基于云边端协同技术的水肥一体化控制系统开发与应用.pdf

基于云边端协同技术的水肥一体化 控制系统开发与应用 陈维榕 李莉婕 赵泽英 韩 威 邹 玮 赵晨洁 贵州省农业科技信息研究所 贵州 贵阳 550006 摘 要 水肥一体化技术是现代农业生产中广泛应用的重要技术之一 改进与优化水肥一体化控制系 统 实现更为精准高效的水肥作业控制 对推进水肥一体技术应用的创新发展具有积极意义 为提升水肥一 体化技术应用实效 促进其推广提供技术支撑 在现行的水肥一体化设施设备基础上 通过建立云边端协同 的网络构架 并合理配置模糊控制 模型控制和优化控制3种控制策略 结合数据的流式处理技术 开发基 于云边端协同技术的水肥一体化控制系统 该系统可实现对土壤水分传感器 生长环境气象站 水泵 施 肥泵 流量计 变频器 田间灌溉电池阀等设施设备的集中管控 并通过不同控制策略的模块化部署 对相 关设施设备进行智慧管控 极大提高水肥一体化设施设备的运行效率 关键词 水肥一体 云计算 边缘计算 网络架构 控制策略 智慧农业 中图分类 号 S224 21 文献标识 码 A 文章编 号 1004 8421 2024 11 0287 0058 06 水肥一体化技术是涉及农田灌溉 作物 栽培和土壤耕作等多方面的综合性现代农业 新技术之一 其借助外部压力系统 或地形 自然落差 将可溶性固体肥料或液体肥料 根据作物需肥规律特点与水均匀混合 通过 可控管道系统 均匀 稳定 定量输送到作 物根系生长区域 将灌溉与施肥融为一体 实 现科学种植和可控化管理 可满足不同作物 在其不同生长阶段对水肥的精准需求 提升 作物品质和产量 同时提高肥料和水的利用 率 具有节水 节肥 省工 高效等优点 在 现代农业生产中得到广泛应用 随着计算机 信息技术的持续发展 水肥一体化技术得到 一定的创新发展 如基于无线物联网和移动 互联网技术研发的果园水肥一体化控制系统 可按果树所需养分和水分定量定点精确施肥 和灌溉 已在贵州多个果树种植基地进行多 年的应用示范 1 水肥管理模型是水肥一体化技术应用的 基础 为进一步优化模型参数 提升模型精度 与设备的响应速度 对水肥一体化设施设备 实现更高效精准的控制 对水肥一体化控制 系统涉及的设备与网络性能提出更高要求 云边端技术是通过将云计算与边缘计算紧密 结合 合理分配云计算与边缘计算任务 共同 完成复杂计算任务和任务调度 实现数据的 实时处理和分析 更好地响应用户需求 其 已在智慧交通 智慧城市 智慧能源等 2 3 领域广泛应用 基于其技术优势 探索云边端 技术与水肥一体化技术的结合 综合应用云 计算 边缘计算 人工智能 大数据 物联 网等技术 在水肥一体化设施运行控制中实 现云边端协同 对进一步提升水肥一体化技 术的应用效果具有积极意义 因此 依托贵 州省农业科技信息研究所智慧农业基地水肥 一体化设施 借鉴前人研究 设计与开发基于 云边端技术的水肥一体化控制系统 为提升 水肥一体化技术应用实效 促进其推广应用 提供技术支撑 1 总体架构 根据水肥一体化设施的运行逻辑 设计 收稿日期 2024 01 02 基金项目 贵州省科技计划项目 贵州数字农业技术研究创新能力建设 黔科合院所创能 2011 4001 作者简介 陈维榕 1987 女 助理研究员 从事农业信息技术研究 E mail 515239705 通信作者 赵泽英 1975 男 研究员 从事农业信息技术研究 E mail zeyingzhao 农技服务 2024 41 11 58 63 投稿网址 如图1所示的控制系统总体架构 其中 按 种植作物不同生长期对水分和养分的需求构 建作物生长模型 为制定水肥配方提供依据 根据水肥配方建立相应的控制任务 精确开 启灌溉与施肥设备进行灌溉与施肥 同时将 控制过程中的环境数据及设备状态通过网络 传输至边缘服务器进行分析 必要时同步传 输至云服务器 由后者协助边缘服务器进行 分析 通过数据分析结果适时停止灌溉与施 肥作业 选择灌溉模式 作物生长水分 养分需求配方 作物生长模型 选择灌溉区生成灌溉控制任务 打开变频水泵 打开当前需要灌溉区域的分电磁阀 土壤相关传感器 设备相关传感器 灌溉 反馈数据到边缘服务器 所有区域是否 灌溉完成 同步数据到云端服务器 关闭当前灌溉区 关闭系统 图 1 基于云边端协同的水肥一体化控制系统总体架构 2 网络架构 边缘计算是一种分布式计算架构 其将 由中心服务器负责的任务加以分解 并分发 至网络的边缘端 由边缘端负责运算 因而能 降低数据的传输时间 减小传输延迟 但边 缘端受边缘终端计算能力的限制 计算能力 有限 对于复杂计算存在无法计算或计算时 间过长的问题 云计算可将大型计算任务置 于云端处理 但对需要低延迟的应用可能受 网络带宽瓶颈制约而影响响应速度 针对边 缘计算与云计算存在的不足 云边协同将二 者有机结合 通过合理分配云计算与边缘计 算的任务 在网络架构上实现云计算的下沉 将云计算扩展到边缘计算端 将复杂的计算 模型 如预测控制和优化控制所需的计算任 务置于云端处理 同时将模糊控制集成于边 缘服务器 以解决边缘服务器计算能力弱的 问题 4 6 基于此 构建 云 边 端 的三级 网络架构 其中 云 包括云服务器或实体 服务器 负责复杂的水肥管控策略计算 管 控计划配置及任务生成 水肥设备操作日志 及环境数据汇总与分析 边 为实体服务器 负责简单的水肥管控计划配置及任务生成 以及设备连接 管控与数据采集 并能与云 服务器进行数据同步 端 为PLC 可编程 逻辑控制器 组态屏 负责简单的水肥管控 策略配置与执行 以及与相关设备进行交互 图2 云服务器 互联网 无线 4G 5G 路由器1 n 边服务器 局域网 控制器 1 n 组态屏 设备1 n 网关1 n 传感器1 n 图 2 基于云边端协同的水肥一体化控制系统网络架构 另外 为保障系统的网络安全 根据 管 理 分析 决策 处置一体化 的建设理念 将云服务器 网络控制端的安全资源集成于 统一的安全解决方案中 通过统一的管理平 台对传感器 控制设备 云服务器 边服务 器等配置相应的安全资源 安全策略和安全 边界 按需部署在云边端的安全资源上 统一 全网各节点和终端的网络安全性能 降低策 略配置错误引发的冲突和冗余 实现安全风 险实时检测 威胁主动研判 智能全局 防控 11 期陈维榕 等 基于云边端协同技术的水肥一体化控制系统开发与应用 59 3 数据处理 云边端协同的水肥一体化控制系统架构 涉及边缘传感器采集数据的处理 数据安全 性 灌溉电磁阀控制的自动化 智能化 高 可用性和可扩展性等 需处理的数据类型包 括环境传感器数据 植株生长数据 设备传 感器数据 其中 环境传感器数据包括土壤 温湿度 空气温湿度 降雨量 蒸发量等 是水肥一体化技术最基础的数据 植株生长 数据包括作物生长周期 作物不同生长期的 需水量和需水时间 设备传感器数据包括流 量 灌溉时长 水池水深 水泵状态 田间 电磁阀状态等 是保障水肥一体化系统供水 的关键因子 由于控制设备须实时响应下达 的灌溉与施肥任务 实时数据流在云边端协 同架构中至关重要 通过对数据采取流式处 理技术 包括使用流式处理引擎和复杂事件 处理系统 以快速执行控制任务 同时对数据 进行转化 清洗 聚合和挖掘 图3 通过数 据分析 为长期的水肥运筹决策提供依据 土壤温度1 土壤温湿度 电流数据 电压数据 电阻数据 数据转化 数据清理数据分析 传感器 土壤温湿度 传感器 空气温湿度 传感器 空气温湿度 传感器 土壤温度n 土壤湿度1 土壤湿度n 空气温度1 空气温度n 空气湿度1 空气湿度n 土壤温度 土壤湿度 空气温度 空气湿度 聚合和挖掘有效数据 水泵控制策略 分区电磁阀控制策略 施肥泵控制策略 图 3 基于云边端协同的水肥一体化控制系统数据处理流程 4 系统控制 系统的控制策略包括模糊控制 模型控 制和优化控制3种 可根据作物生长环境的 动态变化和作物实际水肥需求进行选择和优 化 从而提高设备管控的动态响应速度和稳 定性 4 1 模糊控制 模糊控制是基于模糊逻辑的控制方法 可应用于复杂的非线性系统 有研究表明 将模糊控制策略应用于水肥一体化系统的水 分与肥液混合控制 可较好地实现节水与提 质的双重改善 7 借鉴前人研究 通过将输入 土壤监测数据量和输出量进行模糊化处理 利用模糊规则进行推理和决策 实现对水肥 一体化系统的控制 图4 4 2 模型预测控制 基于作物不同生长期的水肥需求建立生 长模型 是系统预测与控制的关键部分 基 于作物生长模型 结合作物生长环境与生长 状态建立动态算法 根据传感器采集数据的 变化 实现对系统状态的预测和控制 通过持 续的预测和调整 可逐步优化系统性能 及时 有效适应作物生长过程中的水肥需求变化 4 3 优化控制 优化控制是在模型预测的基础上 对其 输入1 土壤水分 输入2 土壤温度 输入3 空气温度 水肥模糊控制器 输出1 水泵启停时间 输出2 施肥泵启停时 图 4 水肥一体化系统的模糊控制过程 60 农 技 服 务 每一个时间点的迭代求解优化 通过反复的 预测和优化求解得到最优的水肥需求量 并 将其作为控制器参数输出作用于水肥设备 优化控制的求解耗时较长 而控制器下达动 作指令对实时性要求较强 优化控制无法兼 顾预测结果的精确度与快速执行控制命令 是优化控制目前的主要缺点之一 4 4 不同控制策略的性能比较与选择 为选择适宜的控制策略 对云边端水肥 一体化控制系统在不同控制策略下进行精准 化作业的性能进行验证 将模糊控制 模型 预测控制 优化控制3种策略分别部署在边 端服务器和云端服务器 在边端进行同一条 件的参数数据输入 参考张继飞等 8 在智慧 渔业水产养殖监控设备网络部署中对传输时 长的计算方法 考察不同控制策略在不同服 务器端的响应时长 假设水肥一体化系统中边端分区的供水 电磁阀部署在为M的正方形区域 L为水肥 一体化设备网络拓扑结构中的链路负载 P 为网络中节点的带宽 为网络的输入信号 d为信号的输送距离 采用能耗均衡调度 得 到输出的信道模型M M L P d2 基于上式 设R为设备网络拓扑电阻 为设备网络吞吐量 T为设备电磁阀节点的链 路平均功耗 采用全网均衡控制方法 进一步 得到系统中物联网设备的网络拓扑带宽Tc Tc L P R T M 基于传感节点部署 结合自适应路由转 发协议 设i为田间电磁阀节点 q为设备多 脉冲响应值 计算m阶信道模型的反射特征 量 得出水肥一体化控制系统设备的信道传 输时延ti n ti n M i 1 q Tc i 利用贵州省农业科技信息研究所智慧农 业基地火龙果种植试验数据 根据上述公式 计算得出 模糊控制策略在边端响应时长较 短 为0 09 s 较模型预测控制和优化控制策 略在不同部署位置的平均响应时长更短 表1 原因主要是模糊控制的计算简单 对 服务器性能要求低 网络传输时长因此极大 缩短 因而模糊控制策略部署在边端服务器 较云端更合适 模型预测和优化控制策略均 对服务器的计算能力要求较高 其在云端服 务器的响应时长较边端服务器更短 分别相 差0 03 s和0 05 s 因而更适合部署在云端服 务器 表 1 不同控制策略下水肥一体化控制系统的平均响应时长 控制策略类型部署位置平均响应时长 s 模糊控制边服务器0 09 云服务器0 16 模型预测控制边服务器0 18 云服务器0 15 优化控制边服务器0 35 云服务器0 30 根据不同控制策略的性能表现与实际的 控制需求 对其进行相应的配置 其中 模糊 控制策略仅针对作物生长土壤水分 土壤温 度 空气温度3个参数 将各参数的5次有 效数据平差处理后作为模糊计算的数据输入 与针对火龙果当前生长周期所设置的触发水 泵或施肥泵启停阈值进行比较 生成水泵或 施肥泵启停指令 模型控制策略基于火龙果 不同生长周期对空气温湿度 光照强度 日 照时长 土壤温湿度 降雨量的要求 按各 因素在火龙果生长周期中的影响因子权重 通过数据提取处理和计算分析后 计算触发 水泵或施肥泵的启停概率 并据此生成启停 指令 优化控制策略是在模糊控制策略基础 上 除空气温湿度 光照强度 日照时长等 输入参数外 加入气象预测数据 对其每一个 时间点的数据进行迭代求解 计算触发水泵 或施肥泵的启停概率 并生成启停指令 5 系统应用 依托现行的水肥一体化设施设备 通过 11 期陈维榕 等 基于云边端协同技术的水肥一体化控制系统开发与应用 61 建立云边端协同的网络构架并配置相应的控 制策略 开发建立基于云边端协同模式的水 肥一体化控制系统 该系统在贵州省农业科 技信息研究所智慧农业基地开展试验应用 可实现对土壤水分传感器 生长环境气象站 水泵 施肥泵 流量计 变频器 田间灌溉 电池阀等设施设备的集中管控 并通过不同 控制策略的模块化部署 对相关设备进行智 能控制 极大提高水肥一体化设备的运行 效率 5 1 设备管理 对生产基地现有设备 根据其功能特点 分类进行管理 涉及设备的基础信息与安装 信息 如设备名称 设备类型 安装位置 设备状态 父级设备 子级设备 关联设备 通讯协议 转化规则等 图5 图 5 水肥一体化控制系统的设备管理页面 5 2 数据监测 对在线设备可查看实时数据 可查看传 感器设备当前采集的数据和历史数据 且可 对异常数据进行标识 以便后期建模时进行 数据校验 同时对历史数据进行分析 进一 步掌握生产基地的环境变化特征和趋势 图6 5 3 智慧控制 智慧控制主要结合生产基地种植的作物 生长情况 环境信息 通过模糊控制 模型 控制和优化控制3种不同策略对基地水泵 施肥泵 田间电磁阀进行智能管控 实现基 地水肥灌溉无人化管理 必要时系统也提供 手动管控 5 4 设备告警 对设备异常情况进行告警提醒 包括设 备状态异常和采集监控数据异常告警 管理 员可对告警信息进行响应 执行相应控制任 务 经处理的告警信息不再重复提醒 图7 图 6 水肥一体化控制系统的传感器监测数据 图 7 水肥一体化控制系统的设备告警页面 62 农 技 服 务 6 小结 水肥一体化技术在我国于20世纪80年 代初步应用 经多年的研究与实践 水肥一体 化技术已在我国果园生产中得到广泛应用 对果树种植实现节水节肥提供了有效的技术 手段 精准高效的水肥一体化作业控制是保 障水肥一体化技术应用效果的关键 对此 将云边端协同技术 作物生长模型与现行的 水肥一体化设施设备进行有机结合 发挥不 同数据处理设备的性能优势 并合理部署不 同的控制策略 可建立更为精准高效的水肥 一体化控制系统 考虑到实际生产受各种因 素影响的复杂性 未来须进一步根据现实生 产条件与需求 优化不同控制策略的部署方 式 提高控制系统对数据进行处理与分析的 性能与可靠性 提高水肥一体化作业的执行 效率 同时 探索人工智能技术在水肥一体化 控制系统中的应用 9 提高水肥一体化控制系 统的智能化水平 推进水肥一体化技术的创 新发展 参 考 文 献 陈维榕 王虎 彭志良 等 基于物联网的果园水肥一 体化控制系统的开发与应用 J 贵州农业科学 2016 44 8 140 143 1 朱思峰 宋兆威 陈昊 等 智慧交通场景下云边端协 同的多目标优化卸载决策 J 西安电子科技大学学报 2024 51 3 63 75 2 肖靖 曾锦松 许佳庆 等 基于云边端协同技术的电 力安全管控系统设计 J 供用电 2023 40 5 44 52 3 徐尤华 熊传玉 智慧农业下的水肥一体机精准化作 业研究 J 农机化研究 2024 46 8 231 234 239 4 杨立杰 赵楠 潘彦鹏 等 面向装备运用的云边端大 数据应用架构设计 J 网络安全与数据治理 2023 42 S2 150 155 5 宋今 张河翔 云边端融合的算网架构在智慧园区中 的应用研究 J 信息通信技术与政策 2024 50 2 55 62 6 胡伟强 基于模糊策略的水肥一体机控制可行性分 析 J 农机化研究 2024 46 8 226 230 7 张继飞 魏茂春 林超 智慧渔业水产养殖系统物联设 备安全监控技术 J 信息技术 2022 4 2 97 101 8 刘炳铄 果园分布式水肥一体化系统设计与实现 D 泰安 山东农业大学 2021 9 责任编辑 黄筑斌 11 期陈维榕 等 基于云边端协同技术的水肥一体化控制系统开发与应用 63