Questo protocollo presenta una strategia di modellazione e ottimizzazione ciberfisica cross-layer per la gestione intelligente delle serre a serra, consentendo una valutazione riproducibile dell'affidabilità e delle prestazioni ecologiche.
Method Article
Questo protocollo presenta una strategia di modellazione e ottimizzazione ciberfisica cross-layer per la gestione intelligente delle serre a serra, consentendo una valutazione riproducibile dell'affidabilità e delle prestazioni ecologiche.
La crescente domanda di cibo e le tensioni climatiche guidano l'implementazione di un'agricoltura intelligente, ma i Sistemi Ciberfisici (CPS) esistenti mancano di un'integrazione affidabile tra strati e di flessibilità in tempo reale, limitando le prestazioni in ambienti dinamici. Questo protocollo mira a fornire una strategia di modellazione e ottimizzazione ciberfisica cross-layer per l'agricoltura intelligente in serra. Dimostra una potenziale applicabilità per migliorare l'affidabilità e l'adattabilità dei sistemi ciberfisici agricoli. L'approccio integra uno strato fisico con il modello Continuum Suolo-Pianta-Atmosfera e la calibrazione Ensemble Kalman Filter (EnKF) per una previsione accurata dell'umidità del suolo. Include uno strato di rete che impiega fusione multi-protocollo con modellazione stocastica di reti di Petri per valutare l'affidabilità della comunicazione. Uno strato di controllo si basa su un sistema ibrido stocastico per coordinare il processo decisionale congiunto. L'affidabilità viene ulteriormente valutata attraverso un quadro di indicatori funzionali-temporali-ecologici, mentre l'ottimizzazione combina reinforcement learning multi-obiettivo con vincoli di sicurezza e meta-apprendimento bayesiano per consentire un rapido adattamento durante il cambio di coltura. Una distribuzione edge-intelligent garantisce un controllo robusto durante le interruzioni delle comunicazioni. I risultati della coltivazione di pomodori in serra a Shouguang, in Cina, mostrano prestazioni riproducibili e stabili nella previsione della resa, nell'efficienza dell'uso dell'acqua e nel controllo della latenza in condizioni difficili. Questa metodologia offre un flusso di lavoro pratico e replicabile per l'implementazione di sistemi ciberfisici agricoli adattivi e affidabili.
La popolazione mondiale sta crescendo rapidamente e la disponibilità delle risorse è in calo, il che sta trasformando il modo in cui si sviluppa l'agricoltura. I modelli convenzionali dell'agricoltura, dove il lavoro e l'apporto materiale sono elevati e la forte dipendenza dalle circostanze naturali, non possono offrire efficienza e sostenibilità. L'agricoltura intelligente è, in questo caso, diventata l'approccio trasformativo. Permette di ottenere una percezione completa del campo, prendere decisioni accurate e controllare il campo in modo intelligente grazie alla combinazione di Internet delle Cose, analisi dei big data, intelligenza artificiale e sistemi informativi spaziali, il che migliora l'efficienza dell'uso delle risorse e contribuisce a una produzione agricola sostenibile 1,2.
Il mercato dell'agricoltura intelligente sta crescendo esponenzialmente in tutto il mondo, mentre gli Stati Uniti stanno crescendo nelle tecnologie dell'agricoltura di precisione, Israele nell'irrigazione a risparmio idrico e il Giappone nell'ambito dei sistemi di serraintelligenti 3. In Cina, ilquattordicesimo piano quinquennale nazionale per lo sviluppo dell'agricoltura e dell'informatizzazione rurale ha portato alla trasformazione digitale dell'agricoltura, che ha portato a progressi nel miglioramento digitale, nelle macchine intelligenti e nei progetti di agricoltura intelligente suscala 4. Internet delle Cose (IoT) si riferisce a una rete di dispositivi di attuazione e rilevamento connessi che raccolgono, scambiano e processano dati. Tuttavia, anche con questi sviluppi, persistono problemi nella copertura delle reti IoT, nella precisione e affidabilità dei sensori, nello scambio di informazioni tra sistemi e nell'accesso a una comprensione interdisciplinare che limitano un'implementazioneestesa 5,6.
I Sistemi Ciber-Fisici (CPS) dell'agricoltura sono al centro di questo paesaggio, collegando la percezione dell'ambiente al controllointelligente 7. CPS combinava sia processi computazionali che fisici collegati a sensori, controller e reti di comunicazione. Tuttavia, i metodi di modellazione esistenti si basano solitamente sull'indipendenza dei livelli fisico, di rete e di controllo, limitando l'interazione degli strati e diminuendo la capacità predittiva durante disturbidinamici 8. Le valutazioni di affidabilità esistenti enfatizzano anche le dimensioni funzionali e temporali, mentre l'affidabilità ecologica, come l'efficienza nell'uso dell'acqua e i vincoli di salinità del suolo, rimane pocoesplorata 9. Inoltre, molte strategie di ottimizzazione si basano su addestramento offline, causando ritardi nell'inferenza basata sui bordi e difficoltà nell'adattarsi a cambiamenti ambientali rapidi o dicolture 10.
Il monitoraggio delle serre basato su sensori sta guadagnando popolarità, ma continua ad affrontare numerosi ostacoli che impediscono una maggiore accettazione. La scalabilità e l'affidabilità del sistema sono limitate dagli elevati costi di implementazione e dalla qualità disomogenea dei sensori. I metodi di modellazione utilizzati nel monitoraggio delle serre basati su sensori si basano sul presupposto di condizioni ambientali stabili, modelli di crescita costanti delle colture e trasmissione affidabile delle informazioni attraverso reti di comunicazione. Tuttavia, queste ipotesi non sono valide in molte condizioni che si verificano all'interno delle serre. Queste limitazioni indicano che è necessario progettare e implementare un framework in grado di gestire letture rumorose non costanti dai sensori, fluttuazioni dell'alimentazione dei sensori durante l'uso e periodi di perdita di comunicazione senza compromettere la qualità delle prestazioni o la fattibilità dell'implementazione.
Per affrontare queste limitazioni, questo protocollo introduce un flusso di lavoro riproducibile di modellazione e ottimizzazione cross-layer che integra processi fisici, di rete e di controllo in un framework unificato. Lo strato fisico impiega un modello di continuum Suolo-Piante-Atmosfera con calibrazione Ensemble Kalman Filter per una previsione accurata dell'umiditàdel suolo 11. Il livello di rete utilizza la fusione multi-protocollo utilizzando un modello Stocastic Petri Net per misurare l'affidabilità della comunicazione. A livello di controllo, un sistema ibrido stocastico consente decisioni congiunte tra strati trasversali. Il sistema di indice funzionale-temporale-ecologico viene utilizzato per misurare l'affidabilità, il deep reinforcement learning multi-obiettivo viene utilizzato per ottimizzare quel sistema, con vincoli di sicurezza e il meta-apprendimento bayesiano, che viene utilizzato per adattarsi rapidamente al cambio di colpi. Una distribuzione edge-intelligent fornisce anche robustezza del sistema alle interruzioni durante la comunicazione. Combinando questi elementi, il protocollo offre un modo sistematico e replicabile per migliorare la stabilità e la flessibilità delle applicazioni CPS nello smartfarming 12.
Questo protocollo è adatto a ambienti serra su medie e grandi dimensioni (800-1500 m²) con diverse reti di sensori wireless per il monitoraggio del suolo, microclima e CO₂. Per fornire controllo in tempo reale, si raccomanda una risoluzione minima del campione di 5 minuti, con la comunicazione LoRa/NB-IoT necessaria per il deployment multi-nodo (>200 nodi). Il flusso di lavoro è dimostrato per la produzione di pomodori in serra, ma può essere applicato a colture come cetriolo, pepe e verdure a foglia tramite retuning dei parametri e trasferimento di meta-apprendimento.
Il protocollo si basa su un ciclo di lavoro sequenziale in cui la modellazione fisica determina l'umidità del suolo, lo strato di rete determina la stabilità nella trasmissione dei dati e i livelli di controllo + ottimizzazione producono politiche di irrigazione e fertilizzazione che forniscono stabilità ecologica e operativa. La Figura 1 mostra il flusso di lavoro cross-layer del sistema cyber-fisico proposto.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Si nota che non sono coinvolti esperimenti su esseri umani o animali vertebrati in questo protocollo. Nel caso di futuri studi che coinvolgano l'umanità o campioni biologici, ciò deve essere approvato dal comitato di revisione istituzionale competente e il numero di approvazione deve essere registrato prima dell'implementazione.
1. Preparazione del sito e dell'hardware
NOTA: Questo passaggio costruisce una rete di sensori standardizzata, che fornisce informazioni precise e sincronizzate sull'ambiente da utilizzare nella successiva modellazione fisica e nel controllo.
2. Modellazione degli strati fisici (Continuum Suolo-Pianta-Atmosfera (SPAC) e Ensemble Kalman Filter (EnKF))
NOTA: Questa fase approssima le interazioni tra suolo, pianta e atmosfera per produrre stime corrette dell'umidità del suolo utilizzate per controllare l'irrigazione.
è la variazione del contenuto volumetrico d'acqua θ (m3) rispetto al tempo t, h è la testa di pressione (cm) e K(θ) è la conducibilità idraulica. L'operatore ∇ indica il gradiente spaziale, mentre l'espressione (∇h+1) rappresenta il gradiente idraulico totale.
con n>1).
indica la saturazione effettiva aumentata al parametro di connettività dei pori l. Basandosi sulla saturazione effettiva Se, il termine
funzione idraulica di van Genuchten descrive il comportamento non lineare di ritenzione idrica del suolo e il parametro di forma m.3. Modellazione a livello di rete (Reti eterogenee e rete di Petri stocastica (SPN))
NOTA: Questa sezione valuta la dipendenza nelle comunicazioni per consentire una consegna tempestiva e continua dei dati per le decisioni di controllo.





4. Modellazione del livello di controllo (MPC all'interno di SHS)
NOTA: Questo processo massimizza l'alternativa di irrigazione e fertilizzazione, oltre a gestire le questioni di comunicazione.
5. Quantificazione dell'affidabilità
NOTA: Per valutare la robustezza dei sistemi in risposta alle perturbazioni, questa parte valuta sia la affidabilità funzionale, temporale ed ecologica.
6. Strategia di ottimizzazione
NOTA: Questa parte massimizza le decisioni di controllo per raggiungere produttività, costi e stabilità ecologica ottimali, e allo stesso tempo, una rapida adattabilità nel cambio di colture.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
L'umidità del suolo e il SNR hanno la maggiore influenza positiva delle SHAPapley Additive ExPlanations (SHAP) nelle decisioni di irrigazione, secondo il grafico riassuntivo SHAP (Figura 3). L'elevata latenza spinge la politica verso opzioni di riserva conservative, dimostrando la conformità con l'architettura di controllo affidabile. La Tabella 4 mostra le istruzioni operative e i dettagli di configurazione per i moduli computazionali
Con...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Le evidenze sperimentali mostrano che il framework CPS proposto e le strategie di ottimizzazione eccellono nelle tre dimensioni: affidabilità, sicurezza ed efficienza computazionale. La modellazione a strati trasversali supera con successo la separazione storica tra rappresentazioni fisiche e di rete. Incorporando SPAC e SPN all'interno di un framework SHS unificato, il sistema riduceva l'errore di previsione della resa del 32,7% e accorciava i ritardi del 45% a temperature estremamente ...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato supportato dal Progetto di Ricerca Scientifica del Collegio di Huzhou (Grant n. 2024HXKM15) e dal Talent Research Startup Project del Huzhou College (Grant No. RK65010). Gli autori ringraziano il Parco Industriale Agricolo Nazionale Moderno di Shouguang per aver fornito strutture sperimentali e supporto tecnico. Esprimiamo inoltre la nostra gratitudine ai colleghi del Collegio di Huzhou e dell'Università di Agricoltura e Silvicoltura di Zhejiang per i loro preziosi consigli.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Telecamera multispettrale | MicaSense | RedEdge-MX | Cattura la riflettanza della chioma per la stima LAI |
| NVIDIA Jetson Nano | NVIDIA | 945-13450-0000-100 | Dispositivo edge per l'inferenza AI locale |
| Sensore di umidità del suolo | Dispositivi Decagon | EC-5 | Misura il contenuto volumetrico d'acqua nel suolo |
| Stazione meteorologica | Campbell Scientific | CR300 | Registra temperatura, umidità e precipitazioni |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission