碳減排政策下的農(nóng)機(jī)裝備智能優(yōu)化作業(yè)研究

張航程,馬忠輝,何舒卉

(1.武漢城市學(xué)院,武漢 430075;2.東風(fēng)乘用車(chē)有限公司 制造管理部,武漢 430058)

0 引言

我國(guó)是人口大國(guó),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。隨著科技的發(fā)展,機(jī)械化農(nóng)業(yè)裝備的使用有效提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)效率,減少了農(nóng)民的工作量。但是,傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)裝備仍然主要依賴(lài)人力進(jìn)行調(diào)整控制以及農(nóng)作物、環(huán)境狀態(tài)等的監(jiān)測(cè)[1-2],無(wú)法有效保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化和效率化。另一方面,傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)裝備還是能源消耗大戶(hù),在作業(yè)過(guò)程中的溫室氣體排放量大,造成的高能耗、高污染問(wèn)題對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康造成了巨大的威脅;同時(shí),煤炭、石油等化石能源價(jià)格不斷上漲,人類(lèi)正面臨能源危機(jī),故改變當(dāng)前農(nóng)機(jī)裝備現(xiàn)狀迫在眉睫。

農(nóng)機(jī)裝備智能化是指裝載有微型電腦和信息化通信系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械,通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)裝備的智能化管理。與傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)裝備相比,智能化系統(tǒng)可以對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整和控制,替代了人工操作部分,使農(nóng)機(jī)能夠適應(yīng)作業(yè)環(huán)境,不僅改善了工作環(huán)境、提高了作業(yè)效率,而且可以有效保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化和效率化[3]。

碳減排是世界各國(guó)能源戰(zhàn)略發(fā)展的重點(diǎn),我國(guó)為實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)陸續(xù)出臺(tái)了低碳相關(guān)的扶植政策。低碳農(nóng)業(yè)是以碳減排作為主要目標(biāo),通過(guò)發(fā)展可再生能源、加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施等方式轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,得到高效、低能耗和低排放的農(nóng)業(yè)。通過(guò)利用新能源為農(nóng)機(jī)裝備提供主動(dòng)力,如利用太陽(yáng)能為溫室大棚提供電能和熱能以及利用風(fēng)能進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉等[4],可以有效降低化石燃料造成的污染,減少碳排放。因此,本文在在碳減排政策下對(duì)農(nóng)機(jī)裝備的智能優(yōu)化進(jìn)行了研究。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

目前,灌溉系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的農(nóng)機(jī)裝備之一。采用太陽(yáng)能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)水和碳減排,且其太陽(yáng)能裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)還可以應(yīng)用于其他農(nóng)機(jī)裝備,故以太陽(yáng)能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)為例進(jìn)行農(nóng)機(jī)裝備的優(yōu)化。

太陽(yáng)能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的主要組成包括供電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)、抽蓄水系統(tǒng)及通訊系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The structure diagram of solar automatic irrigation system

1.2 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要用于為灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行提供動(dòng)力,主要包括太陽(yáng)能面板、蓄電池、穩(wěn)壓器、逆變器、直流變換器和輔助電源。為了延長(zhǎng)電池壽命,還增加了充放電控制器。供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 The structure diagram of power supply

太陽(yáng)能面板利用光電效應(yīng),通過(guò)半導(dǎo)體光電二極管將輻射的光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?產(chǎn)生電流;發(fā)電以后的電能可以直接給其他的設(shè)備供電,多余電量則儲(chǔ)存至蓄電池。

蓄電池用于將太陽(yáng)能面板產(chǎn)生的多余電量存儲(chǔ)起來(lái),在雨天或者夜晚可以繼續(xù)為設(shè)備供電[5]。

由于光照強(qiáng)度不同,太陽(yáng)能電池板不能持續(xù)提供穩(wěn)壓電流,為了保護(hù)設(shè)備的正常作業(yè),需要利用穩(wěn)壓器將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)壓電流。

逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?同時(shí)還具有升壓功能。直流變換器則是將電壓分壓,以保證不同負(fù)載的設(shè)備使用。

在南方的梅雨季節(jié),長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)光照導(dǎo)致蓄電池的電量用盡,設(shè)備無(wú)法運(yùn)行。為此,系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)接口,用于緊急情況時(shí)連接輔助電源,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的智能控制,主要組成包括單片機(jī)、傳感器信號(hào)處理模塊、人機(jī)交互模塊以及AD轉(zhuǎn)換模塊。其中,單片機(jī)是整個(gè)灌溉系統(tǒng)的核心處理單元,負(fù)責(zé)接收各傳感器經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊后的數(shù)據(jù)并分析處理,再驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)灌溉。單片機(jī)采用低功耗、抗干擾且高速的STV89C516RD型號(hào)單片機(jī),如圖3所示。

圖3 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure diagram of MCU

1.4 監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度和管道壓力是否處于最佳狀態(tài),以便及時(shí)做出響應(yīng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要組成為土壤濕度傳感器、相對(duì)濕度傳感器、熱電阻PT100溫度傳感器、全數(shù)字式溫度傳感器、水位控制器、壓力傳感器和光照度傳感器。其中,土壤濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器采集電路圖如圖4所示。

圖4 電路圖感器Fig.4 Circuit diagram

顯示系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)顯示灌溉系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)以及農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境,同時(shí)對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行操作。顯示系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機(jī)界面,在通訊接口上采用Modbus協(xié)議[6],該接口可以適用于不同的產(chǎn)品。

1.5 抽蓄水和灌溉執(zhí)行系統(tǒng)

抽蓄水系統(tǒng)主要用于為灌溉系統(tǒng)提供水源,包括水泵和蓄水池。若蓄水池內(nèi)仍有水,則采用水泵抽水灌溉;若蓄水池內(nèi)水已用完,則自動(dòng)采用自來(lái)水灌溉。

若灌溉區(qū)域較小,灌溉執(zhí)行系統(tǒng)可采用灌溉管網(wǎng)的方式,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。若灌溉區(qū)域大,則可以采用噴灌、微噴灌等方式。

圖5 灌溉管網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 The schematic diagram of irrigation pipe network structure

1.6 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)主要用于將農(nóng)作物灌溉節(jié)點(diǎn)的溫濕度、光照等信息進(jìn)行采集并傳遞,使控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)并穩(wěn)定地監(jiān)控作物生長(zhǎng)環(huán)境是否在最佳狀態(tài),以便自動(dòng)控制系統(tǒng)做出反應(yīng)。通訊系統(tǒng)采用成本較低、復(fù)雜度低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定且快的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信的方式進(jìn)行信息的傳遞,其算法如圖6所示。

圖6 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由算法圖Fig.6 ZigBee wireless routing algorithm diagram

2 智能節(jié)水控制算法設(shè)計(jì)

灌溉系統(tǒng)在作業(yè)時(shí),無(wú)法精確得到灌溉過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,而模糊控制器則不需要了解精確的數(shù)學(xué)模型,僅通過(guò)經(jīng)驗(yàn)即可對(duì)模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),因故采用模糊控制器對(duì)智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行控制[7-8]。

2.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)和組成

模糊控制器主要包括兩種,即常規(guī)和自校正模糊控制器。為了降低系統(tǒng)誤差,提高控制精度和魯棒性,系統(tǒng)采用自校正模糊控制器結(jié)構(gòu),如圖7所示[9]。

圖7 自校正模糊控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.7 The structure diagram of self-correcting fuzzy controller

模糊化過(guò)程是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,并作為輸入值傳遞至單片機(jī);然后,通過(guò)模糊化函數(shù)將轉(zhuǎn)化到論域范圍的輸入值定義成語(yǔ)言,形成模糊集合;最后,利用模糊控制器進(jìn)行推理并進(jìn)行控制。

對(duì)于灌溉系統(tǒng),模糊化函數(shù)采用控制較為穩(wěn)定的梯形隸屬度函數(shù)。模糊邏輯推理方法采用多輸入模糊推理方法進(jìn)行計(jì)算,該方法的語(yǔ)言規(guī)則是“如果A且B,那么C”以及“現(xiàn)在是A′且B′”。該語(yǔ)言規(guī)則用數(shù)學(xué)方法表示為

μA(p)∧μB(q)→μC(ω)

其模糊關(guān)系矩陣為

R=AB×C

用瑪達(dá)尼推理,矩陣表示為

R=[μA(p)∧μB(q)]∧μC(ω)

通過(guò)推理得到結(jié)果為

C=(A′andB′)°[(AandB)→C]

=[A′°(A→C)]∩[B′°(B→C)]

該推理方法的隸屬度函數(shù)為

μC(ω)=(αA∧αB)μC(ω)

輸入值經(jīng)過(guò)推理后得到的是一個(gè)模糊集合,無(wú)法驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),還需要將模糊集合通過(guò)精確化過(guò)程轉(zhuǎn)化為精確數(shù)值。本系統(tǒng)采用重心法進(jìn)行數(shù)值的精確,即將輸出的模糊集合以隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)表示。該曲線(xiàn)與坐標(biāo)軸共同圍成了封閉區(qū)域,區(qū)域重心即為數(shù)值精確后的結(jié)果。其中,連續(xù)域的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

離散域的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

2.2 智能節(jié)水模糊控制器設(shè)計(jì)

智能節(jié)水模糊控制器為單輸出的二維模糊控制器,主要對(duì)土壤濕度進(jìn)行控制,其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 智能節(jié)水模糊控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structure diagram of intelligent water-saving fuzzy controller

圖8中,r為土壤濕度設(shè)定值;y為土壤實(shí)際濕度;t為采樣周期。

該控制器的檢測(cè)參數(shù)為土壤濕度,土壤濕度誤差e、誤差變化率ec作為輸入變量,電磁閥控制量μ為輸出變量。通過(guò)該模糊控制器可以實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證太陽(yáng)能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的性能,對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是否能夠正常作業(yè),主要取決于其信息傳遞是否準(zhǔn)確以及自動(dòng)控制系統(tǒng)是否可以精確控制。因此,在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)主要包括數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)和自動(dòng)灌溉控制試驗(yàn)。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)

選取一片農(nóng)田,將傳感器均勻布置于農(nóng)田內(nèi)部,監(jiān)測(cè)農(nóng)田在24h內(nèi)的土壤濕度、土壤溫度以及光照度;然后,人工測(cè)試土壤的濕度、溫度,并將顯示屏上的讀數(shù)與人工測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知,顯示屏的讀數(shù)與人工測(cè)試結(jié)果的誤差均不大于3%,說(shuō)明數(shù)據(jù)獲取和傳輸準(zhǔn)確可靠。

3.2 自動(dòng)灌溉控制試驗(yàn)

首先,將該灌溉系統(tǒng)布置于封閉環(huán)境,設(shè)置系統(tǒng)的最佳濕度,然后,人工調(diào)整土壤的濕度,測(cè)試系統(tǒng)是否可以自動(dòng)實(shí)施灌溉。設(shè)置數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)照如表2所示。

表2 自動(dòng)灌溉控制試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知:系統(tǒng)能夠根據(jù)土壤濕度自動(dòng)啟動(dòng)灌溉,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能。

4 結(jié)論

1)針對(duì)我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備能源消耗過(guò)大導(dǎo)致溫室氣體排放多、智能化程度較低的問(wèn)題,以太陽(yáng)能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)為例,在碳減排政策下對(duì)其進(jìn)行智能優(yōu)化研究。系統(tǒng)的主要組成包括供電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)、抽蓄水系統(tǒng)以及通訊系統(tǒng)。

2)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)采用模糊控制器進(jìn)行控制,對(duì)模糊控制器的結(jié)構(gòu)、組成和算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

3)為了驗(yàn)證該系統(tǒng)性能,對(duì)其進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)灌溉控制試驗(yàn),結(jié)果表明:系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉的智能控制,且太陽(yáng)能供電裝置還可應(yīng)用于其他農(nóng)機(jī)裝備。