許華宇
(信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 信陽(yáng) 464000)
智能化控制是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作的重要物理手段,隨著應(yīng)用化標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升,操作指令是否具有精準(zhǔn)傳輸能力已經(jīng)成為考量系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中,施肥、灌溉是必不可少的兩項(xiàng)物理培育手段,為節(jié)省人力資源條件,相關(guān)研究人員采用控制系統(tǒng)對(duì)植物體生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并通過(guò)多項(xiàng)物理設(shè)備的共同配合,實(shí)現(xiàn)施肥灌溉指令的精準(zhǔn)傳輸。
現(xiàn)有技術(shù)手段主要采用噴灌、滴灌等技術(shù),完成植株的日常灌溉處理。這種方法雖然最大程度上做到了水資源的節(jié)約、保護(hù),但所有灌溉水分子基本只能停留在作物表層,對(duì)植物生育期的基質(zhì)含水量基本不產(chǎn)生影響。通常情況下,化肥用量、水分子用量間存在一定的數(shù)值匹配關(guān)系,但在人力資源干擾下,這種數(shù)值關(guān)系不能得到有效滿足,且為保證作物保持良好的生長(zhǎng)狀態(tài),絕大多數(shù)化肥施用量都是超過(guò)預(yù)期水平的,這也是農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中水肥利用效率始終低于理想數(shù)值的主要原因。為解決上述問(wèn)題,引入HORNER OCS處理技術(shù),在協(xié)同建模的基礎(chǔ)上,利用ZigBee無(wú)線模塊、單片機(jī)控制芯片等設(shè)備,建立完善的硬件執(zhí)行環(huán)境,再通過(guò)設(shè)置組態(tài)軟件的方式,設(shè)計(jì)新型的灌溉施肥智能化控制系統(tǒng),并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式,驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
協(xié)同控制能力建模包含灌溉施肥過(guò)程向量選取、協(xié)同控制定義式確定兩個(gè)物理步驟,其具體建模操作方法如下。
灌溉施肥過(guò)程向量是系統(tǒng)智能化控制的重要物理數(shù)值,可直觀體現(xiàn)植物生長(zhǎng)過(guò)程中,灌溉水量、化肥需求量間的需求矛盾關(guān)系。相對(duì)于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)控制體系來(lái)說(shuō),灌溉過(guò)程直接把控了程式化的水資源應(yīng)用量,既能清晰反應(yīng)灌溉細(xì)節(jié)的精細(xì)應(yīng)用程度,也能避免以經(jīng)驗(yàn)為主灌溉策略的不合理施行。施肥過(guò)程直接把控了程式化的化肥應(yīng)用量,是智能化控制策略制定的重要參考指標(biāo)[2]。隨著植物體生長(zhǎng)能力的不斷增加,光合作用、呼吸作用等物理消耗能力也隨之增加。在不考慮外界影響因素的條件下,植物體生長(zhǎng)所需的水資源主要來(lái)源于灌溉用水,而各項(xiàng)微量生長(zhǎng)元素及礦物質(zhì)則來(lái)源于所施用的各項(xiàng)化肥原料。從應(yīng)用角度來(lái)看,灌溉和施肥都屬于流程性動(dòng)作范疇,故在此過(guò)程中涉及到的與植物體吸收、消耗相關(guān)的物理量都包含在灌溉施肥過(guò)程向量的范疇。定義B代表植物體生長(zhǎng)過(guò)程中的水資源消耗系數(shù),X代表生長(zhǎng)元素及礦物質(zhì)系數(shù),聯(lián)立B、X可將灌溉施肥過(guò)程向量計(jì)算公式表示為:
(1)
其中:μ、ω分別代表總灌溉用水量及化肥施用量,κ代表向量求取偏導(dǎo)系數(shù),v代表植物體的灌溉施肥消耗指標(biāo)。
協(xié)同控制是灌溉施肥智能化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)處理方式,針對(duì)單一的被控植物對(duì)象,為保證其生長(zhǎng)過(guò)程中水資源消耗量、化肥消耗量都不超過(guò)理想數(shù)值條件,必須確定一個(gè)狀態(tài)臨界值,并以該數(shù)值條件作為參考依據(jù)。在總消耗量未達(dá)到該數(shù)值條件前,驅(qū)使系統(tǒng)相關(guān)硬件設(shè)備增大灌溉及施肥的物理應(yīng)用程度,并使其逐漸向臨界數(shù)值趨近;在總消耗量達(dá)到或超過(guò)該數(shù)值條件后,驅(qū)使系統(tǒng)相關(guān)硬件設(shè)備減小灌溉及施肥的物理應(yīng)用程度,使其逐漸趨近臨界數(shù)值,并永不高于該數(shù)值條件[3]。協(xié)同控制定義式也可叫臨界控制值計(jì)算,利用灌溉施肥過(guò)程向量,對(duì)灌溉用水資源及化肥應(yīng)用總量進(jìn)行嚴(yán)格的限制約束,設(shè)p1代表灌溉用水量的邊界數(shù)值,p2代表化肥施用量的邊界數(shù)值,聯(lián)立公式(1)可將系統(tǒng)的協(xié)同控制定義式表示為:
(2)
其中:q1、q2分別代表灌溉控制向量和施肥控制向量,ε代表既定加權(quán)處理系數(shù),α代表控制系統(tǒng)的協(xié)同處理權(quán)限參數(shù),y代表系統(tǒng)協(xié)同控制處理的臨界系數(shù)條件。
聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)同控制能力建模原理,按照Z(yǔ)igBee無(wú)線模塊、單片機(jī)控制芯片、灌溉傳感器與施肥傳感器、智能化電平轉(zhuǎn)換電路的搭建流程,完成系統(tǒng)的設(shè)備選型操作。
ZigBee無(wú)線模塊中集合了增強(qiáng)型信號(hào)收發(fā)器與8051 MCU內(nèi)核設(shè)備,具備容量為256 Mb的控制指令存儲(chǔ)空間,在與灌溉傳感器、施肥傳感器進(jìn)行物理連接的過(guò)程中,可借助USART通訊串口,傳輸水肥量的數(shù)量級(jí)利用條件,完整模塊結(jié)構(gòu)如圖1。增強(qiáng)型信號(hào)收發(fā)器包含DMA、ADC兩類核心搭建裝置,在進(jìn)行灌溉施肥控制的過(guò)程中, DMA裝置借助系統(tǒng)CPU向核心計(jì)算機(jī)傳輸智能化控制仲裁請(qǐng)求,且所有連接信息流都滿足空間大小為256 KB FLASH數(shù)據(jù)的物理傳輸限制[4]。核心計(jì)算機(jī)通過(guò)輸出信道,將與水肥利用量相關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳輸至ADC設(shè)備中,再由相關(guān)信號(hào)收發(fā)處理裝置,對(duì)這些信息分子進(jìn)行加密處理。8051 MCU內(nèi)核設(shè)備作為ZigBee無(wú)線模塊的核心搭建裝置,具備多個(gè)等效計(jì)時(shí)器和兩個(gè)USART設(shè)備,一方面可按照植物體的具體種植面積,限制水流與化肥的輸出總量,另一方面可利用USART設(shè)備分別記錄灌溉、施肥處理的操作進(jìn)行程度,并根據(jù)植物體的接收情況,選擇是否繼續(xù)進(jìn)行灌溉施肥處理操作[5]。
圖1 ZigBee無(wú)線模塊組成結(jié)構(gòu)
單片機(jī)控制芯片采用型號(hào)為NH 1350AM2 BJP36047 1236的intel板材作為核心搭建設(shè)備,如圖2。在芯片周圍分布多個(gè)智能化控制開(kāi)關(guān),可控制板材結(jié)構(gòu)與灌溉傳感器、控制板材結(jié)構(gòu)與施肥傳感器之間的物理連接。單片機(jī)控制芯片作為系統(tǒng)智能化控制指令的關(guān)鍵輸出結(jié)構(gòu),可與ZigBee無(wú)線模塊保持長(zhǎng)久的并列連接關(guān)系,并借助AD物理接口與上級(jí)模塊組織保持信息傳輸關(guān)系。從功能性角度來(lái)看,AD物理接口具備指向性的通斷控制功能,即所有經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制芯片的智能化水肥應(yīng)用指令,始終只能保持由起點(diǎn)到終點(diǎn)的物理傳輸方向,無(wú)論核心計(jì)算機(jī)中累積的水量、化肥量數(shù)據(jù)條件是否達(dá)到額定限度條件,與系統(tǒng)控制結(jié)果相關(guān)的智能化水肥應(yīng)用指令也只能在原有物理頻率的基礎(chǔ)上,保持定量傳輸[6]。單片機(jī)控制芯片左下角有兩個(gè)負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)接的接入節(jié)點(diǎn),分別負(fù)責(zé)建立與灌溉傳感器和施肥傳感器的物理連接,以保證在智能化控制系統(tǒng)的促進(jìn)下,植物體始終能得到足量的水肥供應(yīng)。
圖2 單片機(jī)控制芯片
EPION EB-C1設(shè)備作為系統(tǒng)灌溉傳感器組織,借助BI信道與系統(tǒng)核心計(jì)算機(jī)相連,對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中,灌溉用水的數(shù)量級(jí)情況進(jìn)行嚴(yán)格限制。根據(jù)圖3可知,灌溉傳感器為一個(gè)擁有6個(gè)規(guī)則平面的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),最上方物理平面由一個(gè)數(shù)值顯示屏和兩個(gè)保護(hù)模具共同組成。數(shù)值顯示屏中數(shù)據(jù)信息包含上、下兩部分,其中相對(duì)較小的數(shù)值結(jié)果表示當(dāng)前灌溉用水輸出量,較大數(shù)值結(jié)果表示灌溉操作所需的總用水輸出量[7]。在不發(fā)生執(zhí)行故障的條件下,較小數(shù)值始終不會(huì)等于極大數(shù)值,二值的數(shù)量級(jí)單位均為L(zhǎng)/min。作為智能化控制系統(tǒng)中的重要物理元件,灌溉傳感器左側(cè)物理平面包含兩個(gè)灌溉指令傳輸接口。在系統(tǒng)處于正常運(yùn)行的條件下,由核心計(jì)算機(jī)生成的灌溉指令數(shù)據(jù)借助ZigBee無(wú)線模塊進(jìn)入單片機(jī)控制芯片,再通過(guò)接入節(jié)點(diǎn)進(jìn)入BI信道中,經(jīng)過(guò)一系列的分析利用后,與水流量控制、總耗水量設(shè)置等操作相關(guān)的物理信息,經(jīng)由傳感器自帶的指令傳輸接口進(jìn)入下級(jí)智能化控制結(jié)構(gòu)中。
PU15-TN15DNO設(shè)備作為系統(tǒng)施肥傳感器組織,借助AI信道與系統(tǒng)核心計(jì)算機(jī)相連,可在適應(yīng)系統(tǒng)執(zhí)行工作能力的基礎(chǔ)上,對(duì)促生長(zhǎng)性化肥施用量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。從結(jié)構(gòu)層次來(lái)看,施肥傳感器的物理形態(tài)類似一個(gè)“圓音叉”,依靠一個(gè)旋轉(zhuǎn)螺絲固定AI數(shù)據(jù)線與設(shè)備體結(jié)構(gòu)間的物理連接。AI信道左右兩側(cè)分設(shè)兩個(gè)智能感知輔助體,可對(duì)施肥傳感器組織中流通的控制信息數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)促性調(diào)節(jié)。當(dāng)施肥控制指令經(jīng)由AI信道進(jìn)入施肥傳感器組織后,感知輔助體釋放信息促傳因子,并將完整的控制數(shù)據(jù)均勻分成左、右兩部分,并將其分別傳輸至前饋觸發(fā)器中,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一次完整系統(tǒng)施肥控制指令的傳感處理。
圖3 灌溉傳感器 圖4 施肥傳感器
智能化電平轉(zhuǎn)換電路中主要包含一個(gè)CC2530繼電器、一系列CPU串口和一個(gè)TTL??匮b置。其中,CC2530繼電器負(fù)責(zé)輸出系統(tǒng)運(yùn)行所需的全部量子參量,且為保證系統(tǒng)環(huán)境中配電量的絕對(duì)性平衡,繼電器下端直接連通接地線,上端均勻支出三條物理電子傳輸通道,一條與下端電平通路相同,直接連通系統(tǒng)接地線,另外兩條通路在阻電容的促進(jìn)下,先后向灌溉傳感器電阻、施肥傳感器電阻傳輸一定量的流通電子,以保證在水肥用量控制指令傳輸?shù)倪^(guò)程中,相關(guān)硬件執(zhí)行設(shè)備始終能夠獲取足量的電平供應(yīng)。CPU串口是智能化控制技術(shù)支持下的物理助連結(jié)構(gòu),存在于與繼電器相連的每條電阻線首端,不具備特殊意義的物理功能,但可在系統(tǒng)電平出現(xiàn)下降時(shí),加速繼電器的電子輸出進(jìn)程,達(dá)到維持系統(tǒng)用電平衡的目的[8]。TTL??匮b置包含9個(gè)物理連接引腳,其中1~5號(hào)引腳連接系統(tǒng)的灌溉傳感器電阻與施肥傳感器電阻,6~9號(hào)引腳則直接與CC2530繼電器相連,可在獲取傳輸電子的同時(shí),通過(guò)電平消耗量,感知系統(tǒng)中水肥量的具體應(yīng)用情況,進(jìn)而對(duì)灌溉施肥信息進(jìn)行更好的智能化控制。
圖5 智能化電平轉(zhuǎn)換電路圖
借助相關(guān)設(shè)備元件,通過(guò)HORNER OCS通訊協(xié)議,實(shí)現(xiàn)灌溉施肥組態(tài)節(jié)點(diǎn)連接,完成基于HORNER OCS的灌溉施肥智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
HORNER OCS通訊協(xié)議是應(yīng)用于單片機(jī)控制芯片與系統(tǒng)傳感器之間的傳輸性促進(jìn)物質(zhì),可對(duì)灌溉用水信息及施肥量信息進(jìn)行嚴(yán)格的篩選控制,并以此達(dá)到提升系統(tǒng)智能化精準(zhǔn)控制水平的目的。在協(xié)同控制模型的約束下,ZigBee無(wú)線模塊中的信息數(shù)據(jù)只能保持順向傳播形式,進(jìn)而限定單片機(jī)控制芯片內(nèi)的系統(tǒng)執(zhí)行指令只能經(jīng)由AD物理接口傳輸至結(jié)構(gòu)型接入接口,即灌溉傳感器、施肥傳感器兩個(gè)物理組織結(jié)構(gòu)只能同時(shí)建立與單片機(jī)控制芯片的物理連接[9]。為保證灌溉、施肥兩類控制信息數(shù)據(jù)不出現(xiàn)混亂傳輸行為,HORNER OCS通訊協(xié)議的執(zhí)行功能可劃分為提取判斷和連通兩個(gè)物理階段。在灌溉控制信息占據(jù)主導(dǎo)傳輸條件時(shí),HORNER OCS通訊協(xié)議與灌溉傳感器建立主要連接、與施肥傳感器建立次要連接(完成提取判斷),進(jìn)而使系統(tǒng)對(duì)于灌溉用水的智能化控制指令得以穩(wěn)定傳輸。在施肥控制信息占據(jù)主導(dǎo)傳輸條件時(shí),HORNER OCS通訊協(xié)議與施肥傳感器建立主要連接、與灌溉傳感器建立次要連接(完成提取判斷),進(jìn)而使系統(tǒng)對(duì)于化肥用量的智能化控制指令得以穩(wěn)定傳輸。
灌溉施肥組態(tài)節(jié)點(diǎn)包含灌溉節(jié)點(diǎn)、施肥節(jié)點(diǎn)兩類主觀組態(tài)形式,是直接影響灌溉傳感器、施肥傳感器接入系統(tǒng)的關(guān)鍵物理因素。在HORNER OCS通訊協(xié)議的促進(jìn)下,灌溉節(jié)點(diǎn)、施肥節(jié)點(diǎn)分別散落在灌溉傳感器與施肥傳感器周圍,且為保證傳感器連接速率與系統(tǒng)連接指令傳輸周期進(jìn)行良好適配,所有節(jié)點(diǎn)均保持.mcgs的物理存在狀態(tài)。隨著系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間的增加,灌溉用水量、化肥施用量均保持逐漸上升的變化趨勢(shì),在這種物理驅(qū)使作用的影響下,處于.mcgs狀態(tài)的灌溉施肥節(jié)點(diǎn)會(huì)逐漸形成多個(gè)獨(dú)立的組態(tài)組織,且每個(gè)組織結(jié)構(gòu)中都包含數(shù)量相等的灌溉節(jié)點(diǎn)與施肥節(jié)點(diǎn)[10]。隨著系統(tǒng)消耗條件的持續(xù)上漲,單獨(dú)組態(tài)組織的促進(jìn)作用不足以支撐灌溉傳感器、施肥傳感器在系統(tǒng)中的接入傳輸功能。為解決此問(wèn)題,HORNER OCS通訊協(xié)議連接首先連接相鄰的兩個(gè)組態(tài)組織,并在確保連接狀態(tài)可行的前提下,順次連接所有組態(tài)組織,直至所有單獨(dú)灌溉節(jié)點(diǎn)與施肥節(jié)點(diǎn)都得到物理占用。至此,完成所有設(shè)備搭建及協(xié)議連接操作,實(shí)現(xiàn)基于HORNER OCS灌溉施肥智能化控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。
在同一片生長(zhǎng)園區(qū)中,圈出處于生育期內(nèi)且長(zhǎng)勢(shì)基本相同的番木瓜,任選相等數(shù)量的植株體,分別作為實(shí)驗(yàn)組、照組監(jiān)測(cè)對(duì)象。以完整負(fù)載基于HORNER OCS灌溉施肥智能化控制系統(tǒng)的主體作為監(jiān)測(cè)設(shè)備,通過(guò)調(diào)節(jié)樞紐執(zhí)行系統(tǒng)是否接入監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)的物理指令(調(diào)節(jié)樞紐打開(kāi),智能化控制系統(tǒng)接入監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié),所記錄指標(biāo)為實(shí)驗(yàn)組參考數(shù)據(jù);調(diào)節(jié)樞紐關(guān)閉,智能化控制系統(tǒng)不接入監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié),所記錄指標(biāo)為對(duì)照組參考數(shù)據(jù))。
圖6為番木瓜生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)器,藍(lán)色柱體結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)了一定量的灌溉用水及植株體生長(zhǎng)所需的化肥物質(zhì)。右側(cè)白色結(jié)構(gòu)為存儲(chǔ)顯示器,屏幕中左側(cè)數(shù)據(jù)表示水肥物質(zhì)的原始量,右側(cè)數(shù)據(jù)表示水肥物質(zhì)的現(xiàn)存量(與番木瓜植株相關(guān)的根系、葉片生長(zhǎng)數(shù)值只能存儲(chǔ)在裝置中,不進(jìn)行物理顯示)。每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次記錄,每次間隔時(shí)間相等,借助監(jiān)測(cè)主機(jī)導(dǎo)出存儲(chǔ)顯示器中番木瓜根系、葉片的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)。
圖6 番木瓜生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)器
控制調(diào)節(jié)樞紐,分別記錄實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組番木瓜根系的生長(zhǎng)尺寸,再將其導(dǎo)入監(jiān)測(cè)主機(jī)的Hangman軟件中,利用程序自帶的曲線生成屬性,繪制如圖7所示的番木瓜根系生長(zhǎng)曲線圖。
圖7 番木瓜根系生長(zhǎng)曲線圖
圖7中A1~A8曲線代表實(shí)驗(yàn)組番木瓜根系生長(zhǎng)情況,B1~B8代表對(duì)照組番木瓜根系生長(zhǎng)情況。分析6可知,隨著記錄次數(shù)的增加,實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組番木瓜根系都保持持續(xù)生長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。分別取兩組變化幅度最大的曲線進(jìn)行對(duì)比,即A4與B5。初始條件下,兩組番木瓜根系長(zhǎng)度均為0,在前3次記錄中,實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組生長(zhǎng)曲線基本保持重合,但從第4次記錄開(kāi)始,實(shí)驗(yàn)組番木瓜根系長(zhǎng)度開(kāi)始逐漸大于對(duì)照組數(shù)值,直到第5次記錄,實(shí)驗(yàn)組番木瓜根系長(zhǎng)度達(dá)到8 cm,而對(duì)照組番木瓜根系長(zhǎng)度只達(dá)到7,二者間差值為1cm。
將實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組番木瓜葉片生長(zhǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入至H-JPG Recovery軟件中,并選取其中長(zhǎng)勢(shì)最好的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行葉片生長(zhǎng)圖像復(fù)原,如圖8所示(已知H-JPG Recovery軟件可根據(jù)生長(zhǎng)數(shù)據(jù)繪制植株體器官的真實(shí)生長(zhǎng)圖片)。
分析圖8可知,實(shí)驗(yàn)組番木瓜葉片已經(jīng)呈現(xiàn)完整的閉合狀態(tài),且整個(gè)葉片較厚、片體中部相對(duì)較為肥碩。對(duì)照組番木瓜葉片依然呈現(xiàn)分離狀態(tài),兩個(gè)子葉片相對(duì)較薄,整體生長(zhǎng)速度低于實(shí)驗(yàn)組。
綜上可知,隨著基于HORNER OCS灌溉施肥智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用,番木瓜根系的生長(zhǎng)速度得到明顯促進(jìn),植株體葉片也在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了肥厚狀態(tài)。相較于普通灌溉施肥策略來(lái)說(shuō),智能化控制系統(tǒng)細(xì)化了灌溉、施肥指令的傳輸能力,針對(duì)植物器官進(jìn)行控制指令的精準(zhǔn)傳達(dá),不僅加快了植物體的生長(zhǎng)能力,也凸顯出精準(zhǔn)控制在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的重要性。
在協(xié)同控制能力模型的約束下,由ZigBee無(wú)線模塊、單片機(jī)控制芯片、灌溉施肥傳感器等硬件設(shè)備組成的新型智能化控制系統(tǒng),可有效連接HORNER OCS通訊協(xié)議,并對(duì)組態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)置,不僅最大限度提升了植物體的生長(zhǎng)速率,也從根本上提升灌溉、施肥指令的傳輸精準(zhǔn)性。從實(shí)用結(jié)果來(lái)看,隨著基于HORNER OCS灌溉施肥智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用,番木瓜根系與葉片的生長(zhǎng)速度均得到一定程度的促進(jìn),弱化不良灌溉、施肥指令傳輸對(duì)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的影響,凸顯精準(zhǔn)化控制在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的主導(dǎo)地位。