基于HORNER OCS的灌溉施肥智能化控制系統

許華宇

(信陽農林學院 信息工程學院，河南 信陽 464000)

0 引言

智能化控制是實現系統操作的重要物理手段，隨著應用化標準的不斷提升，操作指令是否具有精準傳輸能力已經成為考量系統成功與否的關鍵指標[1]。在植物生長過程中，施肥、灌溉是必不可少的兩項物理培育手段，為節省人力資源條件，相關研究人員采用控制系統對植物體生長進行監測，并通過多項物理設備的共同配合，實現施肥灌溉指令的精準傳輸。

現有技術手段主要采用噴灌、滴灌等技術，完成植株的日常灌溉處理。這種方法雖然最大程度上做到了水資源的節約、保護，但所有灌溉水分子基本只能停留在作物表層，對植物生育期的基質含水量基本不產生影響。通常情況下，化肥用量、水分子用量間存在一定的數值匹配關系，但在人力資源干擾下，這種數值關系不能得到有效滿足，且為保證作物保持良好的生長狀態，絕大多數化肥施用量都是超過預期水平的，這也是農作物生產過程中水肥利用效率始終低于理想數值的主要原因。為解決上述問題，引入HORNER OCS處理技術，在協同建模的基礎上，利用ZigBee無線模塊、單片機控制芯片等設備，建立完善的硬件執行環境，再通過設置組態軟件的方式，設計新型的灌溉施肥智能化控制系統，并通過對比實驗的方式，驗證該系統的實際應用價值。

1 協同控制能力建模

協同控制能力建模包含灌溉施肥過程向量選取、協同控制定義式確定兩個物理步驟，其具體建模操作方法如下。

1.1 灌溉施肥過程向量選取

灌溉施肥過程向量是系統智能化控制的重要物理數值，可直觀體現植物生長過程中，灌溉水量、化肥需求量間的需求矛盾關系。相對于傳統的農業控制體系來說，灌溉過程直接把控了程式化的水資源應用量，既能清晰反應灌溉細節的精細應用程度，也能避免以經驗為主灌溉策略的不合理施行。施肥過程直接把控了程式化的化肥應用量，是智能化控制策略制定的重要參考指標[2]。隨著植物體生長能力的不斷增加，光合作用、呼吸作用等物理消耗能力也隨之增加。在不考慮外界影響因素的條件下，植物體生長所需的水資源主要來源于灌溉用水，而各項微量生長元素及礦物質則來源于所施用的各項化肥原料。從應用角度來看，灌溉和施肥都屬于流程性動作范疇，故在此過程中涉及到的與植物體吸收、消耗相關的物理量都包含在灌溉施肥過程向量的范疇。定義B代表植物體生長過程中的水資源消耗系數，X代表生長元素及礦物質系數，聯立B、X可將灌溉施肥過程向量計算公式表示為：

(1)

其中：μ、ω分別代表總灌溉用水量及化肥施用量，κ代表向量求取偏導系數，v代表植物體的灌溉施肥消耗指標。

1.2 協同控制定義式

協同控制是灌溉施肥智能化系統的調節處理方式，針對單一的被控植物對象，為保證其生長過程中水資源消耗量、化肥消耗量都不超過理想數值條件，必須確定一個狀態臨界值，并以該數值條件作為參考依據。在總消耗量未達到該數值條件前，驅使系統相關硬件設備增大灌溉及施肥的物理應用程度，并使其逐漸向臨界數值趨近；在總消耗量達到或超過該數值條件后，驅使系統相關硬件設備減小灌溉及施肥的物理應用程度，使其逐漸趨近臨界數值，并永不高于該數值條件[3]。協同控制定義式也可叫臨界控制值計算，利用灌溉施肥過程向量，對灌溉用水資源及化肥應用總量進行嚴格的限制約束，設p1代表灌溉用水量的邊界數值，p2代表化肥施用量的邊界數值，聯立公式(1)可將系統的協同控制定義式表示為:

(2)

其中：q1、q2分別代表灌溉控制向量和施肥控制向量，ε代表既定加權處理系數，α代表控制系統的協同處理權限參數，y代表系統協同控制處理的臨界系數條件。

2 系統設備選型

聯合系統協同控制能力建模原理，按照ZigBee無線模塊、單片機控制芯片、灌溉傳感器與施肥傳感器、智能化電平轉換電路的搭建流程，完成系統的設備選型操作。

2.1 ZigBee無線模塊

ZigBee無線模塊中集合了增強型信號收發器與8051 MCU內核設備，具備容量為256 Mb的控制指令存儲空間，在與灌溉傳感器、施肥傳感器進行物理連接的過程中，可借助USART通訊串口，傳輸水肥量的數量級利用條件，完整模塊結構如圖1。增強型信號收發器包含DMA、ADC兩類核心搭建裝置，在進行灌溉施肥控制的過程中， DMA裝置借助系統CPU向核心計算機傳輸智能化控制仲裁請求，且所有連接信息流都滿足空間大小為256 KB FLASH數據的物理傳輸限制[4]。核心計算機通過輸出信道，將與水肥利用量相關的數據信息傳輸至ADC設備中，再由相關信號收發處理裝置，對這些信息分子進行加密處理。8051 MCU內核設備作為ZigBee無線模塊的核心搭建裝置，具備多個等效計時器和兩個USART設備，一方面可按照植物體的具體種植面積，限制水流與化肥的輸出總量，另一方面可利用USART設備分別記錄灌溉、施肥處理的操作進行程度，并根據植物體的接收情況，選擇是否繼續進行灌溉施肥處理操作[5]。

圖1 ZigBee無線模塊組成結構

2.2 單片機控制芯片

單片機控制芯片采用型號為NH 1350AM2 BJP36047 1236的intel板材作為核心搭建設備，如圖2。在芯片周圍分布多個智能化控制開關，可控制板材結構與灌溉傳感器、控制板材結構與施肥傳感器之間的物理連接。單片機控制芯片作為系統智能化控制指令的關鍵輸出結構，可與ZigBee無線模塊保持長久的并列連接關系，并借助AD物理接口與上級模塊組織保持信息傳輸關系。從功能性角度來看，AD物理接口具備指向性的通斷控制功能，即所有經過單片機控制芯片的智能化水肥應用指令，始終只能保持由起點到終點的物理傳輸方向，無論核心計算機中累積的水量、化肥量數據條件是否達到額定限度條件，與系統控制結果相關的智能化水肥應用指令也只能在原有物理頻率的基礎上，保持定量傳輸[6]。單片機控制芯片左下角有兩個負責控制轉接的接入節點，分別負責建立與灌溉傳感器和施肥傳感器的物理連接，以保證在智能化控制系統的促進下，植物體始終能得到足量的水肥供應。

圖2 單片機控制芯片

2.3 灌溉傳感器與施肥傳感器

EPION EB-C1設備作為系統灌溉傳感器組織，借助BI信道與系統核心計算機相連，對系統應用過程中，灌溉用水的數量級情況進行嚴格限制。根據圖3可知，灌溉傳感器為一個擁有6個規則平面的長方體結構，最上方物理平面由一個數值顯示屏和兩個保護模具共同組成。數值顯示屏中數據信息包含上、下兩部分，其中相對較小的數值結果表示當前灌溉用水輸出量，較大數值結果表示灌溉操作所需的總用水輸出量[7]。在不發生執行故障的條件下，較小數值始終不會等于極大數值，二值的數量級單位均為L/min。作為智能化控制系統中的重要物理元件，灌溉傳感器左側物理平面包含兩個灌溉指令傳輸接口。在系統處于正常運行的條件下，由核心計算機生成的灌溉指令數據借助ZigBee無線模塊進入單片機控制芯片，再通過接入節點進入BI信道中，經過一系列的分析利用后，與水流量控制、總耗水量設置等操作相關的物理信息，經由傳感器自帶的指令傳輸接口進入下級智能化控制結構中。

PU15-TN15DNO設備作為系統施肥傳感器組織，借助AI信道與系統核心計算機相連，可在適應系統執行工作能力的基礎上，對促生長性化肥施用量進行調節控制。從結構層次來看，施肥傳感器的物理形態類似一個“圓音叉”，依靠一個旋轉螺絲固定AI數據線與設備體結構間的物理連接。AI信道左右兩側分設兩個智能感知輔助體，可對施肥傳感器組織中流通的控制信息數據進行穩促性調節。當施肥控制指令經由AI信道進入施肥傳感器組織后，感知輔助體釋放信息促傳因子，并將完整的控制數據均勻分成左、右兩部分，并將其分別傳輸至前饋觸發器中，進而實現一次完整系統施肥控制指令的傳感處理。

圖3 灌溉傳感器 圖4 施肥傳感器

2.4 智能化電平轉換電路

智能化電平轉換電路中主要包含一個CC2530繼電器、一系列CPU串口和一個TTL模控裝置。其中，CC2530繼電器負責輸出系統運行所需的全部量子參量，且為保證系統環境中配電量的絕對性平衡，繼電器下端直接連通接地線，上端均勻支出三條物理電子傳輸通道，一條與下端電平通路相同，直接連通系統接地線，另外兩條通路在阻電容的促進下，先后向灌溉傳感器電阻、施肥傳感器電阻傳輸一定量的流通電子，以保證在水肥用量控制指令傳輸的過程中，相關硬件執行設備始終能夠獲取足量的電平供應。CPU串口是智能化控制技術支持下的物理助連結構，存在于與繼電器相連的每條電阻線首端，不具備特殊意義的物理功能，但可在系統電平出現下降時，加速繼電器的電子輸出進程，達到維持系統用電平衡的目的[8]。TTL模控裝置包含9個物理連接引腳，其中1～5號引腳連接系統的灌溉傳感器電阻與施肥傳感器電阻，6～9號引腳則直接與CC2530繼電器相連，可在獲取傳輸電子的同時，通過電平消耗量，感知系統中水肥量的具體應用情況，進而對灌溉施肥信息進行更好的智能化控制。

圖5 智能化電平轉換電路圖

3 HORNER OCS組態軟件設置

借助相關設備元件，通過HORNER OCS通訊協議，實現灌溉施肥組態節點連接，完成基于HORNER OCS的灌溉施肥智能化控制系統設計。

3.1 HORNER OCS通訊協議

HORNER OCS通訊協議是應用于單片機控制芯片與系統傳感器之間的傳輸性促進物質，可對灌溉用水信息及施肥量信息進行嚴格的篩選控制，并以此達到提升系統智能化精準控制水平的目的。在協同控制模型的約束下，ZigBee無線模塊中的信息數據只能保持順向傳播形式，進而限定單片機控制芯片內的系統執行指令只能經由AD物理接口傳輸至結構型接入接口，即灌溉傳感器、施肥傳感器兩個物理組織結構只能同時建立與單片機控制芯片的物理連接[9]。為保證灌溉、施肥兩類控制信息數據不出現混亂傳輸行為，HORNER OCS通訊協議的執行功能可劃分為提取判斷和連通兩個物理階段。在灌溉控制信息占據主導傳輸條件時，HORNER OCS通訊協議與灌溉傳感器建立主要連接、與施肥傳感器建立次要連接(完成提取判斷)，進而使系統對于灌溉用水的智能化控制指令得以穩定傳輸。在施肥控制信息占據主導傳輸條件時，HORNER OCS通訊協議與施肥傳感器建立主要連接、與灌溉傳感器建立次要連接(完成提取判斷)，進而使系統對于化肥用量的智能化控制指令得以穩定傳輸。

3.2 灌溉施肥組態節點連接

灌溉施肥組態節點包含灌溉節點、施肥節點兩類主觀組態形式，是直接影響灌溉傳感器、施肥傳感器接入系統的關鍵物理因素。在HORNER OCS通訊協議的促進下，灌溉節點、施肥節點分別散落在灌溉傳感器與施肥傳感器周圍，且為保證傳感器連接速率與系統連接指令傳輸周期進行良好適配，所有節點均保持.mcgs的物理存在狀態。隨著系統執行時間的增加，灌溉用水量、化肥施用量均保持逐漸上升的變化趨勢，在這種物理驅使作用的影響下，處于.mcgs狀態的灌溉施肥節點會逐漸形成多個獨立的組態組織，且每個組織結構中都包含數量相等的灌溉節點與施肥節點[10]。隨著系統消耗條件的持續上漲，單獨組態組織的促進作用不足以支撐灌溉傳感器、施肥傳感器在系統中的接入傳輸功能。為解決此問題，HORNER OCS通訊協議連接首先連接相鄰的兩個組態組織，并在確保連接狀態可行的前提下，順次連接所有組態組織，直至所有單獨灌溉節點與施肥節點都得到物理占用。至此，完成所有設備搭建及協議連接操作，實現基于HORNER OCS灌溉施肥智能化控制系統的順利應用。

4 控制化性能監測

在同一片生長園區中，圈出處于生育期內且長勢基本相同的番木瓜，任選相等數量的植株體，分別作為實驗組、照組監測對象。以完整負載基于HORNER OCS灌溉施肥智能化控制系統的主體作為監測設備，通過調節樞紐執行系統是否接入監測環節的物理指令(調節樞紐打開，智能化控制系統接入監測環節，所記錄指標為實驗組參考數據；調節樞紐關閉，智能化控制系統不接入監測環節，所記錄指標為對照組參考數據)。

圖6為番木瓜生長監測器，藍色柱體結構中存儲了一定量的灌溉用水及植株體生長所需的化肥物質。右側白色結構為存儲顯示器，屏幕中左側數據表示水肥物質的原始量，右側數據表示水肥物質的現存量(與番木瓜植株相關的根系、葉片生長數值只能存儲在裝置中，不進行物理顯示)。每隔一段時間進行一次記錄，每次間隔時間相等，借助監測主機導出存儲顯示器中番木瓜根系、葉片的生長數據。

圖6 番木瓜生長監測器

控制調節樞紐，分別記錄實驗組、對照組番木瓜根系的生長尺寸，再將其導入監測主機的Hangman軟件中，利用程序自帶的曲線生成屬性，繪制如圖7所示的番木瓜根系生長曲線圖。

圖7 番木瓜根系生長曲線圖

圖7中A1～A8曲線代表實驗組番木瓜根系生長情況，B1～B8代表對照組番木瓜根系生長情況。分析6可知，隨著記錄次數的增加，實驗組、對照組番木瓜根系都保持持續生長的變化趨勢。分別取兩組變化幅度最大的曲線進行對比，即A4與B5。初始條件下，兩組番木瓜根系長度均為0，在前3次記錄中，實驗組、對照組生長曲線基本保持重合，但從第4次記錄開始，實驗組番木瓜根系長度開始逐漸大于對照組數值，直到第5次記錄，實驗組番木瓜根系長度達到8 cm，而對照組番木瓜根系長度只達到7，二者間差值為1cm。

將實驗組、對照組番木瓜葉片生長數據導入至H-JPG Recovery軟件中，并選取其中長勢最好的一組數據進行葉片生長圖像復原，如圖8所示(已知H-JPG Recovery軟件可根據生長數據繪制植株體器官的真實生長圖片)。

分析圖8可知，實驗組番木瓜葉片已經呈現完整的閉合狀態，且整個葉片較厚、片體中部相對較為肥碩。對照組番木瓜葉片依然呈現分離狀態，兩個子葉片相對較薄，整體生長速度低于實驗組。

綜上可知，隨著基于HORNER OCS灌溉施肥智能化控制系統的應用，番木瓜根系的生長速度得到明顯促進，植株體葉片也在短時間內達到了肥厚狀態。相較于普通灌溉施肥策略來說，智能化控制系統細化了灌溉、施肥指令的傳輸能力，針對植物器官進行控制指令的精準傳達，不僅加快了植物體的生長能力，也凸顯出精準控制在系統應用過程中的重要性。

5 結束語

在協同控制能力模型的約束下，由ZigBee無線模塊、單片機控制芯片、灌溉施肥傳感器等硬件設備組成的新型智能化控制系統，可有效連接HORNER OCS通訊協議，并對組態節點進行精準設置，不僅最大限度提升了植物體的生長速率，也從根本上提升灌溉、施肥指令的傳輸精準性。從實用結果來看，隨著基于HORNER OCS灌溉施肥智能化控制系統的應用，番木瓜根系與葉片的生長速度均得到一定程度的促進，弱化不良灌溉、施肥指令傳輸對系統平穩運行的影響，凸顯精準化控制在系統應用過程中的主導地位。