Tartalomjegyzék
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.orgRendszerleírás
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
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.
