专利名称：在线检测亚磷酸根或硫酸根离子浓度的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无土栽培营养液中亚磷酸根和硫酸根在线检测的虚拟离子电极 方法，属传感技术、智能仪器和设施农业领域。
背景技术：
离子选择电极是一种电化学敏感器件，是一种PVC膜电极，不同性质的膜电极构 成了不同的离子选择电极，可用于检测水溶液中的离子种类及其浓度变化。亚磷酸根和 硫酸根是设施农业无土栽培使用的营养液所含的大量元素，对温室作物的生长起着重要作 用。由于目前材料与制备技术的限制，亚磷酸根和硫酸根(浓度较低，其中营养液中亚磷 酸根的可能范围为16mg/l-47mg/l，硫酸根的可能范围为10mg/l-120mg/l)的检测通常 采用光谱分析法或者实验室电化学无机分析法，精度虽然较高，但是检测周期长，不能在线 检测，而且成本较高。由于这些方法检测结果的滞后性，难以及时为作物补充必要的营养成 分，从而对作物生长的营养平衡造成了损害。
发明内容
本发明为解决在现有的亚磷酸根和硫酸根检测技术中，存在检测周期较长、检测 成本较高、以及无法实现在线检测的问题，提出了一种在线检测亚磷酸根或硫酸根离子浓 度的方法及装置。相应的方法包括根据营养液的组分在待测作物的生长期和生长环境中与pH值和EC值的对应关 系、以及实时检测获得的营养液参数建立营养组分模型；对预定周期内的所述营养液参数的采样结果进行最小二乘支持向量机回归训练， 建立最小二乘支持向量机回归训练模型；根据所述最小二乘支持向量机回归训练模型获得所述待测作物生长过程中任意 时刻的亚磷酸根或硫酸根离子浓度。相应的装置包括参数采集单元，用于根据待测营养液的营养液参数输出相应的电极响应信号；跟踪放大单元，用于对所述电极响应信号进行信号跟踪，并根据所述信号跟踪的 响应范围将所述电极响应信号通过运算放大转换成0-5V标准信号，并输出给模数转换单 元；模数转换单元，用于将所述0-5V标准信号转换成数字信号后输出给微处理单元；微处理单元，用于根据所述数字信号对应的营养液参数、以及所述最小二乘支持 向量机回归训练模型，获得亚磷酸根或硫酸根离子的浓度值。本发明通过建立营养液参数的最小二乘支持向量机回归训练模型，以实现在线估 计10-70mg/l和10-150mg/l范围内的低浓度亚磷酸根和硫酸根成分，具有检测周期较短、 检测成本较低的优点。
图1是本发明的实施例提供的在线检测亚磷酸根或硫酸根离子浓度的方法的流 程示意图；图2是本发明的实施例提供的以亚磷酸根离子为纵轴、以时间为横轴建立的亚磷 酸根离子的真实浓度值与估计浓度值的曲线图；图3是本发明的实施例提供的在线检测亚磷酸根或硫酸根离子浓度的装置的结 构示意图；图4是本发明的实施例提供的以硫酸根离子为纵轴、以时间为横轴建立的硫酸根 离子的真实浓度值与估计浓度值的曲线图。
具体实施例方式本发明的具体实施方式
提供了一种在线检测亚磷酸根或硫酸根离子浓度的方法， 如图1所示，该方法具体可以包括步骤11，根据营养液的组分在待测作物的生长期和生长环境中与pH值和EC值的 对应关系、以及实时检测获得的营养液参数建立营养组分模型。具体的，通过对营养液栽培的作物生长机理实验研究与分析，获得了下述规律(1)、各营养液组分在作物的生长期和生长环境下与pH值(酸碱度)、EC值(电 导)之间保持相对稳定的关系；O)、作物在其生长期内按照一定比例吸收营养液组分(氮、磷、钾的吸收比例约 为1 0.15-0.2 1.7-2.0)，营养液各组分之间保持相对稳定的平衡关系(阴离子和阳离 子的当量和基本相等)，因此，各营养组分之间按照一定比例的关系变化。根据物质平衡原理，作物的养分吸收和营养液浓度的变化关系满足以下公式Xi(t+1) = XiW + δ j(t)其中=Xi (t+1) Ji (t)和δ i (t)分别表示营养液组分i在t+Ι和t时刻的状态，以 及在t时刻的变化量。由于各时刻的变化量SiU)之间存在相对稳定的关系，并且按照一 定的比例关系变化。因此，通过利用能够在线检测的营养液参数包括pH值、EC值，以及钙 例子、钾例子和硝酸根离子的浓度，通过上述营养液参数可以建立包括亚磷酸根和硫酸根 离子浓度与PH值、EC值，以及钙离子、钾离子和硝酸根离子浓度的营养组分模型。步骤12，对预定周期内的营养液参数的采样结果进行最小二乘支持向量机回归训 练，建立最小二乘支持向量机回归训练模型。具体的，最小二乘支持向量机回归训练模型的建立采用小样本的机器学习方法， 即通过最小二乘支持向量机回归予以实现，该机器学习方法具有计算快速、有较强的泛化 能力、能够用较小数量的实验样本进行预测的特点，能够有效减少实验室无机分析的费用。 在建立模型之前，首先进行营养液现场采样，考虑到作物生长缓慢的特点，一般采样间隔可 以选择6小时，采样周期为9天，分别检测样液的pH值、EC值、氮、钾、钙和亚磷酸根的参数 值，或者PH值、EC值、氮、钾、钙和硫酸根的参数值，分别形成亚磷酸根和硫酸根虚拟离子电 极的训练样本，然后进入最小二乘支持向量机回归的训练阶段。具体的最小二乘支持向量机回归模型训练可以通过以下方法建立将预定周期内的营养液参数带入以下公式中
权利要求
1.一种在线检测亚磷酸根或硫酸根离子浓度的方法，其特征在于，包括根据营养液的组分在待测作物的生长期和生长环境中与PH值和EC值的对应关系、以 及实时检测获得的营养液参数建立营养组分模型；对预定周期内的所述营养液参数的采样结果进行最小二乘支持向量机回归训练，建立 最小二乘支持向量机回归训练模型；根据所述最小二乘支持向量机回归训练模型获得所述待测作物生长过程中任意时刻 的亚磷酸根或硫酸根离子浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述营养液参数包括pH值、EC值、钙离 子浓度、钾离子浓度和硝酸根离子浓度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对预定周期内的所述营养液参数的 采样结果进行最小二乘支持向量机回归训练包括将预定周期内的所述营养液参数带入以下公式中
4. 一种基于权利要求1至3任意一项所述方法的在线检测亚磷酸根或硫酸根离子浓度 的装置，其特征在于，包括参数采集单元，用于根据待测营养液的营养液参数输出相应的电极响应信号； 跟踪放大单元，用于对所述电极响应信号进行信号跟踪，并根据所述信号跟踪的响应 范围将所述电极响应信号通过运算放大转换成0-5V标准信号，并输出给模数转换单元；模数转换单元，用于将所述0-5V标准信号转换成数字信号后输出给微处理单元； 微处理单元，用于根据所述数字信号对应的营养液参数、以及所述最小二乘支持向量 机回归训练模型，获得亚磷酸根或硫酸根离子的浓度值。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该装置还包括数据传送单元，用于将所述亚磷酸根或硫酸根离子的浓度值通过网络接口传送至远端 计算机。
全文摘要
本发明提供了一种在线检测亚磷酸根或硫酸根离子浓度的方法及装置，属传感技术、智能仪器和设施农业领域，以解决在现有的亚磷酸根和硫酸根检测技术中，存在检测周期较长、检测成本较高、以及无法实现在线检测的问题。相应的方法包括根据营养液的组分在待测作物的生长期和生长环境中与pH值和EC值的对应关系、以及实时检测获得的营养液参数建立营养组分模型；对预定周期内的营养液参数的采样结果建立最小二乘支持向量机回归训练模型；根据所述最小二乘支持向量机回归训练模型获得待测作物生长过程中任意时刻的亚磷酸根或硫酸根离子浓度。本发明能够实现在线估计10-70mg/l和10-150mg/l范围内的低浓度亚磷酸根和硫酸根成分。
文档编号G06K9/66GK102135516SQ20101061486
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者孙欣欣, 张旭, 徐雅洁, 陈锋 申请人:中国科学技术大学