Loading...
 
[Show/Hide Left Column]


NuHo Numeralis Hortensis WTF

A projekt célja

Az egészséges, tápláló, szermaradványoktól mentes élelmiszer előállításának támogatására, valamint a mezőgazdasági termelés környezetterhelésének csökkentése érdekében egy ingyenes és nyíltforrású informatikai rendszert és tudásbázist valósítunk meg, mely potenciálisan az ágazat valamennyi szereplőjének és az egész társadalomnak a hasznára válhat. Olyan üzleti modell mentén, mely biztosítja a NuHo anyagi fenntarthatóságát a szabad információ áramlás elvének sértése nélkül.

A probléma

A mezőgazdasági termelők relatív kis száma miatt a piacon elérhető agrár információs technológiai eszközök ára magas, a hobbisták, kis és őstermelők nehezen tudják megfinanszírozni, így a gazdák jelentős része nehezen fér hozzá a környezetre veszélyes anyagok és a feltételesen megújuló erőforrások optimális felhasználását segítő technológiákhoz. A tudományos vizsgálatok számára a termelési folyamatok adatai nehezen elérhetők vagy előállíthatók. Nincs professzionális nyíltforrású alternatíva, amit akár csináld magad - sufni tuning módon házilag megépíthető.

A megoldás

Szabályozó, monitorozó és adatkezelő rendszert fejlesztünk, mely szabadon felhasználható, és a teljes dokumentációt közzé tesszük olyan formában, hogy azt egy elektronikában, informatikában járatlan, de tanulni vágyó ember meg tudja építeni és üzembe tudja helyezni, ugyanakkor megrendelésre mi is elvégezzük ezt a munkát. Az üzembe helyezett rendszerek által automatikusan, és a felhasználók által manuálisan mért adatokat központilag kezeljük, az adatsorokat anonim módon bárki számára elérhetővé tesszük. Az összegyűjtött adatok biomatematikai feldolgozása révén nyert információk segítségével, a NuHo ajánlásokat tud megfogalmazni felhasználói számára, hogy kitűzött termelési céljai eléréséhez milyen beavatkozásokra lehet szükség.

A megvalósítás

A mezőgazdasági tér folyamatait egy kéthurkos szabályozási körrel modellezzük, ahol az első kör a környezeti tényezők szabályozó köre (pl. egy üvegház automatikája), a második a növények biológiai szabályozó köre. Az első lépésben olyan rendszermagot hozunk létre, mely képes megtanulni azt a fizikai rendszert, melynek szabályozására telepítve lett. A második lépésben a szenzorok és beavatkozó szervek (perifériák) illesztését valósítjuk meg, mely szoftveres és hardveres problémakör. Ezután jön a webes infrastruktúra felépítése, az adatbázis és a felhasználói felület kialakítása. Ekkor eljutunk arra a pontra, ahol a prototípus rendszer a hobbisták és a kistermelők felé már értékesíthető, és további forrásokat tudunk bevonni a közösségi finanszírozás révén. Ehhez 1 évre van szükségünk. A felhasználók termelési szokásaitól és mérési fegyelmüktől függően, figyelembe véve, hogy egy mérési ciklus több hónap, általában egy év, és a kezelendő változók száma több tucat, a második kör épkézláb megvalósítása a piacon való megjelenés után kb. 5-10 évre becsülhető.

Üzleti koncepció

Fontosnak tartjuk, hogy a folyamatos fejlesztés és karbantartás érdekében minél több lábon álljon a projekt. Stratégiánk arra épül, hogy az ágazat valamennyi szereplőjét a termelőktől kezdve a szolgáltatókon át egészen a nemesítő és növényvédőszer gyártó cégekig érdekelté tegyük a fejlesztés támogatásában azzal, hogy a rendszert olyan irányba fejlesztjük, mely a számukra értékes információkat és funkciókat szolgáltatni tudja.

Járulékos előnyök

Jelenleg nem ismerünk olyan adatbázist, mely növények folyamatainak adatait tartalmazná ilyen volumenben. Nem tudjuk mi mindenre bukkanhatunk évtizedes időtávban.

Kapcsolat

nuho@lists.hsbp.org

Rendszerleírás

Elektro

A költségvetést három forgatókönyvre kell felvázolni. Szűk, közepes és bőséges anyagi erőforrások esetére, egy minimum, egy médium és egy luxus kategóriába.
Mind a három esetben egy hobbi egy ipari és egy DIY csináld magad rendszert kell megvalósítani.
A hobbi kategóriának egy szilárd épületben, télikertben fellépő igénybevételeknek kell megfelelnie.
Az ipari kategóriának egy az időjárás viszontagságainak kitett üvegházban. IP65? szabvány.
A DIY kategóriának a felhasználó számára a lehető legkisebb költség mellett kell használhatónak lennie.

Rendszerkomponensek

Kommunikáció

  • Szerver irányú
    A vezérlő internetelérése
    WiFi, kábel, mobil internet
    Milyen messze van a csatlakozási pont.
  • Telefon
    Mint GUI
    WiFi, Bluetooth
  • PC
    Karbantartás. Vezérlőtől függően LAN/WiFI/SSH, USB
  • Perifériák
    CanBus?

Vezérlő

Legyen neki sok I/O pin-je, ezek közül minél több PWM és hardveres interrupt megvalósítására képes.
Legyen kellő számítási kapacitása. A mért adatok alapján polinomok közelítése, azok differenciálása, integrálása és helyettesítési értékek kiszámolása, átlagok számítgatása, működési logok tárolása, offline módban a tárolandó adatok tárolása, amíg kézzel el nem viszi valaki.
A folyamatok elég lassúak, van ideje dolgozni, nem kell kvantum számítógép ;)
A programozása, kezelése, buzgálása ne ígényeljen speciális ismereteket. pl. külön kell égetni, speciális kábel.
Akár több komponensből. Pl. arduino + router.

Perifériák

A pinek relatíve kevés száma miatt a cél szenzor és aktuátor láncok kialakítása.
Aktuátorok
  • Funkció
    Állásos szabályozás (kapcsoló)
    Folytonos szabályozás (PWM, frekvenciaváltó, fordulatszám szabályozás ventillátornál)
  • Feszültség
    AC 24, 230, 380?
    DC 24
  • Vezérlőjel
    5VDC~hobbi (ha lehet és nem túl drága),
    24VDC~ipari
  • Jelerősítő
    Működés ellenőrzése, hibajelzés, vészkapcsolás (biztosíték)
Szenzorok
Hőmérséklet x < 0,2°C levegő, talaj, lézeres (levél felszín)
Páratartalom x < 2 %
Fényintenzitás
Csapadék x < 1 mm
pH x < 0,05 folyadék, talaj?
EC x < 0,05 mS folyadék, talaj?
CO2
Átfolyás

Vezérlés

Szabályozó algoritmus

Image
Az ábra értelmezését kezdjük belülről kifelé, a belső szabályozási körrel.
P átviteli tag szimbolizálja a növénytermesztési terünkben, üvegházunkban végbemenő folyamatokat. Ezt a folyamatot az f függvénnyel modellezzük, mely leírja, hogy az üvegházat érő különböző hatások eredményeként milyen klíma alakul ki benne. P-be mint átviteli tagba összevontuk a beavatkozó szervek, az üvegház szerkezetét és a szenzorok és jelfeldolgozó tagokat egyetlen átviteli taggá. Ezáltal P bemenetén a C kontroller felől érkező u beavatkozójelek és a z1 mért zavaró tényezők számszerűsített értékei állnak, kimenetként pedig az y szabályozott tényezők találhatóak.
y szabályozott tényezőre, mivel több dolgot is szabályozunk, vektorként tekintünk, melynek dimenziója k, vagyis k db dolgot kívánunk uralni. Nem tudjuk előre, hogy hányat. Vegyünk egy olyan esetet, ahol k = 3, és a hőmérsékletet (T), páratartalmat (RH) és a CO2 koncentrációt szabályozzuk.
V az a k dimenziós vektortér, mely az üvegház lehetséges klimatikus viszonyait tartalmazza. Maradva a példánál, V vektortér elemeit felírhatjuk egy olyan ortogonális bázisban, ahol a báziselemek T, RH, CO2. Ekkor az y = (26, 78, 540) koordinátasor jelentése az, hogy odabent 26°C, 78% RH és 540 ppm CO2 koncentráció van.
A, az alapjelgenerátor szolgáltatja azt az információt, hogy milyen értéken kívánjuk tartani a rendszert, vagyis a példánál maradva milyen hőmérséklet, páratartalom és CO2 koncentrációt akarunk tartani. pl. a kertész, nevezzük Gauss bácsinak, Numeralis hortensis-t termeszt, és a szakirodalom alapján, a növény virágzásához optimális a = (27, 70, 700) értékhármast ad meg manuálisan. Az a-val jelölt értékhármas ugyancsak eleme a szabályozott tényezők V vektorterének. Látható, hogy a nem egyenlő y-val. A koordinátánként véve a különbségüket e = y - a = (26 - 27, 78 - 70, 540 - 700) = (-1, 8, -160) hibaérték adódik, mely megmutatja, hogy 1°C-val, 160 ppm-vel kevesebb, és 8%-val több van az üvegházban mint kellene. Ezt a hibatagot állítja elő a különbségképző (körben x).
Az e hibatag alapján a C kontrollernek meg kell határoznia a beavatkozó szervek állását annak érdekében, hogy a klimatikus viszonyok visszaálljanak a Gauss bácsi által meghatározott értékre. Vessünk egy pillantást a beavatkozó szervekre. A hőmérsékletet befolyásolhatjuk fűtéssel, hűtéssel, szellőztetéssel, árnyékolással. Ugyanezek hatással vannak a páratartalomra is, miközben a párásító üzemeltetése hőt von el, ezzel csökkenti a hőmérsékletet az RH emelése mellett. A CO2 tartalomra hatással van a szellőztető rendszer és a CO2 adagoló, mely egy tartályból adagol CO2-t az üvegházba. A példa üvegházban legyen egy fűtő, ablaknyitó, párásító, és CO2 adagoló rendszer. Egy aktuátor beavatkozó értéke a 0,1 intervallumról vehet fel értéket, ahol 0 kikapcsolt, 1 bekapcsolt és pl. a 0,5 esetén félgőzzel üzemel. Az u beavatkozó érték az U vektortér eleme. U l db különböző aktuátor lehetséges állásait tartalmazza, ami mint a példában is látjuk, nem feltétlenül egyenlő a szabályozott tényezők számával. dimU = l nem egyenlő dimV = k
Tegyük fel, hogy a fűtés ki van kapcsolva, az ablakok háromnegyedig nyitva, a párásító és a CO2 adagoló bekapcsolva. Ekkor u = (0, 0.75, 1, 1). A C kontroller feladata, hogy a g átviteli függvénye révén meghatározza, milyen változtatásokat kell eszközölni u vektoron az e eltérés függvényében.

Szabályozott tér ~ P

Egy üvegház célja a növénytermesztési tér izolációja a külvilágtól annak érdekében, hogy kontroll alatt tarthassuk a termesztett növények fejlődését meghatározó tényezőket (y, z1) pl. hőmérséklet, páratartalom, felvehető tápanyagok mennyisége és aránya, vagy egy kártevő populációjának mérete (z2). A növények biokémiai folyamatai ezeknek a tényezőknek a függvényében változik (M). Az ember által megfogalmazott célok pedig meghatározzák milyen tartományban kell a ható tényezőket tartani ahhoz, hogy a növények, mint anyag-energia átalakító szervezetek produktuma a célokat minél jobban megközelítse. Pl. ha nyár közepén szeretnénk virágzó krizantémot értékesíteni, nappal, pár óra erejéig le kell árnyékolnunk a növényeket, mivel a sötét periódusok hossza határozza meg a virágzás megindulását. Így árnyékolással elérhetjük, hogy a növény azt "higgye" ősz van, és virágozni kell. Vagy ha tudjuk, hogy egy növény adott fejlődési szakaszában (pl. virágzáskor) milyen hőmérséklet mellett fejlődik a leggyorsabban, akkor rövidíthetjük a teljes termelési folyamatot azzal, hogy ezt a hőmérséklet tartományt biztosítjuk számára.

Ható tényezők

A növény folyamatira nagyon sok minden hat. n db tényező egy n dimenziós vektorteret alkot.
A légkör irányából a hőmérséklet alapvetően befolyásolja a biokémiai folyamatok sebességét. A páratartalom és a szélsebesség a transpiráció révén a növény vízháztartását. A CO2 és a fényintenzitás a fotoszintézist.
A talaj felől, annak fizikai szerkezete a rendelkezésre álló víz mennyiségét, és a gyökerek levegővel való ellátottságát határozzák meg. Kémiai összetétele meghatározza milyen mennyiségben képes felvenni tápanyagokat a talajoldatból pl. pH, EC, valamint NH3, P2O5 koncentráció. Más életformák szimbiotikus viszont létesíthetnek a növény gyökérzetével pl. mikorrhiza gombák, melyek segítik a növény vízfelszívását, vagy nitrogénkötő baktériumok, melyek a légköri nitrogént alakítják felvehető ammónia és nitrát formára. Mellettük persze vannak, akik számára a növény táplálék, mint a fonálférgek.
A növény belső felépítése ugyancsak hatással van az állapotjellemzők alakulása. A gyökér-hajtás arány vagy a generatív és vegetatív részek aránya meghatározza, hogy el tudja-e látni a gyökérzet vízzel és ásványi anyagokkal a lombozatot, illetve el tudja-e látni a lombozat cukrokkal a fejlődő termést. Így egy biológiai állapotjellemző, mint a levélfelület index (egységnyi területen lévő növényzet lombjának felülete) ható tényezőként lép fel a cukortartalom vonatkozásában.

Biológiai állapotjellemzők

A növényt egy adott t időpillanatban leíró jellemzők. pl. termés cukortartalma, hajtáshosszúság, szín. Ezek szintén vektorteret alkotnak, ahol a különböző fajokat korlátos ponthalmazokkal jellemezhetjük. A mezőgazdasági termelés szempontjából azoknak van kimagasló jelentősége, melyek az értékesítés során a termék minőségét meghatározzák. pl paradicsom esetében a szín, bogyóméret, cukortartalom, likopin tartalom. A cél ezen minőségmeghatározó tényezőknek az optimalizációja.

Szabályozott tényezők

A mezőgazdasági munkák célja, hogy a növényeke ható tényezőket olyan irányba befolyásoljuk, mely számunkra kedvező változást idéz elő a növény fejlődése során. Így a talajművelés a talaj fizikai paramétereinek, míg egy üvegház fűtése a környezet hőmérsékletének szabályozása. Szabályozott tényezők azok a biológiai ható tényezők, melyek megváltoztatására képesek vagyunk.Zavaró tényezőkA szabályozandó folyamatokra, pl. üvegház hőmérséklete, olyan dolgok is hatással lehetnek, melyek felett nincs, vagy csak minimális a kontrollunk. A hőmérséklet példánál maradva a külső hőmérséklet megváltozása az üvegház termodinamikai folyamatainak a megváltozását idézi elő, melyet a szabályozó rendszernek követni kell, ha a célként meghatározott hőmérséklet értéket tartani akarja. Ezen zavaró tényezők egy részét mérjük, másokat nem.

Átviteli tagok, átviteli függvények, időállandók

A szabályozási rendszert átviteli tagokkal modellezzük. Bemenettel és kimenettel rendelkeznek. A kettő közti kapcsolatot az átviteli függvény határozza meg. Egy villanyradiátor átviteli tagként modellezve bemenetén elektromos áram, kimenetén hőformájában energia távozik. A bemenő jel megváltozása és a kimenő jel megváltozása közti idő az átviteli tag időállandója. A radiátor sem lesz egyik pillanatról a másikra meleg. Ha n db beavatkozó szervünk van, m db mért zavaró tényezőnk, és k db szabályzó tényezőnk, akkor az üvegház egyetlen átviteli tagként kezelve modellezhető egy R ad (n+m) ----> R ad k átviteli függvénnyel, és egy n+m dimenziós időállandó vektorral.

Probléma

A növénytermesztési tér átviteli függvényét azonban nem ismerjük. Amit hozzávetőlegesen tudunk az az, hogy mely beavatkozó szervek és zavaró tényezők, mely szabályozott tényezőre hatnak. Az alkalmazandó szabályozóalgoritmusnak mégis képesnek kell lennie a mezőgazdasági termelés szempontjából fontos tartományon belül tartania a szabályozott tényezőket, illetve ha ez nem lehetséges, akkor az előre definiált fontossági sorrend alapján közelíteni azt.

Lehetséges megoldások

PID szabályozás megvalósítása többváltozós esetre, az átviteli függvény interpolációjának révén.

Contributors to this page: Kerékgyártó55 points  .
Page last modified on Saturday 12 of July, 2014 02:47:09 CEST by Kerékgyártó55 points .

Upcoming events

1)  Thu 27 of Nov., 2014 19:00 CET
Hakk csütörtök
2)  Fri 28 of Nov., 2014 19:00 CET
cryptonite - Gulyás Gábor (CrySyS): PET (1. rész)
3)  Tue 02 of Dec., 2014 19:00 CET
Plénum