專利名稱：在線檢測亞磷酸根或硫酸根離子濃度的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無土栽培營養(yǎng)液中亞磷酸根和硫酸根在線檢測的虛擬離子電極 方法，屬傳感技術(shù)、智能儀器和設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
離子選擇電極是一種電化學(xué)敏感器件，是一種PVC膜電極，不同性質(zhì)的膜電極構(gòu) 成了不同的離子選擇電極，可用于檢測水溶液中的離子種類及其濃度變化。亞磷酸根和 硫酸根是設(shè)施農(nóng)業(yè)無土栽培使用的營養(yǎng)液所含的大量元素，對(duì)溫室作物的生長起著重要作 用。由于目前材料與制備技術(shù)的限制，亞磷酸根和硫酸根(濃度較低，其中營養(yǎng)液中亞磷 酸根的可能范圍為16mg/l-47mg/l，硫酸根的可能范圍為10mg/l-120mg/l)的檢測通常 采用光譜分析法或者實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)無機(jī)分析法，精度雖然較高，但是檢測周期長，不能在線 檢測，而且成本較高。由于這些方法檢測結(jié)果的滯后性，難以及時(shí)為作物補(bǔ)充必要的營養(yǎng)成 分，從而對(duì)作物生長的營養(yǎng)平衡造成了損害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決在現(xiàn)有的亞磷酸根和硫酸根檢測技術(shù)中，存在檢測周期較長、檢測 成本較高、以及無法實(shí)現(xiàn)在線檢測的問題，提出了一種在線檢測亞磷酸根或硫酸根離子濃 度的方法及裝置。相應(yīng)的方法包括根據(jù)營養(yǎng)液的組分在待測作物的生長期和生長環(huán)境中與pH值和EC值的對(duì)應(yīng)關(guān) 系、以及實(shí)時(shí)檢測獲得的營養(yǎng)液參數(shù)建立營養(yǎng)組分模型；對(duì)預(yù)定周期內(nèi)的所述營養(yǎng)液參數(shù)的采樣結(jié)果進(jìn)行最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練， 建立最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型；根據(jù)所述最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型獲得所述待測作物生長過程中任意 時(shí)刻的亞磷酸根或硫酸根離子濃度。相應(yīng)的裝置包括參數(shù)采集單元，用于根據(jù)待測營養(yǎng)液的營養(yǎng)液參數(shù)輸出相應(yīng)的電極響應(yīng)信號(hào)；跟蹤放大單元，用于對(duì)所述電極響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)跟蹤，并根據(jù)所述信號(hào)跟蹤的 響應(yīng)范圍將所述電極響應(yīng)信號(hào)通過運(yùn)算放大轉(zhuǎn)換成0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換單 元；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，用于將所述0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸出給微處理單元；微處理單元，用于根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的營養(yǎng)液參數(shù)、以及所述最小二乘支持 向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型，獲得亞磷酸根或硫酸根離子的濃度值。本發(fā)明通過建立營養(yǎng)液參數(shù)的最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型，以實(shí)現(xiàn)在線估 計(jì)10-70mg/l和10-150mg/l范圍內(nèi)的低濃度亞磷酸根和硫酸根成分，具有檢測周期較短、 檢測成本較低的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施例提供的在線檢測亞磷酸根或硫酸根離子濃度的方法的流 程示意圖；圖2是本發(fā)明的實(shí)施例提供的以亞磷酸根離子為縱軸、以時(shí)間為橫軸建立的亞磷 酸根離子的真實(shí)濃度值與估計(jì)濃度值的曲線圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)施例提供的在線檢測亞磷酸根或硫酸根離子濃度的裝置的結(jié) 構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的實(shí)施例提供的以硫酸根離子為縱軸、以時(shí)間為橫軸建立的硫酸根 離子的真實(shí)濃度值與估計(jì)濃度值的曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
提供了一種在線檢測亞磷酸根或硫酸根離子濃度的方法， 如圖1所示，該方法具體可以包括步驟11，根據(jù)營養(yǎng)液的組分在待測作物的生長期和生長環(huán)境中與pH值和EC值的 對(duì)應(yīng)關(guān)系、以及實(shí)時(shí)檢測獲得的營養(yǎng)液參數(shù)建立營養(yǎng)組分模型。具體的，通過對(duì)營養(yǎng)液栽培的作物生長機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究與分析，獲得了下述規(guī)律(1)、各營養(yǎng)液組分在作物的生長期和生長環(huán)境下與pH值(酸堿度)、EC值(電 導(dǎo))之間保持相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)系；O)、作物在其生長期內(nèi)按照一定比例吸收營養(yǎng)液組分(氮、磷、鉀的吸收比例約 為1 0.15-0.2 1.7-2.0)，營養(yǎng)液各組分之間保持相對(duì)穩(wěn)定的平衡關(guān)系(陰離子和陽離 子的當(dāng)量和基本相等)，因此，各營養(yǎng)組分之間按照一定比例的關(guān)系變化。根據(jù)物質(zhì)平衡原理，作物的養(yǎng)分吸收和營養(yǎng)液濃度的變化關(guān)系滿足以下公式Xi(t+1) = XiW + δ j(t)其中=Xi (t+1) Ji (t)和δ i (t)分別表示營養(yǎng)液組分i在t+Ι和t時(shí)刻的狀態(tài)，以 及在t時(shí)刻的變化量。由于各時(shí)刻的變化量SiU)之間存在相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)系，并且按照一 定的比例關(guān)系變化。因此，通過利用能夠在線檢測的營養(yǎng)液參數(shù)包括pH值、EC值，以及鈣 例子、鉀例子和硝酸根離子的濃度，通過上述營養(yǎng)液參數(shù)可以建立包括亞磷酸根和硫酸根 離子濃度與PH值、EC值，以及鈣離子、鉀離子和硝酸根離子濃度的營養(yǎng)組分模型。步驟12，對(duì)預(yù)定周期內(nèi)的營養(yǎng)液參數(shù)的采樣結(jié)果進(jìn)行最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn) 練，建立最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型。具體的，最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型的建立采用小樣本的機(jī)器學(xué)習(xí)方法， 即通過最小二乘支持向量機(jī)回歸予以實(shí)現(xiàn)，該機(jī)器學(xué)習(xí)方法具有計(jì)算快速、有較強(qiáng)的泛化 能力、能夠用較小數(shù)量的實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行預(yù)測的特點(diǎn)，能夠有效減少實(shí)驗(yàn)室無機(jī)分析的費(fèi)用。 在建立模型之前，首先進(jìn)行營養(yǎng)液現(xiàn)場采樣，考慮到作物生長緩慢的特點(diǎn)，一般采樣間隔可 以選擇6小時(shí)，采樣周期為9天，分別檢測樣液的pH值、EC值、氮、鉀、鈣和亞磷酸根的參數(shù) 值，或者PH值、EC值、氮、鉀、鈣和硫酸根的參數(shù)值，分別形成亞磷酸根和硫酸根虛擬離子電 極的訓(xùn)練樣本，然后進(jìn)入最小二乘支持向量機(jī)回歸的訓(xùn)練階段。具體的最小二乘支持向量機(jī)回歸模型訓(xùn)練可以通過以下方法建立將預(yù)定周期內(nèi)的營養(yǎng)液參數(shù)帶入以下公式中
權(quán)利要求
1.一種在線檢測亞磷酸根或硫酸根離子濃度的方法，其特征在于，包括根據(jù)營養(yǎng)液的組分在待測作物的生長期和生長環(huán)境中與PH值和EC值的對(duì)應(yīng)關(guān)系、以 及實(shí)時(shí)檢測獲得的營養(yǎng)液參數(shù)建立營養(yǎng)組分模型；對(duì)預(yù)定周期內(nèi)的所述營養(yǎng)液參數(shù)的采樣結(jié)果進(jìn)行最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練，建立 最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型；根據(jù)所述最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型獲得所述待測作物生長過程中任意時(shí)刻 的亞磷酸根或硫酸根離子濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述營養(yǎng)液參數(shù)包括pH值、EC值、鈣離 子濃度、鉀離子濃度和硝酸根離子濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)預(yù)定周期內(nèi)的所述營養(yǎng)液參數(shù)的 采樣結(jié)果進(jìn)行最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練包括將預(yù)定周期內(nèi)的所述營養(yǎng)液參數(shù)帶入以下公式中
4. 一種基于權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述方法的在線檢測亞磷酸根或硫酸根離子濃度 的裝置，其特征在于，包括參數(shù)采集單元，用于根據(jù)待測營養(yǎng)液的營養(yǎng)液參數(shù)輸出相應(yīng)的電極響應(yīng)信號(hào)； 跟蹤放大單元，用于對(duì)所述電極響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)跟蹤，并根據(jù)所述信號(hào)跟蹤的響應(yīng) 范圍將所述電極響應(yīng)信號(hào)通過運(yùn)算放大轉(zhuǎn)換成0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換單元；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，用于將所述0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸出給微處理單元； 微處理單元，用于根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的營養(yǎng)液參數(shù)、以及所述最小二乘支持向量 機(jī)回歸訓(xùn)練模型，獲得亞磷酸根或硫酸根離子的濃度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括數(shù)據(jù)傳送單元，用于將所述亞磷酸根或硫酸根離子的濃度值通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送至遠(yuǎn)端 計(jì)算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在線檢測亞磷酸根或硫酸根離子濃度的方法及裝置，屬傳感技術(shù)、智能儀器和設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，以解決在現(xiàn)有的亞磷酸根和硫酸根檢測技術(shù)中，存在檢測周期較長、檢測成本較高、以及無法實(shí)現(xiàn)在線檢測的問題。相應(yīng)的方法包括根據(jù)營養(yǎng)液的組分在待測作物的生長期和生長環(huán)境中與pH值和EC值的對(duì)應(yīng)關(guān)系、以及實(shí)時(shí)檢測獲得的營養(yǎng)液參數(shù)建立營養(yǎng)組分模型；對(duì)預(yù)定周期內(nèi)的營養(yǎng)液參數(shù)的采樣結(jié)果建立最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型；根據(jù)所述最小二乘支持向量機(jī)回歸訓(xùn)練模型獲得待測作物生長過程中任意時(shí)刻的亞磷酸根或硫酸根離子濃度。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在線估計(jì)10-70mg/l和10-150mg/l范圍內(nèi)的低濃度亞磷酸根和硫酸根成分。
文檔編號(hào)G06K9/66GK102135516SQ20101061486
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者孫欣欣, 張旭, 徐雅潔, 陳鋒 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)