农业信息化物联网终端控制系统的制作方法

本发明涉及农业信息化物联网嵌入式控制，具体为农业信息化物联网终端控制系统。

背景技术：

1、随着农业信息化的发展，云端与边缘协同的农业物联网控制架构已被广泛应用于温室大棚及广域农田的自动化灌溉、施肥与环境调控系统中，该架构通常由云端管理平台、边缘物联网终端以及现场传感器与执行机构三部分组成，其中边缘物联网终端通常搭载嵌入式微控制器并运行轻量级实时操作系统，云端管理平台基于大范围气象数据、历史种植数据及多个终端汇聚的信息进行全局优化计算，并将控制策略下发至各边缘物联网终端予以执行，比例积分微分控制作为一种成熟的闭环反馈控制算法，被广泛应用于灌溉阀门开度、温湿度调节等连续量控制场景中，此外，无扰动切换技术在传统集散控制系统中已具备较为成熟的数学基础，主要用于解决控制模式切换过程中控制量发生突变的问题，李雅普诺夫稳定性理论则是分析动态系统收敛性与稳定性的数学工具，常用于控制系统的稳定性证明与过渡过程设计，上述内容均属于本领域技术人员所熟知的公知技术，为本发明的实施提供了理论与硬件基础；

2、目前业内部署的农业物联网终端控制系统的典型工作方案如下：终端在网络连接正常状态下，周期性地接收云端管理平台下发的控制策略，包括目标设定值及控制参数，并据此驱动执行机构工作，同时将现场传感器采集的数据上传至云端管理平台，供其进行全局优化计算，当终端检测到网络连接中断时，控制系统自动切换至本地降级模式，在该模式下，终端依据出厂预设的固定上下限阈值进行开关量控制，不再进行参数寻优或自适应调整，当终端检测到网络连接恢复后，系统随即接收并执行云端管理平台在网络中断期间基于全局数据重新计算得到的控制策略，该策略参数被直接写入终端的执行控制模块，替换此前本地降级模式下的执行状态，控制权立即完全移交至云端管理平台；

3、上述现有技术方案存在如下缺陷：其一，由于终端在网络连接中断期间仅执行固定的上下限阈值逻辑，未考虑现场气象、土壤等环境参数的实时变化趋势，因此当网络中断期间环境参数发生急剧变化时，终端无法自适应调整控制策略，导致控制精度不足，执行机构动作滞后或者产生误动作，进而造成水肥资源浪费或作物损伤，其二，现有无扰动切换技术普遍仅依据切换时间进行单一维度的参数渐变处理，未考虑本地实际环境状态与云端目标状态之间客观存在的偏差程度对切换速率的影响，本申请突破该单一时间维度切换的惯性做法，创新性地将网络中断持续时长与云边环境偏差两个变量耦合构造融合权重衰减模型，实现切换速率随环境偏差自适应调节，而未考虑本地实际执行状态与云端期望状态之间客观存在的偏差，因此控制参数会发生瞬时硬切换，导致灌溉电磁阀、卷膜机电机等执行机构接收到阶跃式突变控制指令，进而引发管网水锤效应及电机机械冲击损伤，并造成水肥施用精度的急剧下降，因此，如何使农业物联网终端在网络连接中断期间实现自适应精细控制，并在网络连接恢复时实现本地控制状态与云端策略之间的平稳融合切换，是本领域亟待解决的技术问题，为此，我们提出农业信息化物联网终端控制系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供农业信息化物联网终端控制系统。

2、针对上述现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是：如何使农业信息化物联网终端在网络连接中断期间摆脱固定阈值逻辑的局限，依据现场环境参数的实时变化实现自适应精细控制，以及如何在网络连接恢复瞬间避免云端策略参数对本地执行状态的直接硬性覆盖，实现本地控制状态与云端全局策略之间的平稳过渡融合，从而消除控制切换瞬间产生的阶跃式扰动，避免执行机构机械振荡与管网水锤效应，提升水肥施用精度与系统运行稳定性。

3、为解决上述技术问题，本发明提供一种农业信息化物联网终端控制系统，包括云端管理平台、边缘物联网终端以及与所述边缘物联网终端连接的现场传感器和执行机构，所述边缘物联网终端包括网络状态监测模块、影子状态存储模块、边缘自主寻优模块、状态调和融合模块和执行控制驱动模块，所述影子状态存储模块用于在网络连接正常时按预设周期存储云端管理平台下发的控制策略参数，形成包含比例积分微分参数组、环境目标设定值、执行机构状态量和对应时间戳的影子状态矩阵，当网络状态监测模块检测到网络连接中断时，影子状态存储模块将当前时刻的影子状态矩阵冻结保存为寻优基准值，边缘自主寻优模块用于在网络连接中断期间，基于冻结保存的寻优基准值，结合现场传感器采集的环境参数的实时变化率，对比例积分微分参数组进行自适应动态调整，并将调整后的参数组作为本地寻优状态参数存储，当网络状态监测模块检测到网络连接恢复时，状态调和融合模块记录网络连接中断的持续时长，获取云端管理平台重新计算并下发的控制策略参数，计算网络恢复瞬间现场传感器实时采集的环境参数值与云端管理平台计算得到的目标环境参数值之间的偏差，并依据所述持续时长和所述偏差构造融合权重，所述融合权重依据所述持续时长与所述偏差的乘积关系进行非线性衰减计算，且随所述持续时长和所述偏差的增大而减小，状态调和融合模块依据该融合权重对本地寻优状态参数和云端下发的控制策略参数进行加权融合，得到过渡控制参数，并将该过渡控制参数输出至执行控制驱动模块以驱动执行机构动作。

4、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

5、1.本发明通过在网络连接中断期间引入基于现场环境参数实时变化率的边缘自主寻优机制，取代了传统固定阈值控制逻辑，使终端能够根据现场环境的实时变化对比例积分微分参数进行自适应调整，提升了断网期间的控制精度，有效缓解了因环境突变导致的水肥资源浪费与作物损伤问题；

6、2.本发明通过在网络连接恢复时引入基于网络中断时长与云边环境偏差构造的融合权重，对本地寻优状态参数与云端控制策略参数进行渐进式加权融合，使控制参数在网络切换过程中呈现连续渐变而非阶跃突变，从而消除了控制切换瞬间产生的振荡冲击，避免了管网水锤效应及执行机构的机械损伤，提升了水肥施用精度与系统运行的稳定性与可靠性。

1.农业信息化物联网终端控制系统，包括云端管理平台、边缘物联网终端以及与所述边缘物联网终端连接的现场传感器和执行机构，所述边缘物联网终端包括网络状态监测模块和执行控制驱动模块，所述网络状态监测模块用于检测所述边缘物联网终端与所述云端管理平台之间的网络连接状态，所述执行控制驱动模块用于驱动所述执行机构动作，其特征在于，所述边缘物联网终端还包括影子状态存储模块、边缘自主寻优模块和状态调和融合模块，所述影子状态存储模块用于在网络连接正常时按预设周期存储所述云端管理平台下发的控制策略参数，形成包含比例积分微分参数组、环境目标设定值、执行机构状态量和对应时间戳的影子状态矩阵，当所述网络状态监测模块检测到网络连接中断时，所述影子状态存储模块将当前时刻的所述影子状态矩阵冻结保存为寻优基准值，所述边缘自主寻优模块用于在网络连接中断期间，基于冻结保存的所述寻优基准值，结合所述现场传感器采集的环境参数的实时变化率，对所述比例积分微分参数组进行自适应动态调整，并将调整后的比例积分微分参数组作为本地寻优状态参数存储，当所述网络状态监测模块检测到网络连接恢复时，所述状态调和融合模块用于记录网络连接中断的持续时长，获取所述云端管理平台重新计算并下发的控制策略参数，计算网络恢复瞬间所述现场传感器实时采集的环境参数值与所述云端管理平台计算得到的目标环境参数值之间的偏差，并依据所述持续时长和所述偏差构造融合权重，所述融合权重依据所述持续时长与所述偏差的乘积关系进行非线性衰减计算，且随所述持续时长和所述偏差的增大而减小，所述状态调和融合模块依据所述融合权重对所述本地寻优状态参数和所述云端管理平台下发的控制策略参数进行加权融合，得到过渡控制参数，并将所述过渡控制参数输出至所述执行控制驱动模块以驱动所述执行机构动作。

2.根据权利要求1所述的农业信息化物联网终端控制系统，其特征在于：所述边缘自主寻优模块按照以下方式对所述比例积分微分参数组进行自适应动态调整：

3.根据权利要求1所述的农业信息化物联网终端控制系统，其特征在于，所述融合权重按照以下方式构造：

4.根据权利要求3所述的农业信息化物联网终端控制系统，其特征在于：所述状态调和融合模块还用于持续判断所述融合权重是否小于预设收敛阈值，当所述融合权重小于所述预设收敛阈值时，将控制权移交至所述云端管理平台下发的控制策略参数，将所述影子状态存储模块中的所述影子状态矩阵更新为所述云端管理平台下发的控制策略参数，并清除所述本地寻优状态参数。

5.根据权利要求1所述的农业信息化物联网终端控制系统，其特征在于：所述执行机构包括灌溉电磁阀和卷膜机电机，所述现场传感器包括土壤湿度传感器和气象传感器。

6.根据权利要求1所述的农业信息化物联网终端控制系统，其特征在于，所述偏差按照以下方式计算：

7.一种农业信息化物联网终端控制方法，应用于边缘物联网终端，其特征在于，包括：在网络连接正常时，按预设周期接收云端管理平台下发的控制策略参数，并将其存储为包含比例积分微分参数组、环境目标设定值、执行机构状态量和对应时间戳的影子状态矩阵，在检测到网络连接中断时，将当前时刻的所述影子状态矩阵冻结保存为寻优基准值，并基于所述寻优基准值，结合现场传感器采集的环境参数的实时变化率，对所述比例积分微分参数组进行自适应动态调整，将调整后的比例积分微分参数组作为本地寻优状态参数存储，并依据调整后的比例积分微分参数组驱动执行机构动作，在检测到网络连接恢复时，记录网络连接中断的持续时长，获取所述云端管理平台重新计算并下发的控制策略参数，计算网络恢复瞬间所述现场传感器实时采集的环境参数值与所述云端管理平台计算得到的目标环境参数值之间的偏差，依据所述持续时长和所述偏差构造融合权重，所述融合权重依据所述持续时长与所述偏差的乘积关系进行非线性衰减计算，且随所述持续时长和所述偏差的增大而减小，依据所述融合权重对所述本地寻优状态参数和所述云端管理平台下发的控制策略参数进行加权融合得到过渡控制参数，并依据所述过渡控制参数驱动执行机构动作。

8.根据权利要求7所述的农业信息化物联网终端控制方法，其特征在于，对所述比例积分微分参数组进行自适应动态调整按照以下方式进行：

9.根据权利要求8所述的农业信息化物联网终端控制方法，其特征在于，所述融合权重按照以下方式构造：

10.根据权利要求9所述的农业信息化物联网终端控制方法，其特征在于，还包括：持续判断所述融合权重是否小于预设收敛阈值，当所述融合权重小于所述预设收敛阈值时，将控制权移交至所述云端管理平台下发的控制策略参数，将所述影子状态矩阵更新为所述云端管理平台下发的控制策略参数，并清除所述本地寻优状态参数。