果，并給出最后的融合結果。

該系統(tǒng)多傳感器信息融合算法采用二級融合方式。一級融合采用單傳感器分批估計融合算法對同一傳感器的n次采集的數(shù)據(jù)進行處理，以使單傳感器獲得較準確的測量結果，二級融合采用自適應加權融合算法對一級融合的結果進行分析計算，這樣，融合計算使土壤電導率測量值更加準確。

2 單個傳感器分批估計融合

2.1 單個傳感器分批估計融合算法

單個傳感器的測量精度對整個檢測系統(tǒng)的性能影響是很大的，故應對單個傳感器采集到的信息進行計算處理。在工業(yè)測量數(shù)據(jù)信息處理工作中，一個參數(shù)可以有多個樣本觀測值，相對于系統(tǒng)的采樣頻率，傳感器采集到的信息通常是緩慢的、呈正態(tài)分布的。將傳感器采集到的等精度電導率數(shù)據(jù)采集的先后順序或者奇偶分成兩個組，由分批估計理論可以獲得測量電導率數(shù)據(jù)的融合值，也就是局部決策值［3］。

2.2 單個傳感器融合值的確定

將單個傳感器的n個測量值x劃分成x11，x12，…，x1k和x21，x22，…，x2m，其中，k＋m＝n，（k，m≥2）。兩組樣本所對應的平均值分別為：

樣品方差分別為：

x的融合值和方差是：

3 自適應加權融合算法

3.1 自適應加權融合算法的基本思想

假設n個傳感器對某一被測對象進行測量，每一個傳感器都有自己的加權因子。為使總均方誤差達到最小，根據(jù)每個傳感器所測得的檢測值采用自適應加權融合算法，計算每個傳感器對應的最優(yōu)加權因子，從而使融合后的測量值達到最優(yōu)。

3.2 確定最優(yōu)加權因子

假設n個傳感器的方差是需要估計的真值是X，各個傳感器的測量值分別是X1，X2，…，Xi，…，Xn，這樣測量值是互相獨立的，各個傳感器的加權因子是W1，W2，…，Wi，…，Wn，那么融合后的X∧值和加權因子滿足以下兩式：

總均方誤差為：

根據(jù)式（9）求總均方誤差σ2的最小值，該最小值是加權因子滿足式（8）約束條件的多元函數(shù)極值。根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，可求出總均方誤差最小時所對應的加權因子［4－6］：

由此求出最小均方誤差為：

也就是說，各個傳感器的權系數(shù)是由它們的測量方差唯一確定的，只要使各個傳感器的權的系數(shù)符合式（10），就可以使總均方誤差σ2達到最小，而且這時：

4 系統(tǒng)的硬件設計

該部分主要由C8051F040單片機系統(tǒng)、GPRS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)等組成。GPRS系統(tǒng)負責將主控中心和C8051F040單片機系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、控制信息進行傳遞。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責采樣現(xiàn)場電導率參數(shù)。把采集到的信號送給C8051F040處理，繼而通過GPRS模塊發(fā)射到主控中心計算機處理，主控中心系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)的融合處理，以及信息的存儲、報表、打印等。數(shù)據(jù)采集控制RTU結構如圖2所示［7－8］。

圖2 數(shù)據(jù)采集控制RTU結構

5 實驗室測試及分析

5.1 測試方法

在實驗室建立10個實驗土槽，用于模擬10塊土壤，每塊土壤上放置一塊數(shù)據(jù)采集RTU。

實驗用的土壤里以均勻、充分攪拌為原則，加入限定量的氯化鉀（KCl），以便于改變被測土壤的電導率。利用電極法測量實驗土壤浸提液的電導率作為標定的依據(jù)。本實驗分別設定土壤的電導率為0．285 0，0．370 0，0．449 0，0．569 0，0．650 0ms·cm－1，這些值都包含在農(nóng)田土壤電導率基本變化區(qū)域0．239 0～0．650 0ms·cm－1內(nèi)，具有一定的代表性［5－6］。根據(jù)我國北方常見農(nóng)作物的生長情況，選擇土壤測量深度為20cm。

采用文中設計的測量方法和用傳統(tǒng)的算術平均值測量方法各測量5次，數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 采用多傳感器數(shù)據(jù)融合方法的測量

表2 采用傳統(tǒng)的算術平均值測量方法的測量值

5.2 結果分析

通過實驗可知，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術的方法計算土壤電導率誤差減小了，因此，可以說比算術平均值測量方法準確，平均絕對誤差和平均相對誤差分別降低了0．010 82%和2．742 08%。

6 結 語

設計了一種測量土壤電導率的新方法，采用二級融合算法測量電導率的值。該計算方法使得土壤電導率的測量精度提高了，誤差減小了，并且能夠?qū)崟r在線測量土壤電導率，可以滿足田地多點測量的要求。

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