作者：曲井致

摘要:數(shù)字農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分,是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的有力抓手?物聯(lián)網(wǎng)技術是實現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)的重要技術手段，數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)技術的重要技術，能夠實現(xiàn)現(xiàn)實世界中事務在網(wǎng)絡世界的數(shù)字映射，為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，進一步解放人力物力，對遠程監(jiān)控和操控數(shù)字農(nóng)業(yè)的深入研究具有非常重要的意義。在應用傳感器檢測技術和無線通信技術的基礎上，大力發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)，為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化奠定了基礎。本文從數(shù)字農(nóng)業(yè)項目的建設目標?設計架構?建設內容等方面入手,詳細介紹了多參數(shù)并存的智能溫室大棚的系統(tǒng)設計，采用不需要被控對象而具有確切數(shù)學模型的模糊控制算法，實現(xiàn)對被控對象的智能控制。結果表明，該方法能將采集到的環(huán)境因子進行耦合，達到使植物生長的最優(yōu)效果，從而滿足溫室大棚的控制要求。

關鍵詞:數(shù)字農(nóng)業(yè);物聯(lián)網(wǎng);三農(nóng);鄉(xiāng)村振興

1系統(tǒng)的整體開發(fā)
1.1系統(tǒng)總體設計
智能大棚的監(jiān)控系統(tǒng)需在溫度?濕度?光照度變送器的配合下,采集多個位置的溫度?濕度及光照強度等環(huán)境參數(shù),通過采集到的環(huán)境因子建立控制溫室大棚內的升降溫?加去濕和補遮光子系統(tǒng)?

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。簡單來說，數(shù)字孿生就是在一個設備或系統(tǒng)的基礎上，創(chuàng)造一個數(shù)字版的“克隆體”。數(shù)字孿生技術能夠更真實直觀的反應農(nóng)業(yè)種植情況，實現(xiàn)更精細化的田間管理，并具有系統(tǒng)可復制和擴展強的特點。運用該技術能夠為數(shù)字農(nóng)業(yè)提供標準化的物模型基礎，并是系統(tǒng)具有了與其他系統(tǒng)兼容和互聯(lián)互通的基礎，為數(shù)字農(nóng)業(yè)健康快速發(fā)展提供有力支撐。

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)有助于維持最佳條件，以確保更好的作物質量。例如，農(nóng)業(yè)中的天氣監(jiān)測有助于估算種植高質量作物所需的水、化肥和營養(yǎng)物質的準確供應。與其他產(chǎn)品相比，使用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)種植的農(nóng)產(chǎn)品也更符合市場規(guī)范。根據(jù)要實現(xiàn)的控制功能要求,設計的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示?

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圖1智能大棚系統(tǒng)結構圖

智能大棚結合物聯(lián)網(wǎng)技術搭建而成的構架如圖2所示?其中,應用層經(jīng)操作人員操作,通過被程序化的觸摸屏和PLC一體機進行一系列的遠程監(jiān)控和操作?網(wǎng)絡層通過無線傳輸協(xié)議RS-485和ModBusRTU,將感知層部分通過傳感器采集到的溫度?濕度?光照度等參數(shù)傳輸?shù)接|摸屏端并顯示?感知層通過溫度?濕度?光照度變送器等傳感器,采集外界的環(huán)境因子數(shù)據(jù)?各層間環(huán)環(huán)相扣,搭建成物聯(lián)網(wǎng)架構?

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圖2溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)各層架構圖

1.2硬件開發(fā)設計
觸摸屏摸屏通過RS-485黃藍兩線進行連接?該套硬件設備可減少人工操作,擁有性價比高和高效便捷的優(yōu)點?智能大棚監(jiān)控平臺的無線傳輸節(jié)點結構如圖3所示?其主要模塊包括采集溫濕度等環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集傳感器?負責接收數(shù)據(jù)的接口單元及信號調制單元?將接收到的數(shù)據(jù)進行無線傳輸?shù)霓D換模塊以及為以上模塊提供能量的供電模塊?

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圖3無線傳輸節(jié)點結構圖

1.3軟件開發(fā)設計
CoolMayHMI和GXWorks2構成了智能大棚監(jiān)控平臺的軟件開發(fā)系統(tǒng),前者可實現(xiàn)對監(jiān)控畫面的編輯與應用,后者可利用梯形圖編程實現(xiàn)對大棚的自動控制功能?系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)流程如圖4所示?

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圖4系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)流程

溫室監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器串口模塊傳輸采集到的溫濕度等環(huán)境因子,如圖5所示?溫室監(jiān)控系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)設備和自動控制部分構成?其中,數(shù)據(jù)采集模塊通過接口與外界聯(lián)系,通過軟件編程實現(xiàn)對溫濕度等參數(shù)的自動控制?簡單來說,溫室控制系統(tǒng)就是通過將溫濕度光照度傳感器安裝在溫室環(huán)境中采集數(shù)據(jù),通過無線傳輸協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控設備,通過控制系統(tǒng)將指令發(fā)送到升降溫?加去濕和補遮光設備,進而對溫室環(huán)境進行調節(jié)控制,提高作物產(chǎn)量?

2系統(tǒng)的模糊控制研究
智能大棚作為一種高度復雜的被控對象,具有多變量?干擾?強耦合等不確定特點?溫室內的各項參數(shù)間互相耦合,而傳統(tǒng)的溫室控制系統(tǒng)只考慮了部分影響因素,不具備數(shù)字農(nóng)業(yè)的條件?在這種情況下,本文選用較成熟的模糊PID控制,以達到控制效果顯著的目的?

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圖5溫室監(jiān)控系統(tǒng)控制框圖

針對不同的環(huán)境,制定了一系列控制策略?在冬季,若溫室內整體溫度過高,則啟動降溫設備,關閉遮陽簾,打開排風扇,將室外冷空氣與室內空氣進行循環(huán)交換,待溫度達到期望值時停止操作?在炎熱的夏季,若溫室內過于干燥,則打開加濕器給室內加濕,直到室內濕度與農(nóng)作物生長所需達到平衡?當外界環(huán)境嚴重影響室內時,如多日連續(xù)陰雨或極寒,則需打開升溫設備,保持室內溫度平衡?

2.1模糊控制系統(tǒng)
模糊控制系統(tǒng)首先需要確定其輸入變量,即模糊化,然后生成模糊規(guī)則表,再結合模糊規(guī)則表和規(guī)則庫進行解模糊,最后得出一套完整的模糊控制策略?模糊控制系統(tǒng)模型如圖7所示?

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圖7模糊控制系統(tǒng)模型

2.2模糊控制器
(1)模糊化?溫室環(huán)境控制模型如圖8所示?將溫室中影響作物生長的溫度?濕度和光照度分別賦值E1?E2?E3,傳感器實時測得的數(shù)據(jù)為e1?e2?e3,則X1=E1-e1?X2=E2-e2?X3=E3-e3,X為精確輸入量?將加濕器?遮陽簾?排風扇?補光燈分為高輸出?低輸出?零三個等級,根據(jù)系統(tǒng)實際情況取值?

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3系統(tǒng)功能實現(xiàn)
為實現(xiàn)智能大棚的監(jiān)控系統(tǒng)功能,應將溫濕度間互相制約的因素考慮在內,即溫濕度的耦合關系?夏季炎熱環(huán)境中應優(yōu)先考慮濕度,夏季氣候濕潤,濕度過大時,應打開去濕干燥設備,當環(huán)境中的濕度達到平衡后再考慮溫度的調節(jié)?同理,冬季氣候干燥,溫度偏低,應優(yōu)先考慮溫度,再滿足濕度條件?在試驗室搭建由上位機控制系統(tǒng)和下位機控制柜組成的試驗平臺,人機交互界面中的監(jiān)控操作頁面如圖9所示?該系統(tǒng)的控制流程是溫濕度光照度變送器采集周圍環(huán)境的溫度?濕度及光照度,由RS-485通信將采集的模擬量轉換為數(shù)字量后,通過HMI畫面設置實時顯示到觸摸屏上?當溫度?濕度或者光照度某項參數(shù)嚴重超標時,系統(tǒng)會通過程序進行報警,否則顯示機器運轉正常?試驗結果表明,上位機可顯示并監(jiān)測大棚內的溫濕度和光照度等參數(shù),實時并高效地掌握溫室內環(huán)境的變化?下位機可準確采集環(huán)境數(shù)據(jù),并將其傳輸?shù)奖O(jiān)控設備?

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圖9CoolMayHMI組態(tài)頁面圖

由試驗數(shù)據(jù)可得,溫度30℃?濕度60%RH?光照度3000Lux為試驗作物最適宜生長的環(huán)境?當棚內傳感器監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)為溫度35℃?濕度80%RH?光照度5000Lux時,需進行差值運算?由模糊PID控制的操作步驟得到的模糊規(guī)則為PM?ZO?NS時,經(jīng)過模糊規(guī)則表演算,需進行降溫?去濕和遮光操作,即需打開排風扇?遮陽板和加濕器?

4結語
我國是農(nóng)業(yè)大國,而非農(nóng)業(yè)強國，物聯(lián)網(wǎng)技術將是農(nóng)業(yè)強國的重要手段，數(shù)字孿生能夠為數(shù)字農(nóng)業(yè)健康發(fā)展提供有力保障和技術基礎?數(shù)字農(nóng)業(yè)能夠有效改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境?將農(nóng)田?畜牧養(yǎng)殖場?水產(chǎn)養(yǎng)殖基地等生產(chǎn)單位和周邊的生態(tài)環(huán)境視為整體,并通過對其物質交換和能量循環(huán)關系進行系統(tǒng)?精密運算,保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)環(huán)境在可承受范圍內?

參考文獻
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