Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сенсорная система учета азотно-углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов (Разработка прототипа автоматизированной сис
.pdf
51
- разработаны механизмы реализации решений по оптимизации корневого
углеродного питания огурцов и томатов;
- разработана сенсорная система учета азотно-углеродного баланса в
гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов.
52
Раздел 8. Разработка прототипа автоматизированной системы
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов
8.1. Основные решения, используемые для разработки прототипа
автоматизированной системы.
Полученные Результаты позволили разработать механизмы реализации
решений по оптимизации корневого углеродно-азотного баланса в корневой
зоне овощных растений защищенного грунта. В основу разработки механизмов
для определения предельных значений заложены данные таблицы 7 первого
этапа (Корреляционная зависимость урожайности от различных показателей
углерода в теплице). Данные таблицы демонстрируют наличие высокой
взаимосвязи между поглощением углекислого газа корневой системой растений
огурцов и томатов и их урожайностью. Коэффициент корреляции превышает r
= 0,9. Процентное соотношение поглощения и выделения углекислого газа во
всех четырех блоках также тесно коррелирует с урожайность r = 0.937.
Учитывая, что процесс поглощения и выделения углекислого газа
является высокодинамичным, в механизмы реализации решений по
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов заложены три
основных решения, позволяющие использовать первичную информацию,
которая будет анализироваться каждые 15 минут, а именно:
1. Сбор и обработка информации.
2. Реализация решений о начале и прекращении подачи корректирующего
раствора.
3. Коррекция концентрации азота в базовом (минеральном) питательном
растворе. Состоит из следующих этапов:
Рассмотренные решения по оптимизации корневого углеродного питания
огурцов и томатов основаны на балансе углекислого газа
(поглощение/выделение) в корневой зоне и определяет периодичность и дозу
подачи рассчитанного корректирующего раствора в базовый питательный
раствор исходя из концентрации 1 мл/1 л. Статистическая обработка данных
53
выявила высокую взаимосвязь баланса СО2, степени поглощения азота из
питательного раствора и состава низкомолекулярных компонентов корневых
экссудатов с продуктивностью растений томата, выраженной в кг плодов с 1м
2
(см. глава 2). Подробное описание каждого из этих решения см. глава 6.
Реализация этих решений позволяет создать прототип
автоматизированной системы оптимизации корневого углеродного питания
огурцов и томатов, способный самостоятельно принимать решения и
действовать в целях поддержания азотно-углеродного баланса в системе
питания огурцов и томатов в режиме реального времени. Прототип должен
обеспечивать автоматизацию подачи выбранных удобрений в соответствии с
принятым искусственным интеллектом решением о недостаточности наличия
экспериментально определенных количественных значений корректирующего
раствора на основе органических кислот. Делается это в соответствии с
созданной математической моделью на первом этапе данного проекта. Это
позволяет максимально оптимизировать искусственную подкормку
кислотными удобрениями томаты и огурцы.
8.2. Разработка аппаратной части прототипа автоматизированной
системы.
В ходе разработки прототипа автоматизированной системы оптимизации
корневого углеродного питания было определено, что он должен состоять из
нескольких частей, часть из которых дистанционно взаимодействует между
собой в соответствии с разработанными на первом этапе реализации проекта
алгоритмами подачи углеродных удобрений (см. глава 5). Основными
составными частями прототипа являются сенсоры для получения информации о
концентрации углекислого газа, персональный компьютерный сервер, на
который загружена программа искусственного интеллекта с соединителем для
беспроводного принятия информации от сенсоров и выработки необходимых
решений (реестр обработки информации), емкость для углеродного компонента
(емкостный танк) с инжектором, обеспечивающий управление подачей этого
54
компонента, а также гидропонная система тепличного комплекса,
обеспечивающая доставку питательной смеси к огурцам и томатам.
Сенсоры представляют собой газоаналитические датчики, измеряющие
концентрацию углекислого газа в воздушном пространстве в режиме реального
времени (см. Рисунок 15).
Рисунок 15. Графическое изображение газоанализатора.
На этом рисунке:
- А- соединительный разъем;
- Б - дисплей сенсора с возможностью беспроводной отправки
информации ресиверу для обработки информации через систему Uart;
- В- газоанализатор;
- Г- конденсаторы для хранения токового заряда от 0.25 А до 0.5 А.
Погрешность в точности получаемых данных от сенсоров не превосходит
3% в связи с тем, что сенсоры проходят самокалибровку, их размеры
составляют 130 мм х 85 мм х 35 мм. Передача информации осуществляется
через беспроводную систему Uart (Modbus). Сенсоры устанавливаются с
учетом условий влияющих на равномерность распределения по площади
тепличного блока углекислого газа.
55
В связи с тем, что на рынке имеется значительное количество сенсоров,
удовлетворяющих заданным требованиям, для выбора оптимальных
газоанализаторов использовались следующим критериям:
- надежность работы;
- стоимость;
- удобство пользования сенсорами специалистами ООО "ТК
ЮгАгроХолдинг", в тепличном комплексе которого проводились исследования;
- надежность компании -производителя.
В результате для проведения исследований и последующего
использования в системе учета азотно-углеродного баланса в гидропонной
технологии выращивания огурцов и томатов был выбран сенсор -
преобразователь концентрации СО
2
с аналоговым выходом и дисплеем Sense II
Disp шведской фирмы "SenseAir", который зарекомендовал себя в качестве
надежного средства измерения.
Реестр обработки информации представляет собой персональный
компьютерный сервер, на который загружено программное обеспечение с
соединителем для беспроводного принятия информации от сенсоров. Более
подробно о разработке программного обеспечения см. ниже.
Емкостный танк с инжектором представляет собой хранилище
углеводных удобрений для томатов и огурцов с автоматизированным
инжекторным устройством открытия и закрытия крана подачи удобрений,
который получает сигнал для открытия и закрытия доступа в емкость.
Изображение инжектора от хранилища с углеводными удобрениями показано
на Рис.16.
56
Рисунок 16. Схематическое изображение инжектора от хранилища с
углеводными удобрениями.
Данное устройство разрабатывалось с возможностью беспроводной связи
с ресивером обработки информации. Программа обрабатывает полученную
информацию, принимает решение о необходимости добавления удобрений к
растениям томатов и огурцов на основании информации об углекислом газе от
сенсоров. Данная команда направляется на инжектор от хранилища удобрений.
Инжектор открывает кран доступа к емкости. Кран доступа соединен с
гидропонной системой тепличного комплекса, которая доставляет удобрение в
нужный блок с растениями.
Гидропонная система тепличного комплекса состоит из многопролетной
рамочной конструкции типа «холодного домика». Высота колонны 6 м, пролет
8 м и шаг колонн 4.5 м. Этот комплекс состоит из четырех блоков каждая из
которых вмещает до 105 рядов растений огурцов томатов. На Рисунке 17 дано
изображение ряда в системе тепличного комплекса
57
Рисунок 17. Изображение ряда в системы тепличного комплекса
Общая схема прототипа автоматизированной системы оптимизации
корневого углеродного питания огурцов и томатов показана на Рис.18.
Разработанная система автоматизации создана для оптимизации питания
растений. При этом критериями, от которых зависит эта оптимизация,
являются:
1) степень автоматизации процесса доставки питания;
2) эффективность доставки питания для растений в каждом мате;
3)состав питания;
4) условия начала и конца доставки питания.
58
Рисунок 18. Схема прототипа автоматизированной системы оптимизации
корневого углеродного питания огурцов и томатов
Разработанный прототип является полностью автоматизированным.
Газоанализаторы проводят измерения углекислого газа в воздушном
пространстве через фиксированные промежутки времени, которые были
выявлены экспериментально (см. первый этап). Полученная информация
передается на реестр обработки информации, где проводится анализ
полученных данных и на основании разработанных алгоритмов работы
прототипа (см. первый этап) принимаются следующие решения:
- продолжать собирать данные если количество углекислого газа
соответствует номинальным значениям, которые были вычислены в ходе
исследований первого этапа;
59
- добавление питания отдельному блоку. В случае если значения
углекислого газа выходят за значения номинальных, принимается решение о
необходимости добавления питания отдельному блоку. В этом случае реестр
посылает сигнал на инжектор для начала транспортировки удобрительного
питания для растений. Инжектор в свою очередь подключен к резервуару для
питания и соединительным шлангом подключен к гидропонной системе
тепличного комплекса. Гидропонная система доставляет питание в
необходимый участок тепличного комплекса. Сенсоры опять делают анализ
углекислого газа в воздушном пространстве и этот процесс циклически
повторяется пока количество углекислого газа в воздушном пространстве не
входит в заданные значения. После этого транспортировка удобрительного
питания для огурцов и томатов прекращается.
Состав питания, а также условия начала и окончания доставки питания к
огурцам и томатам были определены экспериментально на основе данных,
полученных в ходе исследований, проведенных на первом этапе реализации
проекта.
Таким образом разработанный прототип автоматизированной системы
оптимизации корневого углеродного питания представляет собой систему,
состоящую из нескольких частей (рисунок 4), которая позволяет анализировать
данные об углекислом газе, и при необходимости давать добавку питания или
изолировать растение от него.
8.3. Разработка программного обеспечения прототипа
автоматизированной системы оптимизации корневого углеродного
питания.
Разработка программного обеспечения прототипа автоматизированной
системы оптимизации корневого углеродного питания состоит из двух частей-
создания текста программного обеспечения (самой программы) и разработка
программной документации.
1. Создание текста программного обеспечения.
60
1.1. Выбор и описание языка программирования. В связи с требованием
гибкости в разработке программного обеспечения прототипа
автоматизированной системы и оперативности при его работе в качестве
основного языка программирования выбран Python. Язык Python –
высокоуровневый язык программирования общего назначения с динамической
строгой типизацией и автоматическим управлением памятью, ориентированный
на повышение производительности разработчика, читаемости кода и его
качества, а также на обеспечение переносимости написанных на нём программ.
Язык является полностью объектно-ориентированным — всё является
объектами. Синтаксис ядра языка минималистичен. Сам же язык известен как
интерпретируемый и используется в том числе для написания скриптов.
Python является мультипарадигмальным языком программирования,
поддерживающим императивное, процедурное, структурное, объектно-
ориентированное программирование, метапрограммирование и
функциональное программирование. Задачи обобщённого программирования
решаются за счёт динамической типизации. Аспектно-ориентированное
программирование частично поддерживается через декораторы, более
полноценная поддержка обеспечивается дополнительными фреймворками.
Такие методики как контрактное и логическое программирование можно
реализовать с помощью библиотек или расширений. Основные архитектурные
черты — динамическая типизация, автоматическое управление памятью,
полная интроспекция, механизм обработки исключений, поддержка
многопоточных вычислений с глобальной блокировкой интерпретатора (GIL),
высокоуровневые структуры данных. Поддерживается разбиение программ на
модули, которые, в свою очередь, могут объединяться в пакеты.
При написании текста программы использовалась эталонная реализации
Python, которой является интерпретатор CPython, поддерживающий
большинство активно используемых платформ и являющийся стандартом де-
факто языка. Он распространяется под свободной лицензией Python Software
Foundation License, позволяющей использовать его без ограничений в любых
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]