楊 波,魏文政,陳 盟,李肖男
(1.山東省調(diào)水工程運行維護中心東營分中心,山東 東營 257300;2.山東省調(diào)水工程運行維護中心寒亭管理站,山東 濰坊 261100)
當(dāng)下水資源日益緊缺,農(nóng)作物發(fā)展受到水資源短缺的影響,節(jié)水灌溉成為當(dāng)今研究核心問題。節(jié)水灌溉是依據(jù)農(nóng)作物需水情況,綜合考慮當(dāng)?shù)毓┧?guī)模,充分利用灌溉水獲取農(nóng)業(yè)最佳經(jīng)濟效益。節(jié)水灌溉的選擇受到多種因素的影響,僅從一個指標(biāo)進行選擇,得到的結(jié)論具有片面性,這樣選出的節(jié)水灌溉措施不能達到最佳生態(tài)環(huán)境效益。因此,結(jié)合該地區(qū)生態(tài)環(huán)境,合理選擇節(jié)水灌溉技術(shù)會給環(huán)境帶來積極影響。節(jié)水灌溉方式改變了傳統(tǒng)的大水漫灌方式,農(nóng)作物生長周期不同,其實際需水要求也是不同的,為此,在設(shè)計節(jié)水灌溉系統(tǒng)的同時,適時滿足農(nóng)作物對水分的需求,可以提高農(nóng)作物抗倒伏能力。
以往研究人員大多采用RS- 485總線通信方式設(shè)計智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng),采用AT89S52單片機設(shè)計智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng),采用模糊控制原理設(shè)計智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng),上述3種系統(tǒng)雖然引進了微灌、滴灌方式,但仍存在灌溉基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的問題,導(dǎo)致灌溉效果不明顯。近幾年迅速發(fā)展起來的無線通信技術(shù)在傳輸速度方面占據(jù)更大優(yōu)勢,采用紅外、藍牙無線通信技術(shù)進行開發(fā),其信號覆蓋范圍較廣,由此可見,采用當(dāng)下高科技設(shè)計智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)非常有必要。
基于上述背景,提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),按照合理控制方式通過智能設(shè)備控制農(nóng)作物節(jié)水灌溉系統(tǒng),不僅可以彌補以往傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足,還能達到高效灌溉效果,有效實現(xiàn)節(jié)水灌溉。
圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)采用智能手機進行遠程控制,并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)作物周圍環(huán)境溫度、濕度、光照強度和土壤濕度數(shù)據(jù)進行監(jiān)測,實現(xiàn)智能化節(jié)水灌溉。
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持下,逐層構(gòu)建神經(jīng)元,使該網(wǎng)絡(luò)成為一個單層網(wǎng)絡(luò),保證所有層次經(jīng)過訓(xùn)練后,輸出層和輸入層之間的權(quán)重變?yōu)殡p向。在三層訓(xùn)練學(xué)習(xí)過程中,如果樣本充足,那么三層權(quán)重能夠很好地預(yù)測新樣本,以此獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果,保證時間復(fù)雜度達到最小。
該系統(tǒng)主要由信息通信模塊、工控機組控制系統(tǒng)、PLC、數(shù)據(jù)采集模塊、循環(huán)節(jié)水灌溉模塊及地下水溫度監(jiān)測模塊組成,其總體架構(gòu)如圖2所示。
圖2 總體架構(gòu)
(1)信息通信模塊
用戶使用智能手機控制農(nóng)作物灌溉,提取水位、水溫數(shù)據(jù),及時控制曬水池中循環(huán)水泵的啟動與中斷。當(dāng)用戶通過手機向系統(tǒng)發(fā)送控制短信息時,需先通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑦m配器中,再傳入系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)過解讀控制指令后,執(zhí)行相應(yīng)操作。
(2)工控機組控制系統(tǒng)
該模塊通過接收信息通訊模塊的全部信息,監(jiān)測農(nóng)作物水位高度、水溫及系統(tǒng)工作狀態(tài)。
(3)PLC
PLC即為可編程邏輯控制器,是整個系統(tǒng)的核心,該設(shè)備主要負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行綜合決策與分析。
(4)數(shù)據(jù)采集模塊
通過無線傳感器實時監(jiān)測節(jié)水灌溉狀態(tài),獲取相關(guān)信息,達到高效用水的目的。
(5)循環(huán)節(jié)水灌溉模塊
利用可編程邏輯控制器控制節(jié)水灌溉電磁閥的啟動與中斷,將曬水池中多余的水回收到曬水池中進行存儲,供下次使用。
(6)地下水溫度監(jiān)測模塊
該模塊利用循環(huán)水泵將曬水池中的水不斷輸送到加熱管之中進行加熱處理,使整個曬水池中的水溫度升高到最佳溫度,滿足灌溉需求。
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括智能手機、無線通信模塊和無線網(wǎng)關(guān)相關(guān)設(shè)備,智能手機作為系統(tǒng)智能終端控制器,用戶能夠通過發(fā)送相關(guān)指令遠程控制系統(tǒng),也可通過通信模塊遠程傳遞到手機中心實時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。
該系統(tǒng)采用曬水池加熱方式,通過循環(huán)泵將曬水池中的水引流到熱水器之中,實現(xiàn)灌溉水的快速升溫,使其滿足農(nóng)作物用水需求。在曬水池中安裝4個無限數(shù)據(jù)采集基站,以此快速檢測水池溫度和水位高低,當(dāng)曬水池中水位低于下限值時,啟動抽水泵抽取地下水;當(dāng)水溫達到上限值時,循環(huán)泵停止工作。地下水增溫模塊如圖3所示。
圖3 地下水增溫模塊
以AT82RM7500為核心設(shè)計傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu),如圖4所示。
設(shè)計包括串口的外圍硬件配置,可滿足傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)快速升級要求,以此搭建100M以太網(wǎng)接口,進而實現(xiàn)土壤周圍環(huán)境信息的遠程傳輸。
依據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計智能化節(jié)水灌溉方案。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是由采樣層、激活層和損失函數(shù)組成的,通過堆疊形式實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的灌溉方案設(shè)計,滿足學(xué)習(xí)過程中系統(tǒng)對數(shù)據(jù)量的需求。
(1)采樣層
采樣層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層,其采樣流程如圖5所示。
圖5 采樣流程
設(shè)手機獲取的圖像矩陣為f(a,b),其中a表示原始目標(biāo)圖像的長;b表示原始目標(biāo)圖像的寬,假設(shè)堆疊操作函數(shù)為z(x,y),其中x表示堆疊核的長;y表示堆疊核的寬。依據(jù)上述矩陣,可獲取輸出圖像h(a,b)的表達式:
h(a,b)=f(a,b)*z(x,y)
(1)
原始目標(biāo)圖像中存在大量無用信息,通過采樣層剔除無用信息,該過程不會出現(xiàn)信息重復(fù)現(xiàn)象,能夠有效提高圖像信息采樣精準(zhǔn)度。
(2)激活層
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,通過分析節(jié)點激活函數(shù)的輸出映射結(jié)果,能夠保證輸出值在一定閾值范圍內(nèi)。
(3)損失函數(shù)
損失函數(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中起到衡量誤差作用,能夠加快數(shù)據(jù)擬合速度。
節(jié)水灌溉方案設(shè)計是系統(tǒng)軟件部分設(shè)計的核心,主要用于實現(xiàn)對農(nóng)作物的抽水、澆水和節(jié)水灌溉。該部分所需的硬件包括1個15V電磁閥、5個鎖扣三通、5個噴頭、1個堵頭、1根10m主管、5根細(xì)管、1個水龍頭轉(zhuǎn)接口,節(jié)水灌溉各個部分連接示意圖如圖6所示。
圖6 節(jié)水灌溉模塊各個硬件連接示意圖
由圖6可知,采用電磁閥抽水避免了再添加蓄水池的麻煩,在主管道上依據(jù)灌溉區(qū)域不同,分別安裝5個鎖扣,而鎖扣具有3個連接口,分別是1個入水口、2個出水口,其作用是將主管道誰引流到細(xì)管之中,實現(xiàn)均勻灌溉?;诖?,設(shè)計基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)程序流程設(shè)計,如圖7所示。
圖7 智能化節(jié)水灌溉程序流程設(shè)計
依據(jù)圖7所示的流程,用戶可以隨時發(fā)送指令到系統(tǒng)之中,由此實現(xiàn)智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計。
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)工藝流程如圖8所示。
圖8 工藝流程
工藝流程里的1表示電動閥,該電動閥主要是由在線儀表和遠程智能設(shè)備控制的,通過AT82RM7500傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)傳輸各項數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)統(tǒng)計并上傳到云平臺,存儲并分析實時在線記錄和查詢歷史操作行為,實現(xiàn)智能化節(jié)水灌溉。
臨沂節(jié)水灌溉項目中的土渠輸水渠道利用系數(shù)通常為0.4~0.5,大部分水都滲漏或蒸發(fā)掉了。噴灌方式受到風(fēng)向的影響較大,容易出現(xiàn)不均勻噴灑現(xiàn)象,因此,渠道滲漏是節(jié)水灌溉的主要目的。以臨沂節(jié)水灌溉項目為研究對象,改造山塘28口,灌溉渠道10條,高效節(jié)水面積3500余畝,采用FPGA平臺驗證基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計的有效性,并對系統(tǒng)進行調(diào)試。
系統(tǒng)設(shè)計過程中除了依據(jù)溫度和土壤濕度展開的研究,還研究了灌溉地形、農(nóng)作物種類等多種因素對系統(tǒng)灌溉效率的影響,因此,需統(tǒng)計實際用水量、節(jié)水量、污水利用量作為實驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù),見表1。
由表1可知,不同灌溉地形和農(nóng)作物種類下實際用水量、節(jié)水量、污水利用量也大不相同,平原地區(qū)的油料作物的用水效率更合理。因此,選擇平原地區(qū)的油料作物作為研究對象,分別采用傳統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)與基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果進行對比分析,以此驗證該系統(tǒng)設(shè)計的有效性。
表1 實驗數(shù)據(jù)分析
在智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)調(diào)試過程中,系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度如圖9所示。
圖9 系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度
由圖9可知,當(dāng)時間為0~0.2s時,智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)處于反應(yīng)階段,系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度在0~2v范圍內(nèi)變化;當(dāng)時間為0.2~0.85s時,智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)處于啟動階段,速度在2~16v范圍內(nèi)變化;當(dāng)時間為0.85~1.2s時,智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)處于運行階段,速度在2~6.2v范圍內(nèi)變化;當(dāng)時間為1.2~1.4s時,智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)處于中斷階段,速度在0~3.8v范圍內(nèi)變化。在系統(tǒng)中設(shè)計地下水增溫模塊能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉水的快速升溫,在傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)處添加外圍硬件配置可滿足傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)快速升級要求,因此在系統(tǒng)啟動階段,系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度變快。
依據(jù)上述系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度,將傳統(tǒng)系統(tǒng)與所設(shè)計系統(tǒng)的節(jié)水灌溉效果進行對比分析,結(jié)果如圖10所示。
圖10 兩種系統(tǒng)節(jié)水灌溉效果
由圖10可知,在反應(yīng)階段,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達34%,采用所設(shè)計系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達48%;在啟動階段,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達48%,采用所設(shè)計系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達77%;在運行階段,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達51%,采用所設(shè)計系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達86%;在中斷階段,采用傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達53%,采用所設(shè)計系統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達94%。
基于系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度分析結(jié)果可知,所設(shè)計的系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動階段調(diào)節(jié)速度較快,而設(shè)計節(jié)水灌溉模塊采用電磁閥抽水避免了再添加蓄水池的麻煩,節(jié)省了大量時間,提高了系統(tǒng)運行效率,促使所設(shè)計的節(jié)水灌溉系統(tǒng)灌溉效率也大大增加。其智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計是有效的,且節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉效果最高可達94%。
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),提高了灌溉效率,減少了人為干預(yù)。通過對節(jié)水灌溉適宜技術(shù)的選擇,驗證該系統(tǒng)的有效性,為節(jié)水灌溉提供一種新思路,減少了由于大量排水造成的浪費,保護了生態(tài)農(nóng)業(yè)?;谏鲜鰞?nèi)容,結(jié)合5G、大數(shù)據(jù)、運計算等先進信息化手段,文章所采用的智能節(jié)水灌溉架構(gòu)可為最終實現(xiàn)“農(nóng)業(yè)智慧節(jié)水灌溉”奠定扎實基礎(chǔ)。