I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   16 ,   No .   5 ,  Octo b er   20 26 ,   p p .   2 6 5 2 ~ 2 6 6 3   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 16 i 5 . pp 2 6 5 2 - 2 6 6 3           2652       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   An arti ficial int ell ig ence - ba sed s tacking  ensemble  f ra mewo rk  for sma rt  ir rig a tion pump  cont ro l  using  Io T sens o r data       Sa rr a   G o ura ri 1, 2 ,   Wa f a   Dif a l la h 2, 3 ,   B elk a ce m   Dr a o ui 3   1 La b o r a t o r y   o f   I n f o r ma t i o n   P r o c e ss i n g   a n d   T e l e c o mm u n i c a t i o n   ( L TI T) ,   D e p a r t m e n t   o f   M a t h e ma t i c s  a n d   C o mp u t e r   S c i e n c e ,     F a c u l t y   o f   E x a c t   S c i e n c e s ,   T a h r i   M o h a mm e d   U n i v e r si t y   o f   B e c h a r ,   B e c h a r ,   A l g e r i a   2 I n n o v a t i o n   i n   I n f o r ma t i c s  a n d   E n g i n e e r i n g   La b o r a t o r y   ( I N I E  LA B ) ,   D e p a r t men t   o f   M a t h e ma t i c s   a n d   C o m p u t e r   S c i e n c e ,     F a c u l t y   o f   E x a c t   S c i e n c e s ,   T a h r i   M o h a me d   U n i v e r si t y ,   B e c h a r ,   A l g e r i a   3 L a b o r a t o r y   o f   E n e r g e t i c   i n   A r i d   Z o n e s ( EN E R G A R I D ) ,   F a c u l t y   o f   T e c h n o l o g y ,   T a h r i   M o h a mm e d   U n i v e r s i t y   o f   B e c h a r ,   B e c h a r ,   A l g e r i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ap r   3 0 ,   2 0 2 6   R ev is ed   Au g   1 3 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Au g   1 9 ,   2 0 2 6       Eff icie n t  wa ter  m a n a g e m e n t   i s  e ss e n ti a l  fo r   su sta in a b le  a g ricu lt u ra l  p ro d u c ti o n ,   p a rti c u larl y   in   a ri d   a n d   se m i - a rid   re g i o n s  wh e re   wa ter  re so u rc e s  a re   li m it e d .   M a c h in e - lea rn i n g - b a se d   irri g a ti o n   s y ste m s  c a n   su p p o rt   a u to m a ted   p u m p - o p e ra ti o n   d e c isio n s  u si n g   e n v ir o n m e n tal  a n d   so il - re late d   se n so r  d a ta.  H o we v e r,   m o st  p re v io u s  stu d ies   h a v e   f o c u se d   o n   i n d i v id u a l  m a c h in e - lea rn in g   m o d e ls,   wh il e   th e   a p p l ica ti o n   o f  sta c k e d   e n s e m b les   to   b in a ry   irri g a ti o n   p u m p - sta tu s  p re d ictio n   re m a in s  re lati v e ly   li m it e d .   Th is   stu d y   p r o p o se s  a   sta c k in g - b a se d   fra m e wo rk   fo r  p re d icti n g   irri g a t io n   p u m p   o p e ra ti o n   in   a n   ON /OF F   c las sifica ti o n   se tt in g .   T h e   fra m e w o rk   u se s   e n v iro n m e n tal   a n d   so i l - re late d   v a riab les ,   in c l u d i n g   so i l   m o ist u re ,   tem p e ra tu re ,   h u m id it y ,   a n d   a   n u m e rica l  ti m e - re late d   fe a tu re .   Ra n d o m   f o re st   (RF ) ,  e x trem e   g ra d ien t  b o o sti n g   ( XG Bo o st ) ,   a n d   m u lt il a y e r  p e rc e p tro n   m o d e ls  we re   train e d   a s  b a se   lea rn e rs,  a n d   th e ir  o u t - of - fo ld   (OO F )   p re d ictio n s  we re   c o m b i n e d   u sin g   a   lo g isti c - re g re ss io n   m e ta - lea rn e r.   Th e   m o d e ls  we re   e v a lu a ted   o n   a   h e ld - o u t  tes t  se t  u sin g   a c c u ra c y ,   p re c isio n ,   re c a ll ,   sp e c ifi c it y ,   a n d   F 1 - sc o re .   Th e   i n d i v i d u a l   m o d e ls   a c h iev e d   a c c u ra c ie s   ra n g in g   fr o m   9 7 . 3 4 %   to   9 9 . 9 5 % ,   with   XG Bo o st   p ro v id i n g   th e   b e st   in d i v id u a l  p e rfo rm a n c e .   T h e   p ro p o se d   sta c k in g   e n se m b le  a c h ie v e d   9 9 . 9 7 %   a c c u ra c y ,   9 9 . 9 4 %   p re c isio n ,   1 0 0 . 0 0 %   re c a ll ,   9 9 . 9 4 %   sp e c ifi c it y ,   a n d   a   9 9 . 9 7 %   F 1 - sc o re .   C o m p a re d   wit h   XG Bo o st ,   th e   e n se m b le  fu rth e r  re fin e d   p re d ictiv e   p e rf o rm a n c e ,   imp ro v i n g   a c c u ra c y   b y   0 . 0 2   p e rc e n tag e   p o i n ts  a n d   F1 - sc o re   b y   0 . 0 1   p e rc e n tag e   p o in ts  wh il e   a c h ie v in g   c o m p lete   e li m in a ti o n   o f   fa lse   n e g a ti v e s  ( 1 0 0 . 0 0 %   re c a ll ).   Th e se   re su lt s  d e m o n stra te  t h e   p o ten ti a l   o f  sta c k e d   e n se m b le  lea rn i n g   to   imp ro v e   b in a r y   p u m p - o p e ra ti o n   p re d i c ti o n   a n d   su p p o rt  d a ta - d ri v e n   irri g a ti o n   m a n a g e m e n t  in   wa ter - li m it e d   e n v iro n m e n ts.   K ey w o r d s :   Ma ch in e  lear n in g   R an d o m   f o r est   Sm ar t ir r ig atio n   Stack in g   en s em b le   XGBo o s t   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Sar r a  Go u r ar i   Dep ar tm en t o f   Ma th   an d   C o m p u ter   Scien ce s ,   Facu lty   o f   E x a ct  Scien ce s ,   T ah r i M o h am e d   Un iv er s ity   Deb d ab a  R o ad ,   B ec h ar   0 8 0 0 0 ,   Alg er ia   E m ail:  g o u r ar i.sar r a@ u n iv - b e ch ar . d z       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  f o u n d atio n   o f   s u s tain ab le  d ev elo p m e n t  an d   g lo b al  f o o d   s ec u r ity   co n tin u es  to   b e  a g r icu ltu r e.   I t  is   a  v ital  s ec to r   t h at  d ir ec tly   im p ac ts   f o o d   s ec u r ity   an d   s u s tain ab le  d e v elo p m e n t.  Ho we v er ,   d u e   to   p o p u latio n   ex p an s io n   an d   clim ate  c h an g e,   in d u s tr y   is   e x p er ien ci n g   a  r is in g   s h o r tag e   o f   wate r .   T h is   h as  m a d e  e f f icien t   ir r ig atio n   m a n ag em e n t  a  cr iti ca l  p r io r ity   a n d   a   p r ess in g   g l o b al  ch allen g e  [ 1 ] .   As  a  r esu lt,   th er e  is   a  g r o win g   n ee d   f o r   s m ar t ir r ig atio n   s y s tem s   th at  in co r p o r ate  m o d e r n   s e n s o r   tech n o l o g y   a n d   d ata - d r iv en   d ec is io n - m ak i n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A n   a r tifi cia l in tellig en ce - b a s ed   s ta ck in g   en s emb le  fr a mewo r k  fo r   s ma r t i r r ig a tio n   …  ( S a r r a   Go u r a r i )   2653   tech n iq u es  [ 2 ] .   R ec en t   d ev el o p m en ts   in   th e  I n ter n et   o f   T h in g s   ( I o T )   h av e   m ad e   it  f e asib le  f o r   l o w - co s t  s en s o r s   to   co n tin u o u s ly   m o n ito r   im p o r tan t  en v ir o n m e n tal  p a r am eter s ,   s u ch   as  tem p er atu r e,   h u m id ity ,   an d   s o il   m o is tu r e;  th is ,   alo n g   with   th e  in cr ea s in g   av ailab ilit y   o f   m ac h in e  lear n in g   ( ML )   tec h n iq u e s ,   h as  en ab led   d ata - d r iv en   d ec is io n - m a k in g   in   ir r ig atio n   s y s tem s ,   wh ich   h as  r esu lted   in   q u an tifia b le  i n cr ea s es  in   en er g y   an d   wate r   ef f icien cy   [ 3 ] .   Nu m er o u s   d o m ain s ,   in clu d i n g   in tr u s i o n   d etec tio n   a n d   p o wer   co n s u m p tio n   p r ed ictio n ,   an d   m ac h in e  lear n i n g ,   h a v e  b ee n   wid ely   u s ed   to   ass es s   an d   f o r ec ast  cr o p   wate r   r eq u ir e m e n ts   an d   s ch ed u lin g .   Ma n y   ac ad em ics  h av e  tak e n   an   in ter est  in   en s em b le  lear n i n g   m eth o d o lo g ies,  wh ich   ar e  ex ten s iv ely   u s ed   to   p r ed ict  th e   q u an tity   o f   wate r   n ee d ed   to   im p r o v e  m o d elin g   ac cu r ac y   [ 4 ] .   T h e  i d ea   o f   e n s em b le  lear n i n g   is   t o   co m b in e  m an y   s im p le  m o d e ls   ( wea k   lear n er s )   i n to   a  n e w  m o d el  ( s tr o n g   lea r n er )   in   o r d e r   to   im p r o v e  p r ed ictio n   r esu lts ,   m in im ize   d iv er g en ce ,   o r   d ec r ea s e  v a r ian ce .   T h e  th r ee   m ain   ca te g o r ies  o f   en s em b le  lear n in g   tech n iq u es a r e  s tack i n g ,   b o o s tin g ,   a n d   b a g g in g   [ 5 ] .   Ma n y   s tu d ies  ar e  b ein g   co n d u cted   o n   th e  i n co r p o r atio n   o f   I o T   a n d   AI   in to   s m ar t  ag r ic u ltu r e.   T h is   s ec tio n   co v er s   s o m e   o f   th e  m o s t  s ig n if ican t  cu r r e n t  s tu d ies  in   th is   ar ea .   T h e  au t h o r s   in   [ 6 ]   s u g g est  a  s y s tem   th at  m o n ito r s   tem p er atu r e   an d   wate r   ev ap o r atio n   r ates  u s in g   tem p e r atu r e  g au g es  an d   s en s o r s ,   an d   d etec ts   ex ce s s   wate r .   I n   [ 7 ] ,   th e  au th o r s   u s ed   clo u d   co m p u tin g   an d   I o T   to   o p tim ize  wate r   m an ag e m en t  in   ag r icu ltu r e,   in teg r atin g   a n   E SP 3 2   with   DHT 2 2 ,   m o is tu r e,   an d   s en s o r s   f o r   m o n ito r in g   wate r   lev e ls   in   r ea l  tim e  f o r   ir r ig atio n .   B astam   et  a l.   [ 8 ]   d ev elo p e d   a  h ig h - ac cu r ac y   ir r ig atio n   m o d el  u tili zin g   a  cu ttin g - ed g e  m ac h in e   lear n in g   tech n i q u e.   T h eir   h y b r id   en s em b le  ap p r o ac h   o u tp e r f o r m e d   s o lo   m o d els  to   attai n   9 9 %  ac cu r ac y   in   d y n am ically   f o r ec asti n g   cr o p   wate r   d em an d s   b y   co m b in in g   s tack in g   an d   a  d ec is io n   tr ee   v o tin g   lay er .   I n   o r d e r   to   f o r ec ast  cr o p   wate r   r eq u ir e m en ts ,   r eg r ess io n - b ased   ir r ig a tio n   s y s tem s   u s e  p ast  d ata  f r o m   s o il,  p lan t,   an d   clim ate  s en s o r s .   T h e  au th o r s   also   d is clo s ed   th at  a  th o r o u g h   an aly s is   o f   th e   ass o ciate d   v ar iab les  is   n ec ess ar y ,   as is   th e  cr ea tio n   o f   a  tr u s two r th y   m o d el  f o r   ac cu r ately   ca lc u latin g   th e  wate r   d em a n d   [ 9 ] .   I n   o r d e r   to   o v e r co m e  th e  d r a wb ac k s   o f   s in g le - m o d el  tech n iq u es  in   d iv er s e  ag r ic u ltu r al   co n tex ts ,   r esear ch er s   h av e  m o r e  r ec e n tly   lo o k ed   at  h y b r id   an d   en s e m b le  ap p r o ac h es.  Fo r   in s tan ce ,   u s in g   an   Ar d u in o   UNO  an d   No d eM C U  to   lev er ag e  E d g e  C o m p u tin g ,   a  two - p h ase  I o T - en ab le d   ir r ig atio n   s y s tem   r ed u ce d   wate r   u s e  b y   2 5 %,  in cr ea s ed   cr o p   o u tp u t b y   1 8 %,  an d   im p r o v ed   en er g y   ef f icien cy   b y   3 5 %  [ 1 0 ] .   E s m ail  et  a l.   [ 1 1 ]   d ev elo p e d   an   au t o m ated   ir r ig atio n   s y s t em   th at  u s es  m ac h in e   lear n in g   an d   I o T   s en s o r s   to   en h an ce   ir r ig atio n   s ch ed u lin g .   R ea l - tim e  d ata  was  g ath er ed   b y   s en s o r s ,   s u ch   as  am b ien t  an d   s o il  m o is tu r e  s en s o r s ,   an d   p r ep r o ce s s ed   b ef o r e  b ein g   in p u t  in to   m ac h in e  lear n in g   m o d els  lik e  s u p p o r t  v ec to r   m ac h in es  ( SVM) ,   lo g is tic  r eg r ess io n ,   an d   d ec is io n   tr ee s .   W ith   an   ac cu r ac y   o f   8 9 . 6 8 % ,   th e  d ec is io n   tr ee   m o d el  f ar ed   b etter   th an   th e  o t h er s .   B en za o u ia   et  a l.   in   [ 1 2 ]   cr ea ted   a   Sm ar tTe ch - Ag r i  g a d g et  th at  u s es  th e  I o T   to   tr ac k   air   tem p er atu r e,   s o il  m o is tu r e,   h u m id ity ,   s m o k e  d e tectio n ,   an d   an im al  b eh av io r   i n   ag r icu ltu r al  ar ea s ,   r ed u cin g   la b o r   c o s ts   an d   wate r   waste.   I n   co m p ar is o n   to   th e  s u g g ested   f r am ewo r k ,   th is   wo r k ' s   s ca lab il ity   an d   p r ec is io n   ar e  lim ited   b y   its   ab s en ce   o f   s o p h is ticated   m u l ti - s en s o r   d ata  p r e d ictio n   o f   i r r ig atio n   b ased   o n   m ac h in e  lear n in g ,   as we ll a s   en er g y - s av i n g   f ea t u r es in clu d in g   lo w - p o wer   m o d es a n d   d y n a m ic  th r esh o ld s .   M a j u m d a r   e t   a l .   [ 1 3 ]   p r e s e n te d   a   h y b r i d   p r e d i c t i o n   f r a m e w o r k   t h a t   i m p r o v e s   t h e   es t i m a t e   o f   s o i l  m o i s t u r e   a n d   e v a p o t r a n s p i r a tio n   a t   v a r i o u s   p h a s e s   o f   r i c e   g r o w t h   b y   c o m b i n i n g   e n s e m b l e   m a c h i n e   l e a r n i n g   t e c h n i q u e s   wi t h   a   s a l p   s wa r m - b a s e d   f e a t u r e   o p t i m i za t io n   a p p r o a c h .   T h e i r   s t r a t e g y   e n h a n c e s   m o d e l  d e p e n d a b i l i t y   a n d   p r e d i c ti v e  p e r f o r m a n c e   b y   f i n e - t u n i n g   t h e   s e le c t i o n   o f   i m p o r t an t   a g r o n o m i c   a n d   e n v i r o n m e n t a l   v a r i a b l es ,   d e m o n s t r a t i n g   t h e   p r o m i s e   o f   i n te g r a t i n g   o p t i m i z a ti o n   t e c h n i q u e s   w i t h   e n s e m b l e  l e a r n i n g   f o r   m o r e   p r e c i s e   i r r ig a t i o n - r e l a t e d   f o r e c as t i n g .   R u b o   a n d   Z i n k e r n a g e l   [ 1 4 ]   c r e a t e d   n e u r a l   n e t w o r k   m o d e l s   t o   f o r e c as t   a v ai l a b l e  wa t e r   c a p a c it y   f o r   i r r i g a ti o n   s c h ed u l i n g ,   i n c o r p o r a t i n g   a   m u l t il ay e r   p e r c e p t r o n   a n d   a   l o n g   s h o r t - t e r m   m e m o r y .   T h e i r   m e t h o d ,   w h i c h   w a s   b a s e d   o n   e n s e m b l e   m o d e l i n g   a n d   t r a n s f e r   l e a r n i n g   f r o m   m u l t i - l o c a ti o n   d a t a ,   p r o d u c e d   g o o d   a c c u r a c y   ( R ²   >   0 . 9 8 ,   R MS E   <   1 . 5 % )   a n d   d e m o n s t r a te d   t h e   s i g n i f i c a n c e  o f   t e m p o r a l   d y n a m i c s   i n   s o il   m o i s t u r e   p r e d i c t i o n .   K a n n a n   e t   a l .   [ 1 5 ]   s u g g e s t e d   a   s t a c k e d   e n s em b l e   m o d e l - b a s e d   s m a r t   w a t e r   m a n a g e m e n t  p a r ad i g m   f o r   a g r i c u l t u r al   i r r i g a t i o n   b a s e d   o n   m a c h i n e  l e a r n i n g .   M a j u m d a r   e t  a l .   [ 1 6 ]   d e v e l o p e d   a   m a c h i n e   l e a r n i n g - b a s e d   m e t h o d   t o   f o r e c a s t   r i c e' s   r e q u i r e m e n t s   f o r   f e r t i l i z e r   a n d   i r r i g a t i o n   w a t e r   a t  d i f f e r e n t   s t a g es   o f   d e v e l o p m e n t .   T h e i r   a p p r o a c h   e n h a n c e s   p r e d i c t i o n   a c c u r a c y   a n d   f a c i l it a t es   i m p r o v e d   a g r i c u l t u r a l   i n p u t   m a n a g e m e n t  b y   f u s i n g   r a n d o m   f o r e s t   ( R F )   w i t h   a   B a y e s i a n   g e n e ti c   o p t im i z a t i o n   t e c h n i q u e .   T h i s   m i g h t   l ea d   t o   i n c r e as e d   p r o d u c t i o n   a n d   m o r e   e f f e c t i v e   u s e   o f   r e s o u r c e s .   I n y a n g   e t   a l .   [ 1 7 ]   e x a m i n e d   t h e    k - n e a r e s t   n e i g h b o r s   ( K NN ) ,  SV M ,  e x t r e m e   g r a d i e n t   b o o s ti n g   ( X G B o o s t ) ,   a n d   RF   m a c h i n e  l e a r n i n g   m o d e l s   f o r   t h e   c l as s i f i c a ti o n   o f   i r r i g a t i o n   m e t h o d s   ( o v e r h e a d ,   s u r f a c e ,   an d   p r e c i s i o n )   u s i n g   a n   a g r i c u l tu r a l   d a t a s et   o b t a i n e d   f r o m   K a g g l e .   W it h   a n   a c c u r ac y   o f   8 6 %   a n d   a   K a p p a   s c o r e   o f   0 . 7 9 ,   t h e i r   f i n d i n g s   s h o w e d   t h a t  e n s e m b l e  a p p r o a c h e s ,   i n   p a r ti c u l a r ,   XGB o o s t ,   p e r f o r m e d   b e t t e r   t h a n   s i n g l e   t e c h n i q u es ,   s u cc e s s f u l l y   m a n a g i n g   t h e   d a t a' s   non - l i n e a r   c o r r e l a ti o n s   m o s t   p r e v i o u s   s t u d i e s   h a v e   f o c u s e d   o n   s i n g l e  m o d e l s   o r   t r a d it i o n a l   e n s e m b l e   m e t h o d s ,   a n d   e v e n   t h e   s t a c k i n g - b a s e d   s tu d i e s   a m o n g   t h e m   [ 8 ] ,  [ 1 3 ] ,  [ 1 5 ]   g e n e r a l l y   s u f f e r   f r o m   tw o   im p o r t a n t   l i m it a t i o n s .   F i r s t ,   t h e y   e v al u a t e   t h e   c o n t r i b u t i o n   o f   i n d i v i d u a l   b as e   l ea r n er s   i n   is o l at i o n ,   w it h o u t   q u a n t i f y i n g   h o w   m u c h   t h e   b a s e   l e a r n e r s   a ct u a l l y   d is a g r e e   w i t h   o n e   a n o t h e r   o n   t h e   te s t  s e t   —   a n d   t h e r e f o r e   w h e t h e r   t h e   r e p o r t e d   a c c u r a c y   g a i n   r e f l e c ts   g e n u i n e  c o m p le m e n t a r y   i n f o r m a t i o n   o r   i s   s i m p l y   a n   a v e r a g i n g   e f f e ct   o v e r   n e a r - i d e n t i c a l  p r e d i c t i o n s .   Se c o n d ,   d e p l o y m e n t   f e a s i b il i t y   is   r a r e l y   a d d r e s s e d   q u a n t i t a ti v e l y :   i n f e r e n ce   l a t e n c y ,   m e m o r y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   5 ,   Octo b e r   20 26 :   2 6 5 2 - 2 6 6 3   2654   f o o t p r i n t ,   a n d   m o d e l   c o m p l e x i t y   a r e   s e l d o m   r e p o r t e d ,   e v e n   t h o u g h   t h e s e   f a c t o r s   a r e   e s s e n tia l   f o r   j u s t i f y i n g   a n   e n s e m b l e' s   s u i t a b il i t y   f o r   r e a l - t i m e   I o T - b a s e d   i r r i g a t i o n   c o n tr o l   o n   r e s o u r c e - c o n s t r a i n e d   e d g e   h a r d w a r e .   T h is   o b s e r v a t i o n   h i g h l i g h t s   a   g a p   i n   t h e   r e s e a r c h   l i te r a t u r e ,   w h i c h   t h e   p r e s e n t   s t u d y   a d d r e s s es   t h r o u g h   t h e   c o n t r i b u t i o n s   s u m m a r i z e d .   Giv en   th e   ef f ec tiv en ess   o f   th e s e  en s em b le  lear n i n g   s tr ateg ie s   in   im p r o v in g   p r ed ictiv e  p er f o r m an ce ,   th is   s tu d y   b u ild s   u p o n   th ese  co n ce p ts   to   ad d r ess   ir r ig atio n   m an ag em en t  c h allen g es.  T h e  p r im ar y   o b jectiv e  o f   th is   p r o ject  is   to   cr ea te  an   i n tellig en t  ir r ig atio n   d ec is io n - s u p p o r t  s y s tem   th at  ca n   p r e d ict  p u m p   o p er atio n   ( ON/OFF)  b ased   o n   en v ir o n m en tal  an d   s o il sen s o r   d ata.   T h e   p r ed ictio n s   f r o m   RF ,   XGBo o s t,  an d   Mu lti - L ay er   Per ce p tr o n s   ar e  m e r g ed   an d   u s ed   as  a  m eta - lear n er ' s   in p u t  ch ar ac ter is tics   ( L o g is tic  R eg r ess io n )   as  p ar t  o f   a   s tack in g   en s em b le  m eth o d .   I n s t e a d   o f   d e p e n d i n g   o n   a   s i n g l e   m o d el ,   t h i s   m e t h o d   m a k e s   u s e   o f   t h e  c o m p l e m e n t a r y   c a p a b il i ti e s   o f   b a s e  l e a r n e r s   t o   i n c r e as e   th e   g e n e r a l i z at i o n   a n d   r o b u s t n e s s   o f   p u m p   s t a t u s   p r e d i c t i o n .   I n   a d d i t i o n ,   f e a t u r e   i m p o r t a n c e   a n a l y s i s   a n d   f e a t u r e   s e l e ct i o n   m e t h o d s   a r e   e m p l o y e d   t o   h i g h l i g h t   t h e   m o s t   i n f l u e n ti a l   v a r i a b l e s   a n d   im p r o v e   i n t e r p r e t a b i l it y .   T h e   m a i n   c o n t r i b u t i o n s   o f   t h i s   s t u d y   a r e   s u m m a r i z e d   as :   a.   A  s tack in g   en s em b le  co m b in i n g   RF ,   XGBo o s t,  an d   a  m u ltil ay er   p er ce p tr o n   is   p r o p o s ed   a n d   ev alu ated   f o r   b in ar y   ir r ig atio n   p u m p - s tatu s   ( ON/OFF)  p r ed ictio n ,   a  t ask   f o r   wh ic h   s tack ed   e n s em b les  r em ain   co m p ar ativ ely   u n d e r - ex p lo r ed   r elativ e  to   s in g le - m o d el  ap p r o ac h es.   b.   A  d ep lo y m en t - o r ien ted   ev alu atio n   is   p r o v id ed ,   r ep o r tin g   p er - m o d el  in f er en ce   laten cy ,   th r o u g h p u t,  an d   s er ialized   m em o r y   f o o tp r in t,  t o   ass ess   f ea s ib ilit y   f o r   I o T /ed g e  d ep lo y m en t  r ath e r   th an   r e p o r tin g   p r e d ictiv e  ac cu r ac y   alo n e.   c.   T h e  p er f o r m an ce   g ain   o f   th e  s tack in g   en s em b le  is   ex p l ain ed   m ec h an is tically   th r o u g h   a  b ase - lear n er   p r ed ictio n - a g r ee m en t  an al y s is ,   q u an tify in g   h o w  m u ch   c o m p lem en tar y   in f o r m atio n   t h e  m eta - lear n er   ex p lo its ,   r ath er   th a n   r e p o r tin g   th e  ag g r e g ate  ac cu r ac y   im p r o v em en t a lo n e .   d.   An   ex p an d e d   Sh ap ley   ad d it iv e  ex p lan atio n s   ( SHAP ) - b a s ed   in ter p r etab ilit y   an aly s is   is   co n d u cted ,   co m b in in g   g lo b al  f ea tu r e  im p o r tan ce ,   d ir ec tio n - of - ef f e ct  ( b ee s war m )   v is u aliza tio n ,   an d   f ea tu r e - d ep en d e n ce   p lo ts ,   lin k i n g   m o d el  b eh av io u r   to   p h y s ically   p la u s ib le  ir r ig atio n   tr ig g er s .   T h e  s u g g ested   tech n iq u e,   in c lu d in g   d ata  p r etr ea tm en t,  m o d el  b u ild in g ,   a n d   ass ess m en t  cr iter ia,   is   ex p lain ed   i n   s ec tio n   2 .   T h e  o u tco m es  o f   th e  e x p er im e n t  ar e  r ep o r ted   a n d   d is cu s s ed   in   s ec tio n   3 .   T h e   p ap er ' s   k ey   co n clu s io n s   ar e  s u m m ar iz ed   in   s ec tio n   4 .       2.   M E T H O D    T h e  p r o p o s ed   a r ch itectu r e  wa s   d esig n ed   to   s u p p o r t  in tellig e n t  ir r ig atio n   c o n tr o l  b y   p r ed ic tin g   p u m p   o p er atio n   s tates  ( ON/OFF)  u s in g   s en s o r - b ased   en v ir o n m en t al  d ata ,  as  illu s tr ated   in   Fig u r e  1 .   T h e   wo r k f lo w  b eg in s   with   d ata  p r ep r o ce s s in g ,   wh er e  r aw  m ea s u r em e n ts   s u ch   as  s o il  m o is tu r e,   te m p er a tu r e,   an d   h u m id ity   ar e  p r ep ar e d   b ef o r e  m o d el  tr a in in g .   T h r ee   d is tin ct  m ac h in e  lear n in g   m o d els — RF ,   XGBo o s t,  an d   m u ltil ay er   p er ce p tr o n   ( MLP ) — wer e   em p lo y ed   as  b ase  lear n er s   d u e   to   th eir   ab ilit y   to   ca p tu r e  i n tr icate ,   n o n - lin ea r   p atter n s   in   ir r ig atio n   d ata.   T h e  d ataset  was  th en   s p lit  in to   8 0 %  f o r   tr ai n in g   a n d   2 0 %  f o r   t esti n g .   T o   im p r o v e   p r ed ictio n   p e r f o r m an ce   an d   r ed u ce   o v e r f itti n g ,   o u t - of - f o l d   ( OOF )   s tack in g   was  ap p lied   to   co m b in e  th e   o u tp u ts   o f   th e  b ase  m o d els.  T h e  g en e r ated   p r ed ictio n s   w er e  s u b s eq u en tly   u s ed   as  in p u ts   f o r   a  L o g is tic  R eg r ess io n   m o d el  ac tin g   as  t h e  m eta - lear n e r .   Fin ally ,   th e  s u g g ested   f r am ew o r k   was  ass ess ed   u s in g   s ev er al   p er f o r m an ce   cr iter ia,   i n clu d in g   F1 - s co r e ,   ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec all,   r ec eiv e r   o p er atin g   c h ar ac ter is tic   ( R OC )   an aly s is ,   an d   co n f u s io n   m atr i x   ev alu atio n ,   t o   d eter m i n e  th e  f i n al  p u m p   ON/OFF p r ed ictio n   p er f o r m an ce .           Fig u r e  1 .   A r c h itectu r e  o f   th e  p r o p o s ed   s tack in g - b ased   e n s em b le  f r am ewo r k   f o r   s m ar t ir r ig a tio n   p u m p   co n tr o l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A n   a r tifi cia l in tellig en ce - b a s ed   s ta ck in g   en s emb le  fr a mewo r k  fo r   s ma r t i r r ig a tio n   …  ( S a r r a   Go u r a r i )   2655   2 . 1 .     Da t a s et   des cr iptio n a nd   pre - pro ce s s ing   T h e  d a tase t  u s e d   i n   t h is   s t u d y   was   o b t ai n e d   f r o m   t h e   p u b lis h e d   wo r k   in   [ 1 8 ] ,   b ase d   o n   th e  p u b l icl y   av ail ab le   s m a r t   i r r ig ati o n   d at aset   o r ig in all y   i n t r o d u ce d   b y   M itta l   [ 1 9 ]   a n d   s u p p le m e n t ed   w it h   d ata   f r o m   Kag g l e.   I t   co m p r is es   a p p r o x i m at el y   9 9 , 7 9 9   s a m p les   ( a f t er   r em o v i n g   2 0 1   d u p lic at e  r ec o r d s )   c o ll ec t e d   f r o m   a n   I o T - b ase d   s m a r t  ir r i g a ti o n   s y s t em ,   e ac h   d es cr ib e d   b y   f o u r   s e n s o r - d e r i v e d   att r i b u tes : s o il   m o i s tu r e ,   t em p e r at u r e,   h u m i d i ty ,   a n d   a  n u m er ica l  tim e  a tt r i b u te .   T h e   ti m e   at tr ib u t e  r e p r ese n ts   a   d is c r e te   l o g g in g   i n d e x   r a th er   t h an   a   ch r o n o l o g i ca l   ti m es ta m p ;  ac c o r d i n g l y ,   i t  w as  e n c o d e d   u s i n g   s i n e - co s in e  ( c y cli ca l )   tr a n s f o r m at io n   i n t o   tw o   d e r i v e d   f ea t u r es ,   d en o t e d   _    a n d   _  ,   t o   p r ese r v e   its   p e r i o d ic   n atu r e;  th ese   tw o   v a r ia b l es  ar e  r e f e r e n c e d   d ir ec t ly   b y   n a m e   i n   t h e   S HAP   i n t er p r et a b ili ty   a n al y s is   ( s ec ti o n   3 . 3 ) .   T h e   d a ta s et   was   tr ea t e d   as   a  s tan d ar d   t ab u l ar   class if ica ti o n   p r o b l em   r at h er   t h an   a  ti m e   s e r ies.   T h e   d at aset   c o n t ai n s   n o   m is s in g   v al u es .   T h e   tar g et  v ar ia b le ,   p u m p   s t at u s ,   is   m o d e r a tel y   b ala n ce d ,   wi t h   5 3 , 5 4 6   ON   ( p u m p   a cti v e ,   5 3 . 6 5 %)  an d   4 6 , 2 5 3   OFF   ( p u m p   i n a cti v e ,   4 6 . 3 5 % )   s a m p les .   T h e  d atas et  was  s p l it  i n t o   t r a in in g   ( 8 0 %)   a n d   h el d - o u t   test   ( 2 0 %)   s u b s ets   u s i n g   s t r at if i e d   s a m p li n g   t o   p r ese r v e  c lass   b a la n c e  i n   b o t h   p ar t iti o n s .   F ea tu r e   s ta n d a r d iz ati o n   ( ze r o   m ea n ,   u n i t   v a r i an ce )   was   a p p li ed   o n ly   wit h i n   t h e  m u lti la y e r   p er ce p t r o n   p i p eli n e,   f itt ed   e x cl u s i v e ly   o n   t h e   t r ai n i n g   p a r ti ti o n   t o   p r ev e n t d ata   l ea k a g e;   t h e  t r ee - b ase d   m o d els   ( RF ,   XGB o o s t)   w er e  tr ai n e d   o n   t h e   r aw   f ea t u r e   v al u es,   co n s is t e n t  wit h   s ta n d a r d   p r ac ti ce   f o r   t r e e  e n s e m b les .     2 . 2 .   H y perpa ra m e t er   t un ing   s t ra t eg y   Fo r   ea c h   b ase   l ea r n e r ,   h y p er p ar am ete r s   we r e   s e le cte d   u s in g   a   5 - f o l d   Gr i d S ea r c h C V   ( s c o r ed   o n   F 1 )   p e r f o r m e d   e x cl u s i v e ly   o n   t h e  tr a in in g   p a r tit io n   ( 8 0 %   o f   t h e   d at ase t) ;   t h e  h e ld - o u t  test   s e t  was  n o t   u s e d   at   a n y   p o i n t   d u r i n g   m o d el   s ele cti o n ,   p r e v e n ti n g   o p t im is ti c  b i as.   T a b le   1   r e p o r ts   t h e   s e lec te d   c o n f ig u r ati o n   f o r   e v e r y   b as e  l ea r n e r   to g et h e r   w it h   th e  m et a - lea r n e r   u s ed   b y   t h e  St ac k in g   e n s e m b le .       T a b le   1 .   Se lec te d   h y p e r p a r a m e ter s   f o r   t h e   b ase   le a r n er s   a n d   t h e   s ta c k i n g   m et a - lea r n e r   M o d e l   S e l e c t e d   h y p e r p a r a m e t e r s   5 - f o l d   C V   F 1   ( t r a i n   s p l i t )   RF   _    = 1 0 0 ;    _  ℎ = 2 0 ;    _    _  =1   0 . 9 9 8 3   X G B o o st   _    = 2 0 0 ;    _  ℎ = 6 ;     _  = 0 . 1   0 . 9 9 9 5   M LP   ℎ  _  _  =   ( 6 4 , 3 2 ) ;   a l p h a = 0 . 0 0 0 1   0 . 9 7 2 9   S t a c k i n g   ( me t a - l e a r n e r )   L o g i s t i c   R e g r e ss i o n   (  _ = 5 0 0 0 ) ,   f i t   o n   5 - f o l d   O O F     b a s e - l e a r n e r   p r e d i c t i o n s   _       2 . 3 .     Ra nd o m   f o re s t   ( RF )   T h e   RF   en s em b l e   m ac h i n e   l e ar n i n g   te ch n i q u e   is   u s e d   t o   b u il d   m a n y   d e cisi o n   t r ee s   d u r i n g   tr ai n i n g .   T h e  p r o c ess   t h en   p r o d u ce s   t h e   m o d e  o f   t h e  class es  ( cl ass i f ic ati o n )   o r   t h e   m ea n   f o r e ca s t  ( r e g r ess i o n )   f o r   e v e r y   s in g le   t r e e.   Usi n g   f ea t u r e   s el ec ti o n   a n d   b o o ts tr a p   s am p li n g   f o r   e v er y   s p lit ,   it  a d d s   u n p r e d i cta b il it y ,   w h i ch   less e n s   o v e r f itt in g   a n d   en h an c es  g e n e r a liz ati o n   [ 2 0 ] .     2 . 4 .     E x t re m e  g r a dient  bo o s t ing   ( XG B o o s t )   XGBo o s t  is   o n e  o f   th e   m o d e ls   th at  ef f ec tiv ely   u tili ze s   g r a d ien t  b o o s tin g   m ac h i n es.   T h i s   m o d el  is   b ased   o n   th e  b o o s tin g   p r i n cip le,   wh ich   b u ild s   an   en s em b le   o f   d ec is io n   tr ee s   o n e  af ter   th e  o th er   wh ile  ea ch   m o d el  attem p ts   to   co r r ec t  th e  er r o r s   o f   its   p r ed ec ess o r .   T h is   m o d el  is   o f ten   ch ar ac ter ized   b y   its   p er f o r m a n ce ,   s ca lab ilit y ,   an d   s p ee d ,   as  well  as  its   ab ilit y   to   ex t r a ct  in s ig h ts   f r o m   p r ev io u s   e r r o r s   an d   o p tim ize  h y p er p ar am eter s   [ 2 1 ] .   T h e  X GB o o s t m o d el  iter ativ ely   b u ild s   an   en s em b le  o f     d ec is io n   tr ee s ,   wh er e  th e  f in a l   p r ed ictio n     f o r   a  g iv e n   s am p le  ⅰ   is   th e  s u m   o f   th e  p r ed ictio n s   f r o m   all  tr ee s :     = ∑  (  ) ,  ∈ = 1   ( 1 )     2 . 5 .     M ultila y er   perc ept ro n ( M L P )   An y   c o n ti n u o u s   f u n cti o n   m ay   b e   ap p r o x im ate d   b y   a n   ML P ,   a  s tr ai g h tf o r w ar d   f ee d f o r w a r d   ANN.   A n   ML P  is   m a d e  u p   o f   a n   in p u t   la y e r ,   a n   o u t p u t  l a y e r ,   a n d   a t  l ea s t  o n e  h i d d e n   l ay er .   T h e  in p u t la y e r   is   m a d e  u p   o f   th e   n o d es  th at   r ec ei v e   t h e   i n p u t   i n f o r m ati o n .   E v er y   h i d d en   lay e r   n o d e   is   f o ll o w ed   b y   a  n o n - l in ea r   ac ti v at io n   f u n cti o n ,   u s in g   a  w ei g h te d   li n e ar   s u m   t o   p r o ce s s   t h e   v al u es f r o m   t h e  p r e ce d i n g   l ay e r .   Af te r   b ei n g   p r o ce s s ed   b y   th e   l ast   h id d e n   la y er ,   th e  o u tp u t   la y e r   c o n v er ts   th e  p r o ce s s ed   d at a  i n t o   t h e   d esi r e d   v a lu es .   Uti liz in g   t h e   b a ck p r o p ag ati o n   a p p r o a c h ,   t h e   al g o r it h m   is   t r a in e d   [ 2 2 ] .   Ou r   M L P  h as  o n e   h i d d e n   la y e r .   I n p u t   x   is   m u lt ip lie d   b y   wei g h ts   W 1 ,   t h e n   p ass ed   t h r o u g h   a n   ac ti v at io n   f u n cti o n   σ 1   t o   g et   h i d d e n   o u tp u ts   h .   T h en   a n o th er   li n e ar   m a p p i n g   a n d   a  s ec o n d   a cti v ati o n   σ2   g iv e  th e   f i n al  p r e d i cti o n   y^ :     ℎ = 1 ( 1 + 1 )   ( 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   5 ,   Octo b e r   20 26 :   2 6 5 2 - 2 6 6 3   2656   ^ = 2 ( 2 ℎ + 2 )   (3 )     2 . 6 .     St a ck ing   e ns em ble ( O O F )   Stac k i n g   is   a n   e n s e m b le   m ac h i n e  lea r n i n g   p r o c ess   t h a t   u s es   a  m et ac lass i f i er   to   m er g e  m a n y   r e g r ess i o n   o r   class i f i ca ti o n   m o d els.   T o   b ea t   s ta n d al o n e   m o d els   i n   m a k i n g   p r e d i cti o n s ,   s ta ck in g   ca n   t ak e   ad v a n t a g e  o f   t h e  s t r en g t h s   o f   m u lti p l e  h ig h l y   ef f ec ti v e  m o d els  o n   a  r e g r ess i o n   tas k .   T h e  d is t in ct  r e g r ess i o n   m o d els   a r e   b ase d   o n   th e   o u tp u ts   ( m et a - f e at u r es )   o f   t h e   s e p a r ate   m o d els ,   a f te r   w h i ch   a   m et a class i f i er   is   a p p li ed   b as ed   o n   t h e  f u ll   tr ai n i n g   d at aset  [ 2 3 ] .   T o   f u r t h e r   im p r o v e   p r e d i cti o n   a cc u r a cy ,   t h e  t h r e e  b ase   cl ass i f ie r s —   XGBo o s t ,   RF ,   a n d   t h e  m u lti la y e r   p er ce p t r o n — we r e   c o m b in ed   i n t o   a n   OOF   s ta c k i n g   e n s e m b le .   T h e   t r ai n i n g   d at a   i n   t h is   s t u d y   was   f i r s t   s u b j ec t ed   t o   K - f o ld   c r o s s - v al id ati o n ,   m a k i n g   c er tai n   t h a t   t h e   p u m p   o n / o f f   la b e l   cl ass   d is t r i b u ti o n   was   p r es er v e d   ac r o s s   f o l d s .   T h e   t r a in in g   p a r t it io n   was   u s ed   to   tr ai n   b ase   le ar n e r s   i n   e ac h   f o ld ,   wh i le  t h e  v ali d ati o n   p a r tit io n   was  u s e d   t o   r e co r d   t h e ir   p r o b a b il it y   o u t p u ts .   A  n e w  f ea tu r e   s p a ce   k n o wn   as  t h e  m et a - f e at u r es   was   t h e n   p r o d u ce d   b y   c o n ca t e n at in g   t h es e  O OF   p r e d ic ti o n s .   I n   o r d e r   to   c ap t u r e   t h e   r el ati v e   co n t r i b u ti o n s   o f   th e  b as e  c las s if i er s   a n d   est ab lis h   t h e   b est  wei g h ts   f o r   t h ei r   e n s e m b le ,   a   lo g is t ic  r eg r ess io n   m o d el   was   em p l o y e d   as   t h e   m eta - le a r n er .   T h e   a g g r eg at ed   p r ed i cti o n s   f r o m   al l   f o l d s   w er e   t h e n   u s e d   t o   ass ess   th e   f in al  s tac k ed   m o d el   o n   th e  ex cl u d e d   tes t  s e t.  B y   u s i n g   t h e   OOF  s t r a te g y ,   th is   m et h o d   r e d u ce s   t h e  ch a n ce   o f   o v e r f itti n g   wh ile   u til izi n g   th e  c o m p l em e n ta r y   ca p a b i liti es  o f   a   h ete r o g e n e o u s   b as e.     2 . 7 .     P er f o r m a nce  m e t rics   T h e  h y b r i d   m o d el' s   p er f o r m a n ce   was  ev al u ated   u s in g   a  n u m b er   o f   ass ess m en t  cr iter ia.   Stan d ar d   m etr ics  s u ch   as  p r ec is io n ,   r ec all,   s p ec if icity ,   F1 - s co r e,   AUC,  an d   ac cu r ac y   wer e   u s ed   to   e v alu ate  th e   p er f o r m an ce   o f   m ac h i n e  lear n in g   class if ier s .   T h e  m ath em ati ca l  r ep r esen tatio n s   o f   t h ese  m etr ics  ar e  g iv en   b y   th e  f o llo win g   f o r m u las:     Acc u r ac y   =   ( TP + TN ) (  +  +  +  )   ( 4 )     R ec all   =     +    ( 5 )     Pre cisi o n   =  TP ( TP + FP )   ( 6 )     Sp ec if icity   =   TN   ( TN + FP )   ( 7 )     1 −  = 2 × r ec al l × p r ecis i o n +    ( 8 )     T h e  AUC  s co r e  r an g es  f r o m   0   to   1 ,   an d   th e  m o d el’ s   p r ed ictiv e  p er f o r m an ce   im p r o v es  as  th e  v alu e   ap p r o ac h es 1 ,   wh er ea s   it d ec r e ases   as it g ets clo s er   to   0   [ 2 4 ] .       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   T h is   s ec tio n   p r esen ts   th e  m ain   f in d in g s   o f   th e  s tu d y .   T ab le  2   s u m m ar izes  th e  cla s s if icatio n   p er f o r m an ce   o f   t h e  f o u r   m o d els  o n   th e   h eld - o u t  test   s et.   A m o n g   th e  i n d iv id u al  lear n e r s ,   XGBo o s t  ac h iev ed   th e  b est o v er all  p er f o r m an ce ,   with   an   ac cu r ac y   o f   9 9 . 9 5 %,  p r ec is io n   o f   0 . 9 9 9 3 ,   r ec all  o f   0 . 9 9 9 9 ,   s p ec if icity   o f   0 . 9 9 9 1 ,   a n d   F1 - s co r e  o f   0 . 9 9 9 6 .   T h e  p r o p o s ed   s tack in g   e n s em b le,   wh ich   c o m b in es  th e   OOF   p r ed ictio n s   o f   RF ,   XG B o o s t ,   an d   ML P  th r o u g h   a  lo g is tic - r eg r ess io n   m et a - lear n er ,   ac h iev ed   th e  h ig h e s t  v alu es  ac r o s s   all   r ep o r ted   m etr ics,  in clu d i n g   a n   ac cu r ac y   o f   9 9 . 9 7 %,  p r ec i s io n   o f   0 . 9 9 9 4 ,   r ec all  o f   1 . 0 0 0 0 ,   s p ec if icity   o f   0 . 9 9 9 4 ,   an d   F1 - s co r e  o f   0 . 9 9 9 7 .   C o m p ar ed   with   XGBo o s t ,   th e  en s em b le  f u r th e r   r ef in ed   p r ed ictiv e  p er f o r m an ce ,   im p r o v in g   ac c u r ac y   b y   0 . 0 2   p e r ce n tag e  p o i n ts   an d   F1 - s co r e  b y   0 . 0 0 0 1 ,   wh ile  ac h iev in g   a   p er f ec t  r ec all  o f   1 0 0 . 0 0 %.  T h e  clo s e  alig n m en t  b etwe en   p r ec is io n   an d   r ec all  in d icate s   a  h ig h ly   b alan ce d   class if icatio n   p er f o r m a n ce ,   w h ile  th e  co n s is ten t  s u p er io r ity   o v er   all  in d iv id u al   b ase  lear n e r s   co n f ir m s   th at   th e   s tack in g   m o d el  s u cc ess f u lly   lev er ag es  co m p lem e n tar y   p r ed ictiv e  in f o r m atio n   p r o v i d ed   b y   t h e  b ase  class if ier s .   W ith in   th e  s tack in g   f r am ewo r k ,   a  5 - f o ld   s tr atif ied   cr o s s - v alid atio n   m eth o d   was  u s ed   t o   p r o v id e   r eliab le  m o d el  ass ess m en t  an d   av o id   o v er f itti n g .   E ac h   b ase  l ea r n er   ( RF ,   XGBo o s t,  an d   M L P)  p r o d u ce d   OOF  p r ed ictio n s ,   wh ich   wer e  th en   f ed   in to   th e  m eta - lear n e r .   T h is   m eth o d   en h a n ce s   g en er ali za tio n   p er f o r m an ce   an d   g u ar an tees th at  th e  m eta - m o d el  is   tr ain ed   o n   o b jectiv e  p r ed ictio n s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A n   a r tifi cia l in tellig en ce - b a s ed   s ta ck in g   en s emb le  fr a mewo r k  fo r   s ma r t i r r ig a tio n   …  ( S a r r a   Go u r a r i )   2657   T ab le  2 .   Per f o r m an ce   r esu lts   o f   class if icatio n   p er f o r m a n ce s   M o d e l s   P r e c i s i o n   F1 - sc o r e   R e c a l l   S p e c i f i c i t y   A c c u r a c y   ( %)   RF   0 . 9 9 7 9   0 . 9 9 8 7   0 . 9 9 9 6   0 . 9 9 7 5   9 9 . 8 6   M LP   0 . 9 6 7 6   0 . 9 7 5 5   0 . 9 8 3 5   0 . 9 6 1 8   9 7 . 3 4   X G B o o st   0 . 9 9 9 3   0 . 9 9 9 6   0 . 9 9 9 9   0 . 9 9 9 1   9 9 . 9 5   S t a c k i n g   0 . 9 9 9 4   0 . 9 9 9 7   1 . 0 0 0 0   0 . 9 9 9 4   9 9 . 9 7       3 . 1 .     St a t is t ica l  v a lid a t io n  a nd   o v er f it t ing   a s s ess m ent   T o   q u an tify   esti m ate  s tab ilit y ,   5 - f o ld   s tr atif ied   cr o s s - v alid a tio n   was  ad d itio n ally   p er f o r m ed   o n   th e  tr ain in g   s p lit  f o r   e ac h   b ase  le ar n er   u s in g   its   s elec ted   h y p er p ar am eter s   ( T ab le  1 ) ,   a n d   th e   f o ld - to - f o ld   m ea n   an d   s tan d ar d   d ev iatio n   ar e  r e p o r ted   f o r   e v er y   m etr ic  in   T a b le  3 .   Stan d ar d   d e v iatio n s   r e m ain ed   b elo w  0 . 0 0 3   f o r   all  m etr ics  an d   all  m o d el s ,   in d icatin g   s tab le,   lo w - v a r ian ce   esti m ates  r ath er   t h an   a   r esu lt  d r iv en   b y   a   f av o u r ab le  s in g le  s p lit.   Data   leak ag e  was p r ev en ted   b y   p er f o r m in g   th e  tr ai n /tes t sp li t p r io r   to   an y   p r ep r o ce s s in g   an d   b y   f itti n g   th e  f ea tu r e  s ca ler   ex clu s iv ely   o n   th e  tr ain in g   p ar titi o n .   T ab l e  4   r ep o r ts   th e  tr ain - test   ac cu r ac y   g ap   f o r   ev e r y   m o d el;  all  g a p s   r em ain   b elo w   0 . 5   p er ce n ta g e  p o in ts ,   wh ich   we  r ep o r t  as  d ir ec t  q u an titativ e  ev id en ce   ag ain s t  class ical  o v er f itti n g .   T h e  v e r y   h ig h   ab s o lu te  ac c u r ac y   is   d is cu s s ed   s ep ar ately   in   s ec tio n   3 . 3 .       T ab le  3 .   5 - f o ld   cr o s s - v alid atio n   s tatis tical  v alid atio n   o n   th e  t r ain in g   s p lit ( m ea n   ±   s td )   M e t r i c   RF   X G B o o st   M LP   A c c u r a c y   0 . 9 9 8 1   ±   0 . 0 0 0 3   0 . 9 9 9 5   ±   0 . 0 0 0 1   0 . 9 6 9 7   ±   0 . 0 0 2 1   P r e c i s i o n   0 . 9 9 7 3   ±   0 . 0 0 0 4   0 . 9 9 9 4   ±   0 . 0 0 0 1   0 . 9 6 3 3   ±   0 . 0 0 2 0   R e c a l l   0 . 9 9 9 3   ±   0 . 0 0 0 4   0 . 9 9 9 6   ±   0 . 0 0 0 2   0 . 9 8 0 9   ±   0 . 0 0 2 5   F1 - sc o r e   0 . 9 9 8 3   ±   0 . 0 0 0 2   0 . 9 9 9 5   ±   0 . 0 0 0 1   0 . 9 7 2 0   ±   0 . 0 0 1 9   S p e c i f i c i t y   0 . 9 9 6 8   ±   0 . 0 0 0 5   0 . 9 9 9 4   ±   0 . 0 0 0 1   0 . 9 5 6 7   ±   0 . 0 0 2 4   AUC   1 . 0 0 0 0   ±   0 . 0 0 0 0   1 . 0 0 0 0   ±   0 . 0 0 0 0   0 . 9 9 6 1   ±   0 . 0 0 0 7       T ab le  4 .   T r ai n - test   ac cu r ac y   g ap   p er   m o d el  ( o v er f itti n g   ch ec k )   M o d e l   Tr a i n   a c c u r a c y   ( %)   Te st   a c c u r a c y   ( %)   Tr a i n - t e s t   g a p   ( p p )   RF   1 0 0 . 0 0   9 9 . 8 6   0 . 1 4   X G B o o st   9 9 . 9 9   9 9 . 9 5   0 . 0 4   M LP   9 7 . 7 6   9 7 . 3 4   0 . 4 2   S t a c k i n g   1 0 0 . 0 0   9 9 . 9 7   0 . 0 3       3 . 2 .     Why   t he  s t a c k ing   ens em ble o utper f o rm s   t he  ba s e  l ea rner s   B ey o n d   r ep o r tin g   th e  ag g r eg ate  ac cu r ac y   g ain ,   th e  p air w is e  p r ed ictio n   ag r ee m en t  b et wee n   b ase  lear n er s   o n   t h e  h eld - o u t  test   s et  was  co m p u ted   to   q u a n tify   h o w  m u ch   c o m p lem e n tar y   in f o r m atio n   is   av ailab le   to   th e  m eta - lear n er   as  s h o wn   in   T ab le  5 .   RF   an d   XGBo o s t   ag r ee   o n   9 9 . 8 6 %  o f   test   in s tan ce s ,   wh ile  ML P   ag r ee s   with   ea ch   tr ee - b ased   le ar n er   o n   ap p r o x im ately   9 7 . 4 %  o f   in s tan ce s .   Alth o u g h   th ese  ag r ee m en t  r ates  ar e   h ig h   in   ab s o lu te  ter m s ,   th e  r esid u al  d is ag r ee m en t is n o t r an d o m : b ec au s e  th e  th r ee   b ase  lear n er s   h av e  d if f e r en t  in d u ctiv e  b iases ,   th ey   ten d   to   m ak e  er r o r s   o n   d if f er e n t  s u b s ets  o f   in s tan ce s .   I t  is   p r ec is e ly   th is   s m all,   n o n - o v er lap p i n g   r esid u al  d is ag r ee m en t  th at  th e   lo g is tic - r eg r ess io n   m eta - lear n er   e x p lo its ,   wh i ch   ex p lain s   wh y   th e   Stack in g   en s em b le  im p r o v es  o v er   ev en   th e  s tr o n g est  in d i v id u al  b ase  lear n er   ( XGBo o s t )   d esp ite  th e  h ig h   p air wis e  ag r ee m en t b etwe en   t h e  b ase  lear n er s .       T ab le  5 .   Pair wis e  b ase - lear n er   p r ed ictio n   a g r ee m e n t o n   t h e  h eld - o u t te s t set   M o d e l   A   M o d e l   B   P r e d i c t i o n   a g r e e m e n t   ( %)   RF   X G B o o st   9 9 . 8 6   RF   M LP   9 7 . 4 0   X G B o o st   M LP   9 7 . 3 6       Fig u r e  2   p r esen ts   th e   co n f u s io n   m atr ices  f o r   th e   ev alu ate d   m o d els  o n   th e  test   s et  ( n   =  1 9 , 9 6 0 ) .   W h ile  ML P  ex h ib ited   th e  h ig h est  n u m b er   o f   m is class if icatio n s   ( 5 3 0   to tal  er r o r s :  3 5 3   f alse  p o s itiv es  an d   1 7 7   f alse   n eg ativ es),   RF   an d   XGBo o s t   d em o n s tr ated   s ig n if ican tly   s tr o n g er   p er f o r m a n ce ,   r ed u ci n g   to tal  er r o r s   to   2 7   an d   9 ,   r esp ec tiv ely .   T h e  p r o p o s ed   s tack in g   en s em b le  ac h iev e d   th e  b est  o v er all  r esu lts ,   p r o d u cin g   o n ly   6   f alse  p o s itiv es  an d   0   f alse  n eg ati v es — y ield in g   an   e x ce p tio n al ly   lo w  o v e r all  m is class if icati o n   r ate  o f   0 . 0 3 %.   No tab ly ,   th e  s tack in g   e n s em b le  elim in ated   f alse  n eg ativ es  ( 0   m is s ed   ac tiv atio n s ) ,   d em o n s tr atin g   an   ab s o lu te   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   5 ,   Octo b e r   20 26 :   2 6 5 2 - 2 6 6 3   2658   ab ilit y   to   a v o id   m is s ed   ir r ig at io n   tr ig g er s .   T h is   p er f o r m an c e  is   o p er atio n ally   c r itical,   as  a  m is s ed   ac tiv atio n   ( f alse n eg ativ e)   r is k s   cr o p   wat er   s tr ess   an d   s ev er e  y ield   lo s s ,   wh er ea s   a  f alse a ctiv atio n   ( f alse p o s itiv e)   m er ely   r esu lts   in   m in o r   ex ce s s   wate r   u s ag e.   Fig u r e  3   p r es en ts   R OC   c u r v es   o f   R F ,   X GB o o s t   ( XGB ) ,   a n d   M eta - L ea r n e r   m o d els   a n d   t h ei r   class i f i ca t io n   p e r f o r m a n c e.   T h e  R F   m o d el   s h o we d   g o o d   p r ed icti v e   p o we r   w it h   a n   AUC   o f   0 . 9 7 .   T h e   XGB o o s t   m o d el  p er f o r m e d   s o m ew h at   b ette r ,   s h o wi n g   im p r o v ed   s e n s i t iv i ty   a n d   ac c u r ac y   wit h   a n   AU C   o f   0 . 9 8 .   W it h   a n   AUC  o f   0 . 9 9 ,   th e  Me t a - L e a r n e r   m o d el   f a r e d   b ett er   t h a n   b o th ,   d em o n s t r a ti n g   i ts   s u p e r i o r   ca p ac it y   t o   g e n e r al ize   an d   s u c ce s s f u ll y   i n t eg r a te  th e  ad v a n t a g es  o f   b ase  m o d els .   T h es e  f in d i n g s   d e m o n s tr ate   t h a t  th e  m et a - le ar n i n g   en s em b l e  o u t p e r f o r m s   i n d iv i d u al   m o d els   b y   p r ese r v in g   g r ea te r   t r u e   p o s i ti v e  r a tes   w h il e  r e d u ci n g   f a ls e   p o s iti v es ,   a n d   t h at  it  c o n s is te n t ly   p r o d u ce s   t h e   m o s t   a cc u r at e  an d   d ep e n d a b le   cl ass i f ic ati o n   r esu l ts .           Fig u r e  2 .   C o n f u s io n   m atr ices  o f   class if icatio n   alg o r ith m s : RF ,   ML P,  XGBo o s t,  an d   s tack in g           Fig u r e  3 .   R OC   c u r v es  a n d   AU C   v al u es   c o m p ar i n g   m o d el   p e r f o r m a n c es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A n   a r tifi cia l in tellig en ce - b a s ed   s ta ck in g   en s emb le  fr a mewo r k  fo r   s ma r t i r r ig a tio n   …  ( S a r r a   Go u r a r i )   2659   T h e   R F   a n d   XGB o o s t   m o d el s   b o t h   ac h i e v e d   a n   AUC   o f   1 . 0 0 0 0 ,   a n d   t h e   s tac k i n g   m eta - le a r n er   lik ewis e  ac h i ev e d   a n   A UC   o f   1 . 0 0 0 0 ,   w h il e  th e   ML P   m o d el   a ch ie v e d   a   c o m p a r ati v el y   lo w er   AUC   o f   0 . 9 9 7 2 .   T h e   n ea r - p er f e ct   AUC   v al u es   f o r   t h e   t r e e - b ase d   a n d   s tac k i n g   m o d els   m ir r o r   th e   v er y   l o w  m is c lass i f i ca t io n   co u n ts   a lr ea d y   r e p o r t ed   f o r   t h ese   m o d e ls   i n   Fi g u r e  2 ,   an d   a r e  ex am in e d   f u r t h e r ,   to g et h e r   wit h   t h e  ass o cia te d   o v e r f itti n g   c h ec k s   a n d   t h e  r e c o m m en d ed   e x t er n al - d atas et   v ali d at io n ,   in   s e cti o n   3 . 1 .   Ou r   s t ac k i n g   e n s e m b le   m o d el   is   c o m p a r e d   wi th   a   n u m b e r   o f   c u r r e n t   s tat e - of - t h e - a r t   te c h n i q u es,   as  in d ic at ed   i n   T ab le   6 .   Usi n g   a   d at ase t  t h at   c o m b i n es  ac t u al  I o T   s e n s o r   r e ad in g s   wi th   p u b li cly   av ail ab le   Ka g g l e  d at a,   i n cl u d i n g   c h ar ac t er is ti cs   li k e  te m p er at u r e,   h u m i d it y ,   a n d   s o il  m o is t u r e ,   o u r   h y b r i d   m o d el  s h o ws  h i g h e r   p e r f o r m a n c e.   C o m p a r ed   to   m o d els   t r ai n e d   o n   cu r a te d   o r   les s   d i v e r s e   d a tas ets,   th e   le a r n in g   c h a lle n g e   is   m o r e   d i f f ic u lt   d u e  to   t h e   d i v e r s it y   a n d   r e al - w o r ld   c h ar ac t er   o f   t h e   d atas et.       T a b le   6 .   A cc u r ac y   c o m p a r is o n   o f   o u r   p r o p o s e d   s t u d y   wi th   s i m il ar   li te r at u r e   s t u d ies   Ref   Y e a r s   Te c h n i q u e   F e a t u r e s   A c c u r a c y   [ 2 5 ]   2 0 2 2   D T,   R F ,   a n d   S V M   S o i l   m o i s t u r e ,   t e m p e r a t u r e ,   h u mi d i t y ,   t i m e   9 5 %   [ 2 6 ]   2 0 2 4   ANN   S o i l   m o i s t u r e ,   t e m p e r a t u r e ,   h u mi d i t y   9 7 . 6 %   [ 2 7 ]   2 0 2 1   D e c i s i o n   Tr e e   S o i l   m o i s t u r e ,   t e m p e r a t u r e   9 7 . 8 6 %   [ 1 8 ]   2 0 2 2   C N N   S o i l   m o i s t u r e ,   t e m p e r a t u r e ,   h u mi d i t y ,   t i m e   9 8 . 2 3 %   [ 2 8 ]   2 0 2 4   K - me a n s +   S V M ( H y b r i d )   S o i l   m o i s t u r e ,   t e m p e r a t u r e ,   h u mi d i t y   9 8 . 5 %   P r o p o se d   m o d e l   S t a c k i n g   ( RF ,   X G B o o st ,   M LP)   S o i l   m o i s t u r e ,   t e m p e r a t u r e ,   h u mi d i t y ,   t i m e   9 9 . 9 7 %       3 . 3 .     M o del  i nte rpre t a bil it y :   SH AP   a na ly s is   T o   m o v e  b ey o n d   a   p u r e ly   p r ed i cti v e  e v a l u ati o n ,   SHAP   w as  u s e d   t o   in te r p r et  t h e  m o d e l' s   d e cisi o n   d r iv e r s .   B e ca u s e   ef f i cie n t   tr ee - b ase d   SHAP   e x p la n at io n   ( T r e eE x p la in er )   is   n o t   n a ti v el y   d e f i n e d   f o r   a   h et e r o g e n eo u s   s ta ck in g   cl ass if ier ,   th e  r e p o r te d   SH AP  v a lu es   e x p lai n   th e  X GB o o s t   b ase  le a r n e r ,   wh ic h   is   b o th   th e   b est - p e r f o r m i n g   i n d i v i d u a l  m o d e l  a n d ,   g i v e n   its   9 7 . 4 % – 9 9 . 9 %  p r e d ic ti o n   a g r e em en t  wit h   t h e   o t h e r   b as e   lea r n e r s   as  s h o w n   i n   T a b l e  5 ,   r e p r ese n t ati v e  o f   t h e  d ec is i o n   d r iv er s   u s e d   a cr o s s   t h e  e n s em b le   as  a  w h o le .   Fig u r e  4   s h o ws   t h e  S HAP   s u m m ar y   ( b e eswa r m )   p l o t:   T e m p e r at u r e   a n d   t h e   c y c li ca ll y - e n c o d e d   ti m e   co m p o n e n ts   ( T i m e _ s i n ,   T i m e _ c o s )   a r e   t h e  d o m in an t  d r iv er s   o f   t h e  p r e d i cte d   p u m p   s tat u s ,   f o l lo we d   b y   s o il   m o is t u r e  a n d   h u m i d i ty ;  co lo r   e n c o d es   e ac h   i n s ta n c e' s   o r ig in a l  f e at u r e   v al u e ,   s o   t h e   p l o t  c o n v e y s   b o t h   t h e   m a g n it u d e   a n d   t h e   d i r e cti o n   o f   e v e r y   f e at u r e' s   e f f ec t,   n o t  o n l y   its   r a n k in g .           Fig u r e  4 .   SHAP su m m ar y   ( b e eswar m )   p lo t f o r   th e  XGBo o s t b ase  lear n er   o n   th e  h eld - o u t t est s et       Fig u r e  5   p r esen ts   SHAP  d ep e n d en ce   p lo ts   f o r   t h e  two   m o s t  in f lu en tial  f ea tu r es.  Pan el  ( a)   s h o ws  th at   th e  SHAP  v alu e  f o r   T em p e r a tu r e  in cr ea s es  m o n o to n ically   with   tem p er atu r e,   m ea n in g   h i g h er   tem p er atu r es   co n s is ten tly   p u s h   th e  m o d el  to war d   p r ed ictin g   p u m p   ac tiv a tio n   ( ON)   —   a  p h y s ically   p la u s ib le  r elatio n s h ip ,   co n s is ten t  with   h ig h er   ev ap o t r an s p ir atio n   an d   ir r ig atio n   d e m an d   u n d er   war m er   co n d itio n s .   Pan el  ( b )   s h o ws  two   d is tin ct  clu s ter s   f o r   th e  T i m e_ co s   f ea tu r e,   co r r esp o n d in g   to   d if f er e n t  p h ases   o f   th e   d a ily   cy cle,   in d icatin g   th at  p r ed icted   p u m p - ac tiv atio n   lik elih o o d   v ar ies  s y s tem atica lly   with   tim e - of - d ay   b ey o n d   wh at  tem p er atu r e   alo n e  ex p lain s   —   s u p p o r tin g   th e  ch o ice  o f   c y clica l  ( s in e - co s in e)   en co d i n g   o v e r   a  r aw  lin ea r   tim e  f ea tu r e.   B o th   tr en d s   b ein g   p h y s ically   in ter p r etab le,   r ath er   th an   er r atic  o r   r e v er s ed ,   p r o v id e  a d d itio n al  q u alitativ e  ev id en ce   th at  th e  m o d els  a r e  lear n in g   a  g en u in e,   p h y s ically   g r o u n d ed   s ig n al  r ath e r   th an   a  s p u r io u s   co r r elatio n ,   wh ic h   is   r elev an t   to   th e  v er y   h ig h   ac cu r ac y   d i s cu s s ed   in   s ec tio n   3 . 1 .   T ab le  7   r ep o r ts   th e  ex ac t   r an k ed   m ea n   ab s o lu te   SHAP v alu es  u n d er ly in g   th e   v is u al   o r d er in g   s h o wn   in   Fig u r e   4 ,   p r o v id in g   r ep r o d u ci b le  n u m er ic  v al u es f o r   c o m p ar is o n   in   f u t u r e  wo r k .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   5 ,   Octo b e r   20 26 :   2 6 5 2 - 2 6 6 3   2660       ( a)   ( b )     Fig u r e  5 .   SHAP d ep en d en ce   p lo ts   f o r   ( a)   T em p er atu r e  an d   ( b )   T im e_ c o s ,   co lo r e d   b y   th e  s ec o n d ar y   f ea tu r e  s h o wn   i n   ea ch   c o lo r   b a r       T ab le  7 .   R an k e d   g lo b al  f ea tu r e  im p o r tan ce   ( m ea n   a b s o lu te  SHAP v alu e) ,   XGBo o s t b ase  l ea r n er ,   h eld - o u t te s t set   F e a t u r e   M e a n   | S H A P   v a l u e |   Te mp e r a t u r e   3 . 0 7 5   Ti me   c o s   2 . 5 0 9   S o i l   M o i st u r e   2 . 3 0 1   Ti me   si n   1 . 7 8 4   H u mi d i t y     1 . 5 8 9       3 . 4 .     Co m pu t a t io na l  c o m plex it y   a nd   edg e - deplo y m ent   f e a s ibi lity   Giv en   th e  I o T   c o n tex t  o f   th is   ap p licatio n ,   p e r - m o d el  tr ain in g   tim e,   in f er en c e  laten cy ,   th r o u g h p u t,  an d   m em o r y   f o o tp r in t   wer e  m ea s u r ed   o n   th e  h eld - o u t  test   s et  ( T ab le  8 ) .   XGBo o s t  o f f er s   th e  m o s t  f av o u r a b le  ac cu r ac y - to - co s t  r atio   ( 0 . 0 0 2   m s /s am p le,   6 4 1   KB ) ,   m a k in g   it  in d iv i d u ally   well - s u ited   to   co n s tr ain ed   m icr o co n tr o ller - class   h ar d war e.   T h e  Stack in g   en s em b le' s   in f er en ce   co s t  is   ap p r o x im ately   th e  s u m   o f   its   b ase  lear n er s '   co s ts   p lu s   a  s m all  lo g is tic - r eg r ess io n   o v er h ea d   ( 0 . 0 0 9   m s /s am p le) ,   an d   its   m em o r y   f o o tp r in t  ( 4 3 . 6   MB)  is   s u b s tan tially   lar g er   th a n   an y   in d iv id u al   b ase  lea r n er .   W e  th er ef o r e   r ec o m m en d   th e   Stack in g   en s em b le   f o r   g atew ay - class   ed g e  h ar d war e  wh er e  its   m ar g in al  ac cu r ac y   an d   r ec all  ad v an tag e s   ar e  o p er atio n ally   v alu ab le  ( s ec tio n   3 . 1 ) ,   a n d   r ec o m m en d   th e  s tan d al o n e  XGBo o s t  m o d el   wh er e  h ar d war e   is   h ig h ly   co n s tr ain e d ,   as  th e  ac cu r ac y   d if f er en ce   b e twee n   th e  two   ( 0 . 0 2   p er ce n ta g e  p o in ts )   is   s m all  r elativ e  t o   th e  d if f er en ce   in   d ep lo y m e n t c o s t.       T ab le  8 .   C o m p u tatio n al  co m p l ex ity   an d   e d g e - d ep lo y m en t f e asib ilit y   p er   m o d el  ( h eld - o u t t est s et)   M o d e l   I n f e r e n c e   t i me   ( ms/sa mp l e )   Th r o u g h p u t   ( sam p l e s/ s)   M o d e l   s i z e   ( K B )   M LP   0 . 0 0 1 5   6 6 3 , 3 8 4   7 0 . 5   X G B o o st   0 . 0 0 2 0   4 9 2 , 3 8 4   6 4 1 . 2   RF   0 . 0 0 6 3   1 5 9 , 5 2 3   2 1 , 0 8 9 . 8   S t a c k i n g   0 . 0 0 9 3   1 0 7 , 5 2 3   4 3 , 6 0 8 . 6       3 . 5 .     E x t er na l  da t a s et   v a lid a t io n   T o   d ir ec tly   ad d r ess   co n ce r n s   r eg ar d in g   th e   v e r y   h ig h   in - d o m ain   ac cu r ac y ,   th e  i d en tical  m o d ellin g   p ip elin e  —   in clu d in g   m o d el   ar ch itectu r e,   th e  5 - f o ld   h y p er p ar am eter - s ea r c h   p r o to co l,   an d   th e   ev alu atio n   p r o ce d u r e  —   was  r e - ap p lied ,   with o u t  r eu s e  o f   th e  o r ig in al  f itted   weig h ts ,   to   an   in d ep en d e n t  d ataset  co llected   at  a  d if f er e n t  in s titu tio n   u s in g   d if f er e n t  s en s o r s   [ 2 9 ] ,   c o m p r is in g   3 , 0 0 0   s am p les  an d   la ck in g   a  c o m p ar a b le  tem p o r al  f ea tu r e.   On   a  h el d - o u t  2 0 %  s p lit  o f   th is   ex ter n al  d ataset  ( 6 0 0   s am p les),   RF ,   XG B o o s t ,   an d   Stack in g   ac h iev ed   1 0 0 . 0 0 %  ac cu r ac y ,   a n d   ML P  ac h iev ed   9 9 . 8 3 %  ac c u r ac y   ( T a b le  9 ) .   T h is   r esu lt  s h o u ld   b e  i n ter p r eted   with   ap p r o p r iate  ca u tio n :  g iv en   th e  r elativ ely   s m all  s iz e  o f   th e  ex te r n al  test   s et  ( n   =  6 0 0 ) ,   a  s in g l e   m is class if icatio n   wo u ld   alr ea d y   r ed u ce   ac cu r ac y   b elo w  1 0 0 %,  an d   th e  n ea r - p e r f ec t sep ar a b ilit y   o b s er v ed   h e r e  —   co n s is ten t  with   th e  p atter n   alr ea d y   d is cu s s ed   f o r   th e   p r i m ar y   d ataset  —   is   co m p atib l e  with   a  th r esh o ld - Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         A n   a r tifi cia l in tellig en ce - b a s ed   s ta ck in g   en s emb le  fr a mewo r k  fo r   s ma r t i r r ig a tio n   …  ( S a r r a   Go u r a r i )   2661   b ased ,   clo s e - to - d eter m in is tic  s en s o r - to - lab el  r elatio n s h ip   ch ar ac ter is tic  o f   p u b licly   av ailab le  b en ch m ar k   d atasets   o f   th is   k in d ,   r ath er   t h an   with   n o is e - af f ec te d ,   ex p e r t - an n o tated   f ield   m ea s u r em e n ts .   W e  r ep o r t  th is   r esu lt  as  ev id en ce   th at  th e  p r o p o s ed   p ip elin e  g en e r alize s   s u cc ess f u lly   to   in d ep en d en tly   c o llected   d ata  f r o m   a   d if f er en t   in s titu tio n   a n d   s en s o r   co n f ig u r atio n ,   wh ile  ac k n o w led g in g   th at  s tr o n g er   ev id e n ce   ag ain s t  o v er f itti n g   wo u ld   r e q u ir e  e v alu atio n   o n   r ea l - tim e,   co n tin u o u s ly   lo g g ed   f ield   d ata  with   n atu r ally   o cc u r r in g   m ea s u r em en t   n o is e  —   a  d ir ec tio n   we  id e n tif y   ex p licitly   as a   p r i o r ity   f o r   f u tu r e  wo r k   i n   th e  L im itatio n s   s ec tio n .       T ab le  9 .   E x ter n al  v alid atio n   r e s u lts   o n   an   in d ep en d e n t d ataset  [ 2 8 ] ,   n =6 0 0   h eld - o u t te s t sam p les   M o d e l   F1 - sc o r e   ( %)   R e c a l l   ( %)   A c c u r a c y   ( %)   M LP   9 9 . 8 4   9 9 . 6 8   9 9 . 8 3   X G B o o st   1 0 0 . 0 0   1 0 0 . 0 0   1 0 0 . 0 0   RF   1 0 0 . 0 0   1 0 0 . 0 0   1 0 0 . 0 0   S t a c k i n g   1 0 0 . 0 0   1 0 0 . 0 0   1 0 0 . 0 0       4.   CO NCLU SI O N    T h is   s tu d y   p r esen ted   a  s tack in g   en s em b le  co m b in in g   RF ,   X GB o o s t,  an d   a  m u ltil ay er   p er ce p tr o n   f o r   b in ar y   ir r ig ati o n   p u m p - s tatu s   p r ed ictio n   f r o m   s o il  m o is tu r e,   tem p er atu r e,   h u m id ity ,   an d   tim e - of - d a y   s en s o r   r ea d in g s .   Usi n g   a  h eld - o u t  t est  s et  with   5 - f o ld   cr o s s - v alid atio n ,   th e   s tack in g   m o d el  ac h iev ed   9 9 . 9 7 %   ac cu r ac y ,   0 . 9 9 9 4   p r ec is io n ,   1 . 0 0 0 0   r ec all,   0 . 9 9 9 4   s p ec if icity ,   an d   0 . 9 9 9 7   F1 - s co r e,   m a r g in ally   o u tp er f o r m in g   XGBo o s t   —   th e  s tr o n g est  in d iv id u al  b ase  lear n e r   —   wh ile  e lim in atin g   f alse  n eg ativ es.  Ho wev er ,   th is   m ar g in   is   s m all  r elativ e  to   cr o s s - v ali d atio n   v ar ian ce   a n d   s h o u l d   n o t  b e  o v er - in ter p r ete d .   An aly s is   o f   b ase - lear n er   p r ed ictio n   ag r ee m en t  i d en tifie d   r esid u al   d is ag r ee m e n t  b etw ee n   RF ,   XGBo o s t ,   an d   ML P  as  th e  m ec h an is tic  s o u r ce   o f   th is   g ain .   A  d ep lo y m en t - o r ien te d   an aly s is   s h o wed   th e  f u ll  en s em b le' s   lar g er   m em o r y   f o o tp r i n t  an d   in f er en ce   co s t  s u it  g atew ay - c lass   I o T   h ar d war e  b etter   th an   m icr o co n tr o ller - class   d ev ices,  wh ile  in d iv id u al  XGBo o s t  r em ain s   v iab le  f o r   tig h ter   co n s tr ain ts .   SHAP  an aly s is   id en tifie d   tem p er atu r e  an d   tim e - of - d a y   as  th e   d o m in an t,  p h y s ically   p lau s ib le   d r iv er s   o f   p r ed icted   p u m p   ac t iv atio n .    T h is   wo r k   h as  lim itati o n s .   T h e  d ataset  is   d er iv ed   f r o m   a   p u b licly   a v ailab le  b en c h m ar k   r at h er   t h an   c o n tin u o u s ly   l o g g e d   f ield   s en s o r s ,   an d   th e   v er y   h i g h   ac cu r ac y   —   co r r o b o r ated   o n   a  s ec o n d ,   in d e p en d e n t  d ataset  —   lik ely   r ef lects  a  n ea r - d ete r m in is tic  s en s o r - to - lab el  r elatio n s h ip   ch ar ac ter is tic  o f   s u ch   b en ch m ar k s .   T h e  M L P  b ase  lear n er   also   s h o wed   co n s is ten tly   wea k er ,   h ig h er - v ar ian ce   p e r f o r m an ce   th an   th e  tr ee - b ased   lear n er s .   Fu tu r e  wo r k   s h o u ld   v alid ate  th e  f r am ewo r k   o n   r ea l - tim e  f ield   d ata  with   n atu r ally   o cc u r r i n g   s en s o r   n o is e  an d   ass ess   o n - d ev ice  co m p u tatio n al  f ea s ib ilit y .       ACK NO WL E DG M E N T   T h e  au th o r s   h av e  n o   s p ec if ic  a ck n o wled g e m en ts   to   d ec lar e.       F UNDING   I NF O R M A T I O N   T h is   r esear ch   r ec eiv ed   n o   s p e cif ic  r esear ch   g r an t   o r   co n tr ac t  f r o m   an y   f u n d i n g   ag en c y   in   th e  p u b lic,   co m m er cial,   o r   n o t - f o r - p r o f it secto r s .       AUTHO R  CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al   u s es  th e  C o n t r ib u to r   R o les  T a x o n o m y   ( C R ed iT )   to   r ec o g n ize   in d iv i d u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m e  o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   Sar r a  Go u r ar i   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓                     W af a  Dif allah                   ✓       ✓       B elk ac em   Dr ao u i                     ✓     ✓         C   :    C o n c e p t u a l i z a t i o n   M   :    M e t h o d o l o g y   So   :    So f t w a r e   Va   :    Va l i d a t i o n   Fo   :    Fo r mal   a n a l y s i s   I   :    I n v e s t i g a t i o n   R   :    R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi   :    Vi su a l i z a t i o n   Su   :    Su p e r v i s i o n   P   :    P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu   :    Fu n d i n g   a c q u i si t i o n         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.