碳減排政策下的農機裝備智能優化作業研究

張航程,馬忠輝,何舒卉

(1.武漢城市學院,武漢 430075;2.東風乘用車有限公司 制造管理部,武漢 430058)

0 引言

我國是人口大國,農業生產在國民經濟中占有舉足輕重的地位。隨著科技的發展,機械化農業裝備的使用有效提高了農業作業效率,減少了農民的工作量。但是,傳統的農機裝備仍然主要依賴人力進行調整控制以及農作物、環境狀態等的監測[1-2],無法有效保證農業生產的標準化、精細化和效率化。另一方面,傳統的農機裝備還是能源消耗大戶,在作業過程中的溫室氣體排放量大,造成的高能耗、高污染問題對環境和人類健康造成了巨大的威脅;同時,煤炭、石油等化石能源價格不斷上漲,人類正面臨能源危機,故改變當前農機裝備現狀迫在眉睫。

農機裝備智能化是指裝載有微型電腦和信息化通信系統的農業機械,通過遠程控制實現對農機裝備的智能化管理。與傳統的農機裝備相比,智能化系統可以對農機進行調整和控制,替代了人工操作部分,使農機能夠適應作業環境,不僅改善了工作環境、提高了作業效率,而且可以有效保證農業生產的標準化、精細化和效率化[3]。

碳減排是世界各國能源戰略發展的重點,我國為實現碳減排目標陸續出臺了低碳相關的扶植政策。低碳農業是以碳減排作為主要目標,通過發展可再生能源、加強基礎設施等方式轉變農業生產模式,得到高效、低能耗和低排放的農業。通過利用新能源為農機裝備提供主動力,如利用太陽能為溫室大棚提供電能和熱能以及利用風能進行農業灌溉等[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農機裝備的智能優化進行了研究。

1 硬件設計

1.1 總體設計

目前,灌溉系統是應用最為廣泛的農機裝備之一。采用太陽能自動灌溉系統可以同時實現節水和碳減排,且其太陽能裝置和自動控制系統還可以應用于其他農機裝備,故以太陽能自動灌溉系統為例進行農機裝備的優化。

太陽能自動灌溉系統的主要組成包括供電系統、自動控制系統、監測和顯示系統、抽蓄水系統及通訊系統,如圖1所示。

圖1 太陽能自動灌溉系統結構簡圖Fig.1 The structure diagram of solar automatic irrigation system

1.2 供電系統

供電系統主要用于為灌溉系統的運行提供動力,主要包括太陽能面板、蓄電池、穩壓器、逆變器、直流變換器和輔助電源。為了延長電池壽命,還增加了充放電控制器。供電系統結構如圖2所示。

圖2 供電系統結構簡圖Fig.2 The structure diagram of power supply

太陽能面板利用光電效應,通過半導體光電二極管將輻射的光轉變為電能,產生電流;發電以后的電能可以直接給其他的設備供電,多余電量則儲存至蓄電池。

蓄電池用于將太陽能面板產生的多余電量存儲起來,在雨天或者夜晚可以繼續為設備供電[5]。

由于光照強度不同,太陽能電池板不能持續提供穩壓電流,為了保護設備的正常作業,需要利用穩壓器將其轉變為穩壓電流。

逆變器用于將直流電轉變為交流電,同時還具有升壓功能。直流變換器則是將電壓分壓,以保證不同負載的設備使用。

在南方的梅雨季節,長時間的無光照導致蓄電池的電量用盡,設備無法運行。為此,系統設置了一個接口,用于緊急情況時連接輔助電源,保證系統正常運行。

1.3 自動控制系統

自動控制系統用于實現對灌溉系統的智能控制,主要組成包括單片機、傳感器信號處理模塊、人機交互模塊以及AD轉換模塊。其中,單片機是整個灌溉系統的核心處理單元,負責接收各傳感器經AD轉換模塊后的數據并分析處理,再驅動執行裝置實現灌溉。單片機采用低功耗、抗干擾且高速的STV89C516RD型號單片機,如圖3所示。

圖3 單片機結構圖Fig.3 The structure diagram of MCU

1.4 監測和顯示系統

監測系統用于實時監測溫度、濕度和管道壓力是否處于最佳狀態,以便及時做出響應。監測系統主要組成為土壤濕度傳感器、相對濕度傳感器、熱電阻PT100溫度傳感器、全數字式溫度傳感器、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

顯示系統用于實時顯示灌溉系統的作業狀態以及農作物的生長環境,同時對灌溉系統進行操作。顯示系統采用觸摸屏作為人機界面,在通訊接口上采用Modbus協議[6],該接口可以適用于不同的產品。

1.5 抽蓄水和灌溉執行系統

抽蓄水系統主要用于為灌溉系統提供水源,包括水泵和蓄水池。若蓄水池內仍有水,則采用水泵抽水灌溉;若蓄水池內水已用完,則自動采用自來水灌溉。

若灌溉區域較小,灌溉執行系統可采用灌溉管網的方式,其結構簡圖如圖5所示。若灌溉區域大,則可以采用噴灌、微噴灌等方式。

圖5 灌溉管網結構簡圖Fig.5 The schematic diagram of irrigation pipe network structure

1.6 通訊系統

通訊系統主要用于將農作物灌溉節點的溫濕度、光照等信息進行采集并傳遞,使控制系統可以準確、實時并穩定地監控作物生長環境是否在最佳狀態,以便自動控制系統做出反應。通訊系統采用成本較低、復雜度低、數據傳輸穩定且快的ZigBee無線通信的方式進行信息的傳遞,其算法如圖6所示。

圖6 ZigBee無線網絡路由算法圖Fig.6 ZigBee wireless routing algorithm diagram

2 智能節水控制算法設計

灌溉系統在作業時,無法精確得到灌溉過程的數學模型,而模糊控制器則不需要了解精確的數學模型,僅通過經驗即可對模糊控制器進行設計,因故采用模糊控制器對智能灌溉系統進行控制[7-8]。

2.1 模糊控制器結構和組成

模糊控制器主要包括兩種,即常規和自校正模糊控制器。為了降低系統誤差,提高控制精度和魯棒性,系統采用自校正模糊控制器結構,如圖7所示[9]。

圖7 自校正模糊控制器結構簡圖Fig.7 The structure diagram of self-correcting fuzzy controller

模糊化過程是利用模數轉換器將監控系統采集的數據轉化為數字量,并作為輸入值傳遞至單片機;然后,通過模糊化函數將轉化到論域范圍的輸入值定義成語言,形成模糊集合;最后,利用模糊控制器進行推理并進行控制。

對于灌溉系統,模糊化函數采用控制較為穩定的梯形隸屬度函數。模糊邏輯推理方法采用多輸入模糊推理方法進行計算,該方法的語言規則是“如果A且B,那么C”以及“現在是A′且B′”。該語言規則用數學方法表示為

μA(p)∧μB(q)→μC(ω)

其模糊關系矩陣為

R=AB×C

用瑪達尼推理,矩陣表示為

R=[μA(p)∧μB(q)]∧μC(ω)

通過推理得到結果為

C=(A′andB′)°[(AandB)→C]

=[A′°(A→C)]∩[B′°(B→C)]

該推理方法的隸屬度函數為

μC(ω)=(αA∧αB)μC(ω)

輸入值經過推理后得到的是一個模糊集合,無法驅動執行機構,還需要將模糊集合通過精確化過程轉化為精確數值。本系統采用重心法進行數值的精確,即將輸出的模糊集合以隸屬度函數曲線表示。該曲線與坐標軸共同圍成了封閉區域,區域重心即為數值精確后的結果。其中,連續域的數學表達式為

離散域的數學表達式為

2.2 智能節水模糊控制器設計

智能節水模糊控制器為單輸出的二維模糊控制器,主要對土壤濕度進行控制,其結構如圖8所示。

圖8 智能節水模糊控制器結構簡圖Fig.8 Structure diagram of intelligent water-saving fuzzy controller

圖8中,r為土壤濕度設定值;y為土壤實際濕度;t為采樣周期。

該控制器的檢測參數為土壤濕度,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。通過該模糊控制器可以實現灌溉系統的自動控制。

3 試驗結果

為了驗證太陽能自動灌溉系統的性能,對其進行了試驗。自動灌溉系統是否能夠正常作業,主要取決于其信息傳遞是否準確以及自動控制系統是否可以精確控制。因此,在進行試驗設計時主要包括數據傳輸試驗和自動灌溉控制試驗。

3.1 數據傳輸試驗

選取一片農田,將傳感器均勻布置于農田內部,監測農田在24h內的土壤濕度、土壤溫度以及光照度;然后,人工測試土壤的濕度、溫度,并將顯示屏上的讀數與人工測試結果進行對比,結果如表1所示。

表1 數據傳輸試驗結果

由表1可知,顯示屏的讀數與人工測試結果的誤差均不大于3%,說明數據獲取和傳輸準確可靠。

3.2 自動灌溉控制試驗

首先,將該灌溉系統布置于封閉環境,設置系統的最佳濕度,然后,人工調整土壤的濕度,測試系統是否可以自動實施灌溉。設置數據與測試數據對照如表2所示。

表2 自動灌溉控制試驗結果

由表2可知:系統能夠根據土壤濕度自動啟動灌溉,可以實現自動控制的功能。

4 結論

1)針對我國農機裝備能源消耗過大導致溫室氣體排放多、智能化程度較低的問題,以太陽能自動灌溉系統為例,在碳減排政策下對其進行智能優化研究。系統的主要組成包括供電系統、自動控制系統、監測和顯示系統、抽蓄水系統以及通訊系統。

2)自動灌溉系統采用模糊控制器進行控制,對模糊控制器的結構、組成和算法進行了設計。

3)為了驗證該系統性能,對其進行了數據傳輸和自動灌溉控制試驗,結果表明:系統可以實現對灌溉的智能控制,且太陽能供電裝置還可應用于其他農機裝備。