基于云邊端協(xié)同技術的水肥一體化控制系統(tǒng)開發(fā)與應用.pdf

基于云邊端協(xié)同技術的水肥一體化 控制系統(tǒng)開發(fā)與應用 陳維榕 李莉婕 趙澤英 韓 威 鄒 瑋 趙晨潔 貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所 貴州 貴陽 550006 摘 要 水肥一體化技術是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的重要技術之一 改進與優(yōu)化水肥一體化控制系 統(tǒng) 實現(xiàn)更為精準高效的水肥作業(yè)控制 對推進水肥一體技術應用的創(chuàng)新發(fā)展具有積極意義 為提升水肥一 體化技術應用實效 促進其推廣提供技術支撐 在現(xiàn)行的水肥一體化設施設備基礎上 通過建立云邊端協(xié)同 的網(wǎng)絡構架 并合理配置模糊控制 模型控制和優(yōu)化控制3種控制策略 結合數(shù)據(jù)的流式處理技術 開發(fā)基 于云邊端協(xié)同技術的水肥一體化控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)可實現(xiàn)對土壤水分傳感器 生長環(huán)境氣象站 水泵 施 肥泵 流量計 變頻器 田間灌溉電池閥等設施設備的集中管控 并通過不同控制策略的模塊化部署 對相 關設施設備進行智慧管控 極大提高水肥一體化設施設備的運行效率 關鍵詞 水肥一體 云計算 邊緣計算 網(wǎng)絡架構 控制策略 智慧農(nóng)業(yè) 中圖分類 號 S224 21 文獻標識 碼 A 文章編 號 1004 8421 2024 11 0287 0058 06 水肥一體化技術是涉及農(nóng)田灌溉 作物 栽培和土壤耕作等多方面的綜合性現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 新技術之一 其借助外部壓力系統(tǒng) 或地形 自然落差 將可溶性固體肥料或液體肥料 根據(jù)作物需肥規(guī)律特點與水均勻混合 通過 可控管道系統(tǒng) 均勻 穩(wěn)定 定量輸送到作 物根系生長區(qū)域 將灌溉與施肥融為一體 實 現(xiàn)科學種植和可控化管理 可滿足不同作物 在其不同生長階段對水肥的精準需求 提升 作物品質(zhì)和產(chǎn)量 同時提高肥料和水的利用 率 具有節(jié)水 節(jié)肥 省工 高效等優(yōu)點 在 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用 隨著計算機 信息技術的持續(xù)發(fā)展 水肥一體化技術得到 一定的創(chuàng)新發(fā)展 如基于無線物聯(lián)網(wǎng)和移動 互聯(lián)網(wǎng)技術研發(fā)的果園水肥一體化控制系統(tǒng) 可按果樹所需養(yǎng)分和水分定量定點精確施肥 和灌溉 已在貴州多個果樹種植基地進行多 年的應用示范 1 水肥管理模型是水肥一體化技術應用的 基礎 為進一步優(yōu)化模型參數(shù) 提升模型精度 與設備的響應速度 對水肥一體化設施設備 實現(xiàn)更高效精準的控制 對水肥一體化控制 系統(tǒng)涉及的設備與網(wǎng)絡性能提出更高要求 云邊端技術是通過將云計算與邊緣計算緊密 結合 合理分配云計算與邊緣計算任務 共同 完成復雜計算任務和任務調(diào)度 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 實時處理和分析 更好地響應用戶需求 其 已在智慧交通 智慧城市 智慧能源等 2 3 領域廣泛應用 基于其技術優(yōu)勢 探索云邊端 技術與水肥一體化技術的結合 綜合應用云 計算 邊緣計算 人工智能 大數(shù)據(jù) 物聯(lián) 網(wǎng)等技術 在水肥一體化設施運行控制中實 現(xiàn)云邊端協(xié)同 對進一步提升水肥一體化技 術的應用效果具有積極意義 因此 依托貴 州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所智慧農(nóng)業(yè)基地水肥 一體化設施 借鑒前人研究 設計與開發(fā)基于 云邊端技術的水肥一體化控制系統(tǒng) 為提升 水肥一體化技術應用實效 促進其推廣應用 提供技術支撐 1 總體架構 根據(jù)水肥一體化設施的運行邏輯 設計 收稿日期 2024 01 02 基金項目 貴州省科技計劃項目 貴州數(shù)字農(nóng)業(yè)技術研究創(chuàng)新能力建設 黔科合院所創(chuàng)能 2011 4001 作者簡介 陳維榕 1987 女 助理研究員 從事農(nóng)業(yè)信息技術研究 E mail 515239705 通信作者 趙澤英 1975 男 研究員 從事農(nóng)業(yè)信息技術研究 E mail zeyingzhao 農(nóng)技服務 2024 41 11 58 63 投稿網(wǎng)址 如圖1所示的控制系統(tǒng)總體架構 其中 按 種植作物不同生長期對水分和養(yǎng)分的需求構 建作物生長模型 為制定水肥配方提供依據(jù) 根據(jù)水肥配方建立相應的控制任務 精確開 啟灌溉與施肥設備進行灌溉與施肥 同時將 控制過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)及設備狀態(tài)通過網(wǎng)絡 傳輸至邊緣服務器進行分析 必要時同步傳 輸至云服務器 由后者協(xié)助邊緣服務器進行 分析 通過數(shù)據(jù)分析結果適時停止灌溉與施 肥作業(yè) 選擇灌溉模式 作物生長水分 養(yǎng)分需求配方 作物生長模型 選擇灌溉區(qū)生成灌溉控制任務 打開變頻水泵 打開當前需要灌溉區(qū)域的分電磁閥 土壤相關傳感器 設備相關傳感器 灌溉 反饋數(shù)據(jù)到邊緣服務器 所有區(qū)域是否 灌溉完成 同步數(shù)據(jù)到云端服務器 關閉當前灌溉區(qū) 關閉系統(tǒng) 圖 1 基于云邊端協(xié)同的水肥一體化控制系統(tǒng)總體架構 2 網(wǎng)絡架構 邊緣計算是一種分布式計算架構 其將 由中心服務器負責的任務加以分解 并分發(fā) 至網(wǎng)絡的邊緣端 由邊緣端負責運算 因而能 降低數(shù)據(jù)的傳輸時間 減小傳輸延遲 但邊 緣端受邊緣終端計算能力的限制 計算能力 有限 對于復雜計算存在無法計算或計算時 間過長的問題 云計算可將大型計算任務置 于云端處理 但對需要低延遲的應用可能受 網(wǎng)絡帶寬瓶頸制約而影響響應速度 針對邊 緣計算與云計算存在的不足 云邊協(xié)同將二 者有機結合 通過合理分配云計算與邊緣計 算的任務 在網(wǎng)絡架構上實現(xiàn)云計算的下沉 將云計算擴展到邊緣計算端 將復雜的計算 模型 如預測控制和優(yōu)化控制所需的計算任 務置于云端處理 同時將模糊控制集成于邊 緣服務器 以解決邊緣服務器計算能力弱的 問題 4 6 基于此 構建 云 邊 端 的三級 網(wǎng)絡架構 其中 云 包括云服務器或?qū)嶓w 服務器 負責復雜的水肥管控策略計算 管 控計劃配置及任務生成 水肥設備操作日志 及環(huán)境數(shù)據(jù)匯總與分析 邊 為實體服務器 負責簡單的水肥管控計劃配置及任務生成 以及設備連接 管控與數(shù)據(jù)采集 并能與云 服務器進行數(shù)據(jù)同步 端 為PLC 可編程 邏輯控制器 組態(tài)屏 負責簡單的水肥管控 策略配置與執(zhí)行 以及與相關設備進行交互 圖2 云服務器 互聯(lián)網(wǎng) 無線 4G 5G 路由器1 n 邊服務器 局域網(wǎng) 控制器 1 n 組態(tài)屏 設備1 n 網(wǎng)關1 n 傳感器1 n 圖 2 基于云邊端協(xié)同的水肥一體化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構 另外 為保障系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全 根據(jù) 管 理 分析 決策 處置一體化 的建設理念 將云服務器 網(wǎng)絡控制端的安全資源集成于 統(tǒng)一的安全解決方案中 通過統(tǒng)一的管理平 臺對傳感器 控制設備 云服務器 邊服務 器等配置相應的安全資源 安全策略和安全 邊界 按需部署在云邊端的安全資源上 統(tǒng)一 全網(wǎng)各節(jié)點和終端的網(wǎng)絡安全性能 降低策 略配置錯誤引發(fā)的沖突和冗余 實現(xiàn)安全風 險實時檢測 威脅主動研判 智能全局 防控 11 期陳維榕 等 基于云邊端協(xié)同技術的水肥一體化控制系統(tǒng)開發(fā)與應用 59 3 數(shù)據(jù)處理 云邊端協(xié)同的水肥一體化控制系統(tǒng)架構 涉及邊緣傳感器采集數(shù)據(jù)的處理 數(shù)據(jù)安全 性 灌溉電磁閥控制的自動化 智能化 高 可用性和可擴展性等 需處理的數(shù)據(jù)類型包 括環(huán)境傳感器數(shù)據(jù) 植株生長數(shù)據(jù) 設備傳 感器數(shù)據(jù) 其中 環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)包括土壤 溫濕度 空氣溫濕度 降雨量 蒸發(fā)量等 是水肥一體化技術最基礎的數(shù)據(jù) 植株生長 數(shù)據(jù)包括作物生長周期 作物不同生長期的 需水量和需水時間 設備傳感器數(shù)據(jù)包括流 量 灌溉時長 水池水深 水泵狀態(tài) 田間 電磁閥狀態(tài)等 是保障水肥一體化系統(tǒng)供水 的關鍵因子 由于控制設備須實時響應下達 的灌溉與施肥任務 實時數(shù)據(jù)流在云邊端協(xié) 同架構中至關重要 通過對數(shù)據(jù)采取流式處 理技術 包括使用流式處理引擎和復雜事件 處理系統(tǒng) 以快速執(zhí)行控制任務 同時對數(shù)據(jù) 進行轉化 清洗 聚合和挖掘 圖3 通過數(shù) 據(jù)分析 為長期的水肥運籌決策提供依據(jù) 土壤溫度1 土壤溫濕度 電流數(shù)據(jù) 電壓數(shù)據(jù) 電阻數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)轉化 數(shù)據(jù)清理數(shù)據(jù)分析 傳感器 土壤溫濕度 傳感器 空氣溫濕度 傳感器 空氣溫濕度 傳感器 土壤溫度n 土壤濕度1 土壤濕度n 空氣溫度1 空氣溫度n 空氣濕度1 空氣濕度n 土壤溫度 土壤濕度 空氣溫度 空氣濕度 聚合和挖掘有效數(shù)據(jù) 水泵控制策略 分區(qū)電磁閥控制策略 施肥泵控制策略 圖 3 基于云邊端協(xié)同的水肥一體化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程 4 系統(tǒng)控制 系統(tǒng)的控制策略包括模糊控制 模型控 制和優(yōu)化控制3種 可根據(jù)作物生長環(huán)境的 動態(tài)變化和作物實際水肥需求進行選擇和優(yōu) 化 從而提高設備管控的動態(tài)響應速度和穩(wěn) 定性 4 1 模糊控制 模糊控制是基于模糊邏輯的控制方法 可應用于復雜的非線性系統(tǒng) 有研究表明 將模糊控制策略應用于水肥一體化系統(tǒng)的水 分與肥液混合控制 可較好地實現(xiàn)節(jié)水與提 質(zhì)的雙重改善 7 借鑒前人研究 通過將輸入 土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)量和輸出量進行模糊化處理 利用模糊規(guī)則進行推理和決策 實現(xiàn)對水肥 一體化系統(tǒng)的控制 圖4 4 2 模型預測控制 基于作物不同生長期的水肥需求建立生 長模型 是系統(tǒng)預測與控制的關鍵部分 基 于作物生長模型 結合作物生長環(huán)境與生長 狀態(tài)建立動態(tài)算法 根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)的 變化 實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的預測和控制 通過持 續(xù)的預測和調(diào)整 可逐步優(yōu)化系統(tǒng)性能 及時 有效適應作物生長過程中的水肥需求變化 4 3 優(yōu)化控制 優(yōu)化控制是在模型預測的基礎上 對其 輸入1 土壤水分 輸入2 土壤溫度 輸入3 空氣溫度 水肥模糊控制器 輸出1 水泵啟停時間 輸出2 施肥泵啟停時 圖 4 水肥一體化系統(tǒng)的模糊控制過程 60 農(nóng) 技 服 務 每一個時間點的迭代求解優(yōu)化 通過反復的 預測和優(yōu)化求解得到最優(yōu)的水肥需求量 并 將其作為控制器參數(shù)輸出作用于水肥設備 優(yōu)化控制的求解耗時較長 而控制器下達動 作指令對實時性要求較強 優(yōu)化控制無法兼 顧預測結果的精確度與快速執(zhí)行控制命令 是優(yōu)化控制目前的主要缺點之一 4 4 不同控制策略的性能比較與選擇 為選擇適宜的控制策略 對云邊端水肥 一體化控制系統(tǒng)在不同控制策略下進行精準 化作業(yè)的性能進行驗證 將模糊控制 模型 預測控制 優(yōu)化控制3種策略分別部署在邊 端服務器和云端服務器 在邊端進行同一條 件的參數(shù)數(shù)據(jù)輸入 參考張繼飛等 8 在智慧 漁業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控設備網(wǎng)絡部署中對傳輸時 長的計算方法 考察不同控制策略在不同服 務器端的響應時長 假設水肥一體化系統(tǒng)中邊端分區(qū)的供水 電磁閥部署在為M的正方形區(qū)域 L為水肥 一體化設備網(wǎng)絡拓撲結構中的鏈路負載 P 為網(wǎng)絡中節(jié)點的帶寬 為網(wǎng)絡的輸入信號 d為信號的輸送距離 采用能耗均衡調(diào)度 得 到輸出的信道模型M M L P d2 基于上式 設R為設備網(wǎng)絡拓撲電阻 為設備網(wǎng)絡吞吐量 T為設備電磁閥節(jié)點的鏈 路平均功耗 采用全網(wǎng)均衡控制方法 進一步 得到系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)設備的網(wǎng)絡拓撲帶寬Tc Tc L P R T M 基于傳感節(jié)點部署 結合自適應路由轉 發(fā)協(xié)議 設i為田間電磁閥節(jié)點 q為設備多 脈沖響應值 計算m階信道模型的反射特征 量 得出水肥一體化控制系統(tǒng)設備的信道傳 輸時延ti n ti n M i 1 q Tc i 利用貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所智慧農(nóng) 業(yè)基地火龍果種植試驗數(shù)據(jù) 根據(jù)上述公式 計算得出 模糊控制策略在邊端響應時長較 短 為0 09 s 較模型預測控制和優(yōu)化控制策 略在不同部署位置的平均響應時長更短 表1 原因主要是模糊控制的計算簡單 對 服務器性能要求低 網(wǎng)絡傳輸時長因此極大 縮短 因而模糊控制策略部署在邊端服務器 較云端更合適 模型預測和優(yōu)化控制策略均 對服務器的計算能力要求較高 其在云端服 務器的響應時長較邊端服務器更短 分別相 差0 03 s和0 05 s 因而更適合部署在云端服 務器 表 1 不同控制策略下水肥一體化控制系統(tǒng)的平均響應時長 控制策略類型部署位置平均響應時長 s 模糊控制邊服務器0 09 云服務器0 16 模型預測控制邊服務器0 18 云服務器0 15 優(yōu)化控制邊服務器0 35 云服務器0 30 根據(jù)不同控制策略的性能表現(xiàn)與實際的 控制需求 對其進行相應的配置 其中 模糊 控制策略僅針對作物生長土壤水分 土壤溫 度 空氣溫度3個參數(shù) 將各參數(shù)的5次有 效數(shù)據(jù)平差處理后作為模糊計算的數(shù)據(jù)輸入 與針對火龍果當前生長周期所設置的觸發(fā)水 泵或施肥泵啟停閾值進行比較 生成水泵或 施肥泵啟停指令 模型控制策略基于火龍果 不同生長周期對空氣溫濕度 光照強度 日 照時長 土壤溫濕度 降雨量的要求 按各 因素在火龍果生長周期中的影響因子權重 通過數(shù)據(jù)提取處理和計算分析后 計算觸發(fā) 水泵或施肥泵的啟停概率 并據(jù)此生成啟停 指令 優(yōu)化控制策略是在模糊控制策略基礎 上 除空氣溫濕度 光照強度 日照時長等 輸入?yún)?shù)外 加入氣象預測數(shù)據(jù) 對其每一個 時間點的數(shù)據(jù)進行迭代求解 計算觸發(fā)水泵 或施肥泵的啟停概率 并生成啟停指令 5 系統(tǒng)應用 依托現(xiàn)行的水肥一體化設施設備 通過 11 期陳維榕 等 基于云邊端協(xié)同技術的水肥一體化控制系統(tǒng)開發(fā)與應用 61 建立云邊端協(xié)同的網(wǎng)絡構架并配置相應的控 制策略 開發(fā)建立基于云邊端協(xié)同模式的水 肥一體化控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)在貴州省農(nóng)業(yè)科 技信息研究所智慧農(nóng)業(yè)基地開展試驗應用 可實現(xiàn)對土壤水分傳感器 生長環(huán)境氣象站 水泵 施肥泵 流量計 變頻器 田間灌溉 電池閥等設施設備的集中管控 并通過不同 控制策略的模塊化部署 對相關設備進行智 能控制 極大提高水肥一體化設備的運行 效率 5 1 設備管理 對生產(chǎn)基地現(xiàn)有設備 根據(jù)其功能特點 分類進行管理 涉及設備的基礎信息與安裝 信息 如設備名稱 設備類型 安裝位置 設備狀態(tài) 父級設備 子級設備 關聯(lián)設備 通訊協(xié)議 轉化規(guī)則等 圖5 圖 5 水肥一體化控制系統(tǒng)的設備管理頁面 5 2 數(shù)據(jù)監(jiān)測 對在線設備可查看實時數(shù)據(jù) 可查看傳 感器設備當前采集的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù) 且可 對異常數(shù)據(jù)進行標識 以便后期建模時進行 數(shù)據(jù)校驗 同時對歷史數(shù)據(jù)進行分析 進一 步掌握生產(chǎn)基地的環(huán)境變化特征和趨勢 圖6 5 3 智慧控制 智慧控制主要結合生產(chǎn)基地種植的作物 生長情況 環(huán)境信息 通過模糊控制 模型 控制和優(yōu)化控制3種不同策略對基地水泵 施肥泵 田間電磁閥進行智能管控 實現(xiàn)基 地水肥灌溉無人化管理 必要時系統(tǒng)也提供 手動管控 5 4 設備告警 對設備異常情況進行告警提醒 包括設 備狀態(tài)異常和采集監(jiān)控數(shù)據(jù)異常告警 管理 員可對告警信息進行響應 執(zhí)行相應控制任 務 經(jīng)處理的告警信息不再重復提醒 圖7 圖 6 水肥一體化控制系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù) 圖 7 水肥一體化控制系統(tǒng)的設備告警頁面 62 農(nóng) 技 服 務 6 小結 水肥一體化技術在我國于20世紀80年 代初步應用 經(jīng)多年的研究與實踐 水肥一體 化技術已在我國果園生產(chǎn)中得到廣泛應用 對果樹種植實現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥提供了有效的技術 手段 精準高效的水肥一體化作業(yè)控制是保 障水肥一體化技術應用效果的關鍵 對此 將云邊端協(xié)同技術 作物生長模型與現(xiàn)行的 水肥一體化設施設備進行有機結合 發(fā)揮不 同數(shù)據(jù)處理設備的性能優(yōu)勢 并合理部署不 同的控制策略 可建立更為精準高效的水肥 一體化控制系統(tǒng) 考慮到實際生產(chǎn)受各種因 素影響的復雜性 未來須進一步根據(jù)現(xiàn)實生 產(chǎn)條件與需求 優(yōu)化不同控制策略的部署方 式 提高控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理與分析的 性能與可靠性 提高水肥一體化作業(yè)的執(zhí)行 效率 同時 探索人工智能技術在水肥一體化 控制系統(tǒng)中的應用 9 提高水肥一體化控制系 統(tǒng)的智能化水平 推進水肥一體化技術的創(chuàng) 新發(fā)展 參 考 文 獻 陳維榕 王虎 彭志良 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的果園水肥一 體化控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用 J 貴州農(nóng)業(yè)科學 2016 44 8 140 143 1 朱思峰 宋兆威 陳昊 等 智慧交通場景下云邊端協(xié) 同的多目標優(yōu)化卸載決策 J 西安電子科技大學學報 2024 51 3 63 75 2 肖靖 曾錦松 許佳慶 等 基于云邊端協(xié)同技術的電 力安全管控系統(tǒng)設計 J 供用電 2023 40 5 44 52 3 徐尤華 熊傳玉 智慧農(nóng)業(yè)下的水肥一體機精準化作 業(yè)研究 J 農(nóng)機化研究 2024 46 8 231 234 239 4 楊立杰 趙楠 潘彥鵬 等 面向裝備運用的云邊端大 數(shù)據(jù)應用架構設計 J 網(wǎng)絡安全與數(shù)據(jù)治理 2023 42 S2 150 155 5 宋今 張河翔 云邊端融合的算網(wǎng)架構在智慧園區(qū)中 的應用研究 J 信息通信技術與政策 2024 50 2 55 62 6 胡偉強 基于模糊策略的水肥一體機控制可行性分 析 J 農(nóng)機化研究 2024 46 8 226 230 7 張繼飛 魏茂春 林超 智慧漁業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)物聯(lián)設 備安全監(jiān)控技術 J 信息技術 2022 4 2 97 101 8 劉炳鑠 果園分布式水肥一體化系統(tǒng)設計與實現(xiàn) D 泰安 山東農(nóng)業(yè)大學 2021 9 責任編輯 黃筑斌 11 期陳維榕 等 基于云邊端協(xié)同技術的水肥一體化控制系統(tǒng)開發(fā)與應用 63