eng
Выпуск #7/2025
Л. Григорьян, Н. Богатов, М. Коваленко
ИЗМЕРИТЕЛЬНО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ЭФФЕКТИВНОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ЭФФЕКТИВНОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Просмотры: 900
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.249.7.98.103
В статье представлены интеллектуальные радиосенсоры для измерительно-управляющей системы рационального орошения почвы. Радиосенсоры характеризуются многоканальностью, двойным питанием от фотоэлектрических преобразователей
и Li-ion-аккумулятора, поддерживают режим энергосбережения и обладают защитой от электромагнитных помех.
В статье представлены интеллектуальные радиосенсоры для измерительно-управляющей системы рационального орошения почвы. Радиосенсоры характеризуются многоканальностью, двойным питанием от фотоэлектрических преобразователей
и Li-ion-аккумулятора, поддерживают режим энергосбережения и обладают защитой от электромагнитных помех.
Теги: agricultural crops irrigation measuring and control system radio sensors soil измерительно-управляющая система орошение почва радиосенсоры сельскохозяйственные культуры
Измерительно-управляющая система эффективного водопользования сельскохозяйственного назначения
Л. Григорьян, к. ф.-м. н., Н. Богатов, д. ф.-м. н., М. Коваленко, к. ф.-м. н.
В работе рассмотрены вопросы рационального водопользования сельскохозяйственных предприятий на основе автоматизации процессов сбора информации о состоянии почвы и поддержания необходимого микроклимата с помощью систем автоматического орошения. Предложена концепция интеллектуальных радиосенсоров информационно-управляющей системы рационального орошения почвы, имеющих следующие отличительные черты: измерения в реальном времени с синхронизацией по точке отсчета;
режим энергосбережения;
двойное питание на основе фотоэлектрического преобразователя и Li-ion-аккумулятора; многоканальность и радиоуправление; защита от электромагнитных помех;
эффективные эксплуатационные характеристики.
Обеспечение продуктами питания населения является основной задачей сельскохозяйственной деятельности человека. На протяжении времени методы ведения сельскохозяйственной деятельности претерпевали изменения, вызванные как ростом численности населения, так и развитием технологий выращивания. В настоящее время более 40% всех выращиваемых сельскохозяйственных продуктов получают на орошаемых площадях [1]. Однако изменение климата приводит к непрогнозируемым потерям урожайности вследствие засухи или недостаточного орошения земли [2]. Это, с одной стороны, увеличивает себестоимость урожая, а с другой – приводит к необходимости распашки дополнительных площадей для увеличения валового сбора, причем на землях, которые технологически необходимо оставить под паром на несколько сезонов. Поэтому поиск путей оптимального и экономичного использования водных ресурсов является актуальной задачей, допускающей разные подходы к своему решению [3].
Один из подходов рационального использования водных ресурсов связан с построением оптимальной информационно-управляющей системы, регулирующей точечную подачу воды на орошаемые земли в зависимости от различных периодов вегетации, погодных условий, используемых удобрений и состояния почвы [4]. Следует отметить, что часть параметров является статическими (состояние почвы и используемые удобрения, тип сельскохозяйственной культуры), а часть требует непрерывного измерительного контроля: температура воздуха и почвы, влажность воздуха и почвы, уровень освещенности сельскохозяйственных культур [5]. Учет всех этих параметров позволяет добиться не только повышения урожайности культур с 1 га, но и значительно сократить потребление водных ресурсов за счет оптимального подхода к времени, объему и скорости орошения почвы [6].
Следовательно, важнейшими элементами проектируемой системы являются первичные датчики модуля сбора информации, обеспечивающие точность, своевременность и адекватность принимаемых системой решений.
Цель работы: исследование способов построения интеллектуальных радиосенсоров измерительно-управляющей системы эффективного орошения почвы.
Проведенный анализ требований к информационно-управляющей системе позволил сформулировать следующие спецификации к подсистеме сбора информации, определяющие задачи работы:
применение оптимальных программно-аппаратных алгоритмов в системе сбора данных с использованием вычислительных процессоров и специализированных измерительных средств;
применение оптимальных критериев надежности и достоверности получения распределенной технологической информации;
точная синхронизация по времени и привязка по координатам измерительной информации, исключающая появление неоднозначности в процессе ее обработки;
синхронный защищенный радиоканал с оптимальными функциональными характеристиками.
На рис. 1 представлена концепция контроля водопользования на основе измерительно-управляющей системы, включающая в себя следующие уровни: измерительный, обрабатывающий, операторский и исполнительный.
Решение поставленных задач заключается в построении основного измерительного компонента – радиосенсора на основе подсистемы сбора информации [7], в которой объединены как программные, так и аппаратно-функциональные модули: датчики физических величин (температуры и влажности воздуха и почвы); микроконтроллерная система сбора данных, фотоэлектрические преобразователи (ФЭП); модуль радиоканала (РК) и система контроля ФЭП, аккумулятора и блока питания всей системы (рис. 2). Такое построение позволяет с максимальной эффективностью реализовать подсистему сбора информации с минимальным энергопотреблением, причем одновременно упрощается процесс построения территориально распределенной системы сбора данных, что в конечном итоге позволяет расширить круг решаемых задач. Использование оптимальных программно-аппаратных алгоритмов позволяет существенно повысить достоверность конечного результата при одновременном уменьшении стоимости готового изделия за счет снижения количества элементов.
В основе построения измерительной компоненты лежат классические решения многоканальных измерительных систем с учетом применения оптимизации потребления электроэнергии. Действительно, большую часть времени радиосенсор может находиться в режиме «глубокого сна», при этом в дежурном режиме находится только модуль реального времени, который по заданному расписанию (зависит от времени года, состояния почвы, выращиваемой культуры) выводит основные компоненты из сна и активирует их для проведения измерений физических параметров. В таком режиме стандартный модуль реального времени потребляет порядка десятков мкА. Одновременно в радиосенсор встроен модуль ФЭП, что позволяет на одном источнике питания (литий-ионный аккумулятор) проработать без обслуживания весь производственный сезон. В дневное время происходит зарядка аккумулятора от ФЭП, что, с учетом использования системы реального времени
и режима «глубоко сна», позволяет построить эффективную энергосберегающую систему. Одновременно модуль ФЭП является датчиком освещенности сельскохозяйственных культур, и этот параметр можно учесть при обработке измерительных данных и выработки решений по поливу.
Предложенный радиосенсор представляет собой устройство вертикального типа, часть которого заглубляется в почву, при этом датчики температуры и влажности почвы находятся на глубине порядка 10 см (рис. 3). Верхняя часть конструкции включает площадку, на которой размещены по кругу ФЭП, а над ними расположена антенна радиоканала. Основные материалы для изготовления – легированная сталь и пластмасса, устойчивая
к погодным условиям и воздействию ультрафиолета. Модули ФЭП прикрыты от влияния погодных условий прозрачным стеклом, пропускающим длины волн в диапазоне работы ФЭП [8].
Конструктивные и технологические возможности радиосенсоров обеспечивают создание системы оптимального орошения, предназначенной для работы со следующими системами водопользования:
капельная система;
аэрозольная система;
подпочвенная система;
надпочвенная система;
самоходные фронтальные системы.
Объединение нескольких радиосенсоров позволяет организовать территориальную информационно-управляющую систему рационального орошения почвы [9], обладающую следующими преимуществами и характеристиками: параллельная аппаратно-программная многоканальность, минимизация воздействия дестабилизирующих факторов, широкие функциональные возможности, программно-аппаратная синхронизация измерительной информации [10].
На рис. 4 представлена модульная архитектура информационно-управляющей системы с точки зрения программной реализации.
Система построена по модульному принципу и состоит из модуля приема данных, модуля анализа данных в реальном времени, аналитического модуля, модуля принятия решения. Схема обмена данными между модулями приведена на рис. 4. Модуль приема данных и аналитический модуль подключены к модулю базы данных. При этом первый модуль сохраняет информацию, полученную от радио-сенсоров, а второй выполняет периодическую выгрузку этой информации для анализа и формирования отчетов (которые сохраняются в модуле базы данных).
Модули, собранные в единую систему, составляют серверную часть, выполняющую функции обработки, хранения, анализа данных. Она формирует управляющие команды на основе данных, поступающих с радио-сенсоров. Связующим звеном между радиосенсорами и серверной частью является шлюз. Он обеспечивает сбор, предварительную агрегацию, обработку данных и последующую их передачу на сервер. Буферизация данных на шлюзе и контроль передачи данных обеспечивают дополнительную отказоустойчивость системы в случае потери связи с сервером. Данные передаются через программный интерфейс для шлюзов (API1 на рис. 4), реализованный модулем приема данных в рамках серверной части системы [11].
На модуль приема данных возложены функции маршрутизации поступающих в систему данных. Предполагается одновременное применение двух подходов к обработке данных: потоковый и пакетный. В режиме потоковой обработки анализируются последние события, поэтому реакция системы может составлять менее одной секунды. Это позволяет выявлять аномалии в данных и выполнять корректировку режимов полива «на лету» с учетом текущих параметров орошаемых земель (например, если датчик обнаружил дождь). Задача потоковой обработки решается модулем анализа в реальном времени, куда данные
поступают непосредственно из модуля приема данных.
Пакетный режим, реализуемый модулем аналитической подсистемы, предназначен для обработки исторических данных, включающих периоды от нескольких минут до недель, месяцев, лет. Ключевая роль данного режима – глубокий анализ исторических данных. На основании данного анализа могут выявляться долгосрочные тенденции и закономерности, выполняться прогнозирование и оптимизация расхода ресурсов. При этом анализ данных может осуществляться с использованием различных методов: от базовых моделей машинного обучения, таких как регрессия, до более сложных алгоритмов и нейросетей.
Результаты анализа данных передаются в модуль принятия решений, осуществляющий автоматическое определение необходимости полива на основе как потоковой обработки данных, так и определенных заранее правил пакетной обработки. Возможности модуля могут быть расширены использованием моделей машинного обучения, реализующих функцию прогнозирования (например, предсказания скорости испарения влаги),
и интеграции с источниками внешних данных (например, прогноза погодных условий). Модуль принятия решений формирует управляющие команды, передающиеся далее на модуль управления и трансформирующиеся в сигналы исполнительных устройств. Помимо управляющих команд, данный модуль может формировать уведомления для пользователей системы в случае получения аномальных данных и возникновения критических событий [12].
Взаимодействие человека с системой реализуется через пользовательский интерфейс, представленный в виде отдельного приложения [13]. Это приложение взаимодействует с сервером через клиентский интерфейс (API2 на рис. 4). Такой подход позволяет реализовать интерфейс в любом удобном формате: веб- или мобильного приложения.
Предусматриваются следующие сценарии взаимодействия пользователя с системой:
С точки зрения информационной безопасности предусмотрены решения, защищающие систему на уровне пользовательского и аппаратного взаимодействия. Это обеспечивает защиту от действий злоумышленника, например, приводящих к выводу системы из строя, излишнему расходу воды и, как следствие, уничтожению урожая. Другой критичный сценарий – это утечка или потеря данных в результате несанкционированного доступа.
Безопасность на аппаратном уровне достигается шифрованием передаваемых данных между радиосенсором и шлюзом. Также предусматривается использование специальных механизмов идентификации радиосенсоров, что позволяет исключить подмену поступающих в систему данных о состоянии почвы. На уровне пользовательского взаимодействия безопасность обеспечивается использованием аутентификации и ролевой модели управления доступом.
Заключение
Создание интеллектуальных радиосенсоров системы оптимального орошения почвы позволяет организовать первичное звено системы технологического контроля микроклимата, что в свою очередь обуславливает следующие результаты рационального использования водных ресурсов [14, 15]:
Анализ предложенных решений показывает, что они имеют определенные преимущества над существующими и разрабатываемыми технологиями.
Во-первых, подповерхностное (на глубине до 150 мм) измерение температуры и влажности (что не достижимо для существующих методов визуализации в сельском хозяйстве с использованием высотной сьемки как в видимом, так и инфракрасном диапазоне длин волн [16], а ручное измерение с поверхности земли требует больших человеческих ресурсов) позволяет более точно и объективно оценить требуемое количество воды для орошения, что положительно сказывается как на самом урожае, так и на соблюдении экологических требований (как по расходу пресной воды, так и по аэрации почвы).
Во-вторых, важное преимущество – использование возобновляемого источника энергии (Li-ion-аккумулятор совместно с фотоэлектрическим преобразователем) обеспечивает значительное сокращение времени обслуживания измерительной аппаратуры и заметно уменьшает эксплуатационные расходы.
В-третьих, применение для сбора данных системы радиосвязи снимает ограничения на место установки радиосенсоров, а использование гражданского диапазона частот 433,075–434,775 МГц позволяет в радиусе 10 км организовать измерительно-управляющую систему без дополнительных финансовых затрат. В случае необходимости использования радиосенсоров на большом расстоянии, можно задействовать радиомодемы сотовой связи формата GSM, причем минимальный уровень сигнала будет достаточен для передачи данных в режиме EDGE со скоростью 474 кбит/с, что с запасом отвечает режиму сбора данных радиосенсора.
В-четвертых, программная организация информационно-управляющей системы позволяет обеспечить безопасность удаленного режима доступа к исполнительному оборудованию.
ЛИТЕРАТУРА
Коротченя В. М., Личман Г. И., Смирнов И. Г. Цифровизация технологических процессов
в растениеводстве России // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2019. Т. 13. № 1. С. 14–20.
Рогачев Д. А., Юрченко И. Ф., Рогачев А. Ф. Управление системным водораспределением
на основе экономико-математического моделирования и методов искусственного интеллекта // Мелиорация и гидротехника. 2023. Т. 13. № 3. С. 87–106.
Ольгаренко В. И., Ольгаренко И. В., Коржов И. В., Ольгаренко В. И. Принципы применения информационных технологий при организации и проведении планирования водопользования на оросительных системах // Мелиорация и гидротехника. 2024. Т. 14. № 3. С. 100–115.
Чернышева К. В., Афанасьева С. И., Королькова А. П. Цифровая трансформация агропромышленного комплекса на основе систем аналитики данных // Техника
и оборудование для села. 2024. № 1 (319). С. 44–48.
Рогачев Д. А. Оптимизация мероприятий технической эксплуатации оросительных систем методами искусственного интеллекта // Природообустройство. 2024. № 4. С. 12–19.
Мамедов Д. Ф., Нариманова Р. О. Разработка интеллектуальной системы полива для выращивания чайной плантации // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2020. Т. 26. № 2. С. 234–242.
Григорьян Л. Р., Сахно М. А. Методы исследования параметров сигналов от разнесенных в пространстве объектов // Коллективная монография. Современные проблемы
физики, биофизики и инфокоммутационных технологий. Краснодар: Краснодарский ЦНТИ, 2012. С. 123–128.
Стеклянное покрытие солнечных батарей. [Электронный ресурс]. URL https://solarb.ru/steklyannoe-pokrytie-solnechnykh-batarei/ (дата обращения: 10.12.2024).
Захарченко Р. И., Королев И. Д. Модель функционирования автоматизированной информационной системы в киберпространстве // Вопросы кибербезопасности. 2019. № 6 (34). С. 69–78.
Акимова Г. П., Соловьев А. В., Тарханов И. А. Моделирование надежности распределенных информационных систем // Информационные технологии и вычислительные системы. 2019. № 3. С. 79–86.
Ахобадзе Г. Н. Метрологическая диагностика информационно-измерительной системы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 3. С. 23–28.
Снежко В. Л., Бенин Д. М., Подобный А. В., Гавриловская Н .В. Устройство автоматического контроля уровня воды для мелиоративных объектов // Аграрная наука, 2023. № 1. С. 83–89.
Макаренко С. И. Техническая интероперабельность и эргономика человеко-машинных интерфейсов сетецентрических систем // Журнал радиоэлектроники. 2022.
№ 3. С. 1–43. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.3.4.
Островский Н. В., Ванжа В. В., Самойлюков Ю.Н., Бандурин М.А., Дегтярева Е. В. Эффективные решения по автоматизации локализованных ирригационных систем // Аграрный научный журнал. 2021. № 11. С. 102–107.
Федосов А. Ю., Меньших А. М., Иванова М. И., Рубцов А. А. Инновационные технологии орошения овощных культур. М., Изд-во Ким Л.А., 2021. 306 с.
Федоренко В. Ф. Научно-информационное обеспечение инновационного развития сельского хозяйства: состояние и перспективы // Техника и оборудование для села. 2017. № 5. С. 3–9.
Л. Григорьян, к. ф.-м. н., Н. Богатов, д. ф.-м. н., М. Коваленко, к. ф.-м. н.
В работе рассмотрены вопросы рационального водопользования сельскохозяйственных предприятий на основе автоматизации процессов сбора информации о состоянии почвы и поддержания необходимого микроклимата с помощью систем автоматического орошения. Предложена концепция интеллектуальных радиосенсоров информационно-управляющей системы рационального орошения почвы, имеющих следующие отличительные черты: измерения в реальном времени с синхронизацией по точке отсчета;
режим энергосбережения;
двойное питание на основе фотоэлектрического преобразователя и Li-ion-аккумулятора; многоканальность и радиоуправление; защита от электромагнитных помех;
эффективные эксплуатационные характеристики.
Обеспечение продуктами питания населения является основной задачей сельскохозяйственной деятельности человека. На протяжении времени методы ведения сельскохозяйственной деятельности претерпевали изменения, вызванные как ростом численности населения, так и развитием технологий выращивания. В настоящее время более 40% всех выращиваемых сельскохозяйственных продуктов получают на орошаемых площадях [1]. Однако изменение климата приводит к непрогнозируемым потерям урожайности вследствие засухи или недостаточного орошения земли [2]. Это, с одной стороны, увеличивает себестоимость урожая, а с другой – приводит к необходимости распашки дополнительных площадей для увеличения валового сбора, причем на землях, которые технологически необходимо оставить под паром на несколько сезонов. Поэтому поиск путей оптимального и экономичного использования водных ресурсов является актуальной задачей, допускающей разные подходы к своему решению [3].
Один из подходов рационального использования водных ресурсов связан с построением оптимальной информационно-управляющей системы, регулирующей точечную подачу воды на орошаемые земли в зависимости от различных периодов вегетации, погодных условий, используемых удобрений и состояния почвы [4]. Следует отметить, что часть параметров является статическими (состояние почвы и используемые удобрения, тип сельскохозяйственной культуры), а часть требует непрерывного измерительного контроля: температура воздуха и почвы, влажность воздуха и почвы, уровень освещенности сельскохозяйственных культур [5]. Учет всех этих параметров позволяет добиться не только повышения урожайности культур с 1 га, но и значительно сократить потребление водных ресурсов за счет оптимального подхода к времени, объему и скорости орошения почвы [6].
Следовательно, важнейшими элементами проектируемой системы являются первичные датчики модуля сбора информации, обеспечивающие точность, своевременность и адекватность принимаемых системой решений.
Цель работы: исследование способов построения интеллектуальных радиосенсоров измерительно-управляющей системы эффективного орошения почвы.
Проведенный анализ требований к информационно-управляющей системе позволил сформулировать следующие спецификации к подсистеме сбора информации, определяющие задачи работы:
применение оптимальных программно-аппаратных алгоритмов в системе сбора данных с использованием вычислительных процессоров и специализированных измерительных средств;
применение оптимальных критериев надежности и достоверности получения распределенной технологической информации;
точная синхронизация по времени и привязка по координатам измерительной информации, исключающая появление неоднозначности в процессе ее обработки;
синхронный защищенный радиоканал с оптимальными функциональными характеристиками.
На рис. 1 представлена концепция контроля водопользования на основе измерительно-управляющей системы, включающая в себя следующие уровни: измерительный, обрабатывающий, операторский и исполнительный.
Решение поставленных задач заключается в построении основного измерительного компонента – радиосенсора на основе подсистемы сбора информации [7], в которой объединены как программные, так и аппаратно-функциональные модули: датчики физических величин (температуры и влажности воздуха и почвы); микроконтроллерная система сбора данных, фотоэлектрические преобразователи (ФЭП); модуль радиоканала (РК) и система контроля ФЭП, аккумулятора и блока питания всей системы (рис. 2). Такое построение позволяет с максимальной эффективностью реализовать подсистему сбора информации с минимальным энергопотреблением, причем одновременно упрощается процесс построения территориально распределенной системы сбора данных, что в конечном итоге позволяет расширить круг решаемых задач. Использование оптимальных программно-аппаратных алгоритмов позволяет существенно повысить достоверность конечного результата при одновременном уменьшении стоимости готового изделия за счет снижения количества элементов.
В основе построения измерительной компоненты лежат классические решения многоканальных измерительных систем с учетом применения оптимизации потребления электроэнергии. Действительно, большую часть времени радиосенсор может находиться в режиме «глубокого сна», при этом в дежурном режиме находится только модуль реального времени, который по заданному расписанию (зависит от времени года, состояния почвы, выращиваемой культуры) выводит основные компоненты из сна и активирует их для проведения измерений физических параметров. В таком режиме стандартный модуль реального времени потребляет порядка десятков мкА. Одновременно в радиосенсор встроен модуль ФЭП, что позволяет на одном источнике питания (литий-ионный аккумулятор) проработать без обслуживания весь производственный сезон. В дневное время происходит зарядка аккумулятора от ФЭП, что, с учетом использования системы реального времени
и режима «глубоко сна», позволяет построить эффективную энергосберегающую систему. Одновременно модуль ФЭП является датчиком освещенности сельскохозяйственных культур, и этот параметр можно учесть при обработке измерительных данных и выработки решений по поливу.
Предложенный радиосенсор представляет собой устройство вертикального типа, часть которого заглубляется в почву, при этом датчики температуры и влажности почвы находятся на глубине порядка 10 см (рис. 3). Верхняя часть конструкции включает площадку, на которой размещены по кругу ФЭП, а над ними расположена антенна радиоканала. Основные материалы для изготовления – легированная сталь и пластмасса, устойчивая
к погодным условиям и воздействию ультрафиолета. Модули ФЭП прикрыты от влияния погодных условий прозрачным стеклом, пропускающим длины волн в диапазоне работы ФЭП [8].
Конструктивные и технологические возможности радиосенсоров обеспечивают создание системы оптимального орошения, предназначенной для работы со следующими системами водопользования:
капельная система;
аэрозольная система;
подпочвенная система;
надпочвенная система;
самоходные фронтальные системы.
Объединение нескольких радиосенсоров позволяет организовать территориальную информационно-управляющую систему рационального орошения почвы [9], обладающую следующими преимуществами и характеристиками: параллельная аппаратно-программная многоканальность, минимизация воздействия дестабилизирующих факторов, широкие функциональные возможности, программно-аппаратная синхронизация измерительной информации [10].
На рис. 4 представлена модульная архитектура информационно-управляющей системы с точки зрения программной реализации.
Система построена по модульному принципу и состоит из модуля приема данных, модуля анализа данных в реальном времени, аналитического модуля, модуля принятия решения. Схема обмена данными между модулями приведена на рис. 4. Модуль приема данных и аналитический модуль подключены к модулю базы данных. При этом первый модуль сохраняет информацию, полученную от радио-сенсоров, а второй выполняет периодическую выгрузку этой информации для анализа и формирования отчетов (которые сохраняются в модуле базы данных).
Модули, собранные в единую систему, составляют серверную часть, выполняющую функции обработки, хранения, анализа данных. Она формирует управляющие команды на основе данных, поступающих с радио-сенсоров. Связующим звеном между радиосенсорами и серверной частью является шлюз. Он обеспечивает сбор, предварительную агрегацию, обработку данных и последующую их передачу на сервер. Буферизация данных на шлюзе и контроль передачи данных обеспечивают дополнительную отказоустойчивость системы в случае потери связи с сервером. Данные передаются через программный интерфейс для шлюзов (API1 на рис. 4), реализованный модулем приема данных в рамках серверной части системы [11].
На модуль приема данных возложены функции маршрутизации поступающих в систему данных. Предполагается одновременное применение двух подходов к обработке данных: потоковый и пакетный. В режиме потоковой обработки анализируются последние события, поэтому реакция системы может составлять менее одной секунды. Это позволяет выявлять аномалии в данных и выполнять корректировку режимов полива «на лету» с учетом текущих параметров орошаемых земель (например, если датчик обнаружил дождь). Задача потоковой обработки решается модулем анализа в реальном времени, куда данные
поступают непосредственно из модуля приема данных.
Пакетный режим, реализуемый модулем аналитической подсистемы, предназначен для обработки исторических данных, включающих периоды от нескольких минут до недель, месяцев, лет. Ключевая роль данного режима – глубокий анализ исторических данных. На основании данного анализа могут выявляться долгосрочные тенденции и закономерности, выполняться прогнозирование и оптимизация расхода ресурсов. При этом анализ данных может осуществляться с использованием различных методов: от базовых моделей машинного обучения, таких как регрессия, до более сложных алгоритмов и нейросетей.
Результаты анализа данных передаются в модуль принятия решений, осуществляющий автоматическое определение необходимости полива на основе как потоковой обработки данных, так и определенных заранее правил пакетной обработки. Возможности модуля могут быть расширены использованием моделей машинного обучения, реализующих функцию прогнозирования (например, предсказания скорости испарения влаги),
и интеграции с источниками внешних данных (например, прогноза погодных условий). Модуль принятия решений формирует управляющие команды, передающиеся далее на модуль управления и трансформирующиеся в сигналы исполнительных устройств. Помимо управляющих команд, данный модуль может формировать уведомления для пользователей системы в случае получения аномальных данных и возникновения критических событий [12].
Взаимодействие человека с системой реализуется через пользовательский интерфейс, представленный в виде отдельного приложения [13]. Это приложение взаимодействует с сервером через клиентский интерфейс (API2 на рис. 4). Такой подход позволяет реализовать интерфейс в любом удобном формате: веб- или мобильного приложения.
Предусматриваются следующие сценарии взаимодействия пользователя с системой:
- оповещение пользователя о событиях и критических состояниях в системе через различные каналы (telegram-бот, электронная почта, push-уведомления);
- мониторинг параметров элементов системы в режиме реального времени (с помощью аналитических панелей в пользовательском интерфейсе);
- анализ исторических данных и построение отчетов (через пользовательский интерфейс);
- конфигурирование системы и правил модуля принятия решений (через пользовательский интерфейс).
С точки зрения информационной безопасности предусмотрены решения, защищающие систему на уровне пользовательского и аппаратного взаимодействия. Это обеспечивает защиту от действий злоумышленника, например, приводящих к выводу системы из строя, излишнему расходу воды и, как следствие, уничтожению урожая. Другой критичный сценарий – это утечка или потеря данных в результате несанкционированного доступа.
Безопасность на аппаратном уровне достигается шифрованием передаваемых данных между радиосенсором и шлюзом. Также предусматривается использование специальных механизмов идентификации радиосенсоров, что позволяет исключить подмену поступающих в систему данных о состоянии почвы. На уровне пользовательского взаимодействия безопасность обеспечивается использованием аутентификации и ролевой модели управления доступом.
Заключение
Создание интеллектуальных радиосенсоров системы оптимального орошения почвы позволяет организовать первичное звено системы технологического контроля микроклимата, что в свою очередь обуславливает следующие результаты рационального использования водных ресурсов [14, 15]:
- экономия электроэнергии: 25%;
- экономия водных ресурсов: 30%;
- повышение урожайности: 15%;
- защита от засоления почвы;
- защита от вымывания почвы.
Анализ предложенных решений показывает, что они имеют определенные преимущества над существующими и разрабатываемыми технологиями.
Во-первых, подповерхностное (на глубине до 150 мм) измерение температуры и влажности (что не достижимо для существующих методов визуализации в сельском хозяйстве с использованием высотной сьемки как в видимом, так и инфракрасном диапазоне длин волн [16], а ручное измерение с поверхности земли требует больших человеческих ресурсов) позволяет более точно и объективно оценить требуемое количество воды для орошения, что положительно сказывается как на самом урожае, так и на соблюдении экологических требований (как по расходу пресной воды, так и по аэрации почвы).
Во-вторых, важное преимущество – использование возобновляемого источника энергии (Li-ion-аккумулятор совместно с фотоэлектрическим преобразователем) обеспечивает значительное сокращение времени обслуживания измерительной аппаратуры и заметно уменьшает эксплуатационные расходы.
В-третьих, применение для сбора данных системы радиосвязи снимает ограничения на место установки радиосенсоров, а использование гражданского диапазона частот 433,075–434,775 МГц позволяет в радиусе 10 км организовать измерительно-управляющую систему без дополнительных финансовых затрат. В случае необходимости использования радиосенсоров на большом расстоянии, можно задействовать радиомодемы сотовой связи формата GSM, причем минимальный уровень сигнала будет достаточен для передачи данных в режиме EDGE со скоростью 474 кбит/с, что с запасом отвечает режиму сбора данных радиосенсора.
В-четвертых, программная организация информационно-управляющей системы позволяет обеспечить безопасность удаленного режима доступа к исполнительному оборудованию.
ЛИТЕРАТУРА
Коротченя В. М., Личман Г. И., Смирнов И. Г. Цифровизация технологических процессов
в растениеводстве России // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2019. Т. 13. № 1. С. 14–20.
Рогачев Д. А., Юрченко И. Ф., Рогачев А. Ф. Управление системным водораспределением
на основе экономико-математического моделирования и методов искусственного интеллекта // Мелиорация и гидротехника. 2023. Т. 13. № 3. С. 87–106.
Ольгаренко В. И., Ольгаренко И. В., Коржов И. В., Ольгаренко В. И. Принципы применения информационных технологий при организации и проведении планирования водопользования на оросительных системах // Мелиорация и гидротехника. 2024. Т. 14. № 3. С. 100–115.
Чернышева К. В., Афанасьева С. И., Королькова А. П. Цифровая трансформация агропромышленного комплекса на основе систем аналитики данных // Техника
и оборудование для села. 2024. № 1 (319). С. 44–48.
Рогачев Д. А. Оптимизация мероприятий технической эксплуатации оросительных систем методами искусственного интеллекта // Природообустройство. 2024. № 4. С. 12–19.
Мамедов Д. Ф., Нариманова Р. О. Разработка интеллектуальной системы полива для выращивания чайной плантации // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2020. Т. 26. № 2. С. 234–242.
Григорьян Л. Р., Сахно М. А. Методы исследования параметров сигналов от разнесенных в пространстве объектов // Коллективная монография. Современные проблемы
физики, биофизики и инфокоммутационных технологий. Краснодар: Краснодарский ЦНТИ, 2012. С. 123–128.
Стеклянное покрытие солнечных батарей. [Электронный ресурс]. URL https://solarb.ru/steklyannoe-pokrytie-solnechnykh-batarei/ (дата обращения: 10.12.2024).
Захарченко Р. И., Королев И. Д. Модель функционирования автоматизированной информационной системы в киберпространстве // Вопросы кибербезопасности. 2019. № 6 (34). С. 69–78.
Акимова Г. П., Соловьев А. В., Тарханов И. А. Моделирование надежности распределенных информационных систем // Информационные технологии и вычислительные системы. 2019. № 3. С. 79–86.
Ахобадзе Г. Н. Метрологическая диагностика информационно-измерительной системы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 3. С. 23–28.
Снежко В. Л., Бенин Д. М., Подобный А. В., Гавриловская Н .В. Устройство автоматического контроля уровня воды для мелиоративных объектов // Аграрная наука, 2023. № 1. С. 83–89.
Макаренко С. И. Техническая интероперабельность и эргономика человеко-машинных интерфейсов сетецентрических систем // Журнал радиоэлектроники. 2022.
№ 3. С. 1–43. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.3.4.
Островский Н. В., Ванжа В. В., Самойлюков Ю.Н., Бандурин М.А., Дегтярева Е. В. Эффективные решения по автоматизации локализованных ирригационных систем // Аграрный научный журнал. 2021. № 11. С. 102–107.
Федосов А. Ю., Меньших А. М., Иванова М. И., Рубцов А. А. Инновационные технологии орошения овощных культур. М., Изд-во Ким Л.А., 2021. 306 с.
Федоренко В. Ф. Научно-информационное обеспечение инновационного развития сельского хозяйства: состояние и перспективы // Техника и оборудование для села. 2017. № 5. С. 3–9.
Отзывы читателей
