基于物联网及数字孪生技术的数字农业系统设计与实现

作者：曲井致

摘要:数字农业是我国农业现代化的重要组成部分,是实现乡村振兴战略的有力抓手｡物联网技术是实现数字农业的重要技术手段，数字孪生是物联网技术的重要技术，能够实现现实世界中事务在网络世界的数字映射，为了实现农业现代化，进一步解放人力物力，对远程监控和操控数字农业的深入研究具有非常重要的意义。在应用传感器检测技术和无线通信技术的基础上，大力发展数字农业，为我国农业现代化奠定了基础。本文从数字农业项目的建设目标､设计架构､建设内容等方面入手,详细介绍了多参数并存的智能温室大棚的系统设计，采用不需要被控对象而具有确切数学模型的模糊控制算法，实现对被控对象的智能控制。结果表明，该方法能将采集到的环境因子进行耦合，达到使植物生长的最优效果，从而满足温室大棚的控制要求。

关键词:数字农业;物联网;三农;乡村振兴

1系统的整体开发

1.1系统总体设计

智能大棚的监控系统需在温度､湿度､光照度变送器的配合下,采集多个位置的温度､湿度及光照强度等环境参数,通过采集到的环境因子建立控制温室大棚内的升降温､加去湿和补遮光子系统｡

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”。数字孪生技术能够更真实直观的反应农业种植情况，实现更精细化的田间管理，并具有系统可复制和扩展强的特点。运用该技术能够为数字农业提供标准化的物模型基础，并是系统具有了与其他系统兼容和互联互通的基础，为数字农业健康快速发展提供有力支撑。

物联网监测系统有助于维持最佳条件，以确保更好的作物质量。例如，农业中的天气监测有助于估算种植高质量作物所需的水、化肥和营养物质的准确供应。与其他产品相比，使用物联网监测系统种植的农产品也更符合市场规范。根据要实现的控制功能要求,设计的智能大棚监控系统结构如图1所示｡

图1智能大棚系统结构图

智能大棚结合物联网技术搭建而成的构架如图2所示｡其中,应用层经操作人员操作,通过被程序化的触摸屏和PLC一体机进行一系列的远程监控和操作｡网络层通过无线传输协议RS-485和ModBusRTU,将感知层部分通过传感器采集到的温度､湿度､光照度等参数传输到触摸屏端并显示｡感知层通过温度､湿度､光照度变送器等传感器,采集外界的环境因子数据｡各层间环环相扣,搭建成物联网架构｡

图2温室大棚监控系统各层架构图

1.2硬件开发设计

触摸屏摸屏通过RS-485黄蓝两线进行连接｡该套硬件设备可减少人工操作,拥有性价比高和高效便捷的优点｡智能大棚监控平台的无线传输节点结构如图3所示｡其主要模块包括采集温湿度等环境因子的数据采集传感器､负责接收数据的接口单元及信号调制单元､将接收到的数据进行无线传输的转换模块以及为以上模块提供能量的供电模块｡

图3无线传输节点结构图

1.3软件开发设计

CoolMayHMI和GXWorks2构成了智能大棚监控平台的软件开发系统,前者可实现对监控画面的编辑与应用,后者可利用梯形图编程实现对大棚的自动控制功能｡系统的软件实现流程如图4所示｡

图4系统的软件实现流程

温室监控系统由传感器串口模块传输采集到的温湿度等环境因子,如图5所示｡温室监控系统由物联网设备和自动控制部分构成｡其中,数据采集模块通过接口与外界联系,通过软件编程实现对温湿度等参数的自动控制｡简单来说,温室控制系统就是通过将温湿度光照度传感器安装在温室环境中采集数据,通过无线传输协议将采集到的数据传输到监控设备,通过控制系统将指令发送到升降温､加去湿和补遮光设备,进而对温室环境进行调节控制,提高作物产量｡

2系统的模糊控制研究

智能大棚作为一种高度复杂的被控对象,具有多变量､干扰､强耦合等不确定特点｡温室内的各项参数间互相耦合,而传统的温室控制系统只考虑了部分影响因素,不具备数字农业的条件｡在这种情况下,本文选用较成熟的模糊PID控制,以达到控制效果显著的目的｡

图5温室监控系统控制框图

针对不同的环境,制定了一系列控制策略｡在冬季,若温室内整体温度过高,则启动降温设备,关闭遮阳帘,打开排风扇,将室外冷空气与室内空气进行循环交换,待温度达到期望值时停止操作｡在炎热的夏季,若温室内过于干燥,则打开加湿器给室内加湿,直到室内湿度与农作物生长所需达到平衡｡当外界环境严重影响室内时,如多日连续阴雨或极寒,则需打开升温设备,保持室内温度平衡｡

2.1模糊控制系统

模糊控制系统首先需要确定其输入变量,即模糊化,然后生成模糊规则表,再结合模糊规则表和规则库进行解模糊,最后得出一套完整的模糊控制策略｡模糊控制系统模型如图7所示｡

图7模糊控制系统模型

2.2模糊控制器

(1)模糊化｡温室环境控制模型如图8所示｡将温室中影响作物生长的温度､湿度和光照度分别赋值E1､E2､E3,传感器实时测得的数据为e1､e2､e3,则X1=E1-e1､X2=E2-e2､X3=E3-e3,X为精确输入量｡将加湿器､遮阳帘､排风扇､补光灯分为高输出､低输出､零三个等级,根据系统实际情况取值｡

3系统功能实现

为实现智能大棚的监控系统功能,应将温湿度间互相制约的因素考虑在内,即温湿度的耦合关系｡夏季炎热环境中应优先考虑湿度,夏季气候湿润,湿度过大时,应打开去湿干燥设备,当环境中的湿度达到平衡后再考虑温度的调节｡同理,冬季气候干燥,温度偏低,应优先考虑温度,再满足湿度条件｡在试验室搭建由上位机控制系统和下位机控制柜组成的试验平台,人机交互界面中的监控操作页面如图9所示｡该系统的控制流程是温湿度光照度变送器采集周围环境的温度､湿度及光照度,由RS-485通信将采集的模拟量转换为数字量后,通过HMI画面设置实时显示到触摸屏上｡当温度､湿度或者光照度某项参数严重超标时,系统会通过程序进行报警,否则显示机器运转正常｡试验结果表明,上位机可显示并监测大棚内的温湿度和光照度等参数,实时并高效地掌握温室内环境的变化｡下位机可准确采集环境数据,并将其传输到监控设备｡

图9CoolMayHMI组态页面图

由试验数据可得,温度30℃､湿度60%RH､光照度3000Lux为试验作物最适宜生长的环境｡当棚内传感器监测到的环境数据为温度35℃､湿度80%RH､光照度5000Lux时,需进行差值运算｡由模糊PID控制的操作步骤得到的模糊规则为PM､ZO､NS时,经过模糊规则表演算,需进行降温､去湿和遮光操作,即需打开排风扇､遮阳板和加湿器｡

4结语

我国是农业大国,而非农业强国，物联网技术将是农业强国的重要手段，数字孪生能够为数字农业健康发展提供有力保障和技术基础｡数字农业能够有效改善农业生态环境｡将农田､畜牧养殖场､水产养殖基地等生产单位和周边的生态环境视为整体,并通过对其物质交换和能量循环关系进行系统､精密运算,保障农业生产的生态环境在可承受范围内｡

参考文献

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