Transactions on Computer Science and Technology March 2014, Volume 3, Issue 1, PP.22-25
Application of Parallel Distributed Computing in Intelligent Agriculture Control System Jiayi Zhu 1, Yunjuan Liang 1, Xiaopan Zhu 2 1. School of Information Engineering, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China 2. School of Computer and Information Engineering, Henan Normal University, City, Xinxiang 453003, China Email: zjy1965@163.com,liang_yunjuan@126.com,1284758971@qq.com
Abstract Based on three-tier architecture: data acquisition layer, data processing layer and the feedback layer, analyzed the characteristics of the control system of the intelligent agriculture, designed discrete-centralized parallel computing model of source data. For the compatibility relations and mutually exclusive relationship feedback layer when device runs, constructed dependencies between 6 tuple expression structure (P, T, D, G, S, F) and control instruction instructions, as the basis for design of output scheduling algorithm. of control command. Keywords: Parallel Distributed Computing; Intelligent Agriculture; Real-time Control
并行分布计算在智能农业控制系统中的应用 朱家义 1，梁云娟 1，朱小盼 2 1. 河南科技学院 信息工程学院，河南 新乡 453003 2.河南师范大学 计算机与信息工程学院，河南 新乡 453003 摘 要： 基于智能农业数据采集层、数据处理层和反馈层的三层架构，分析了智能农业控制系统的特点，设计了源数据 的离散—集中式并行计算模型，针对反馈层中的设备运行时相容关系和互斥关系，构建了控制指令的 6 元组表达结构 （P，T，D，G，S，F）和控制指令之间的依赖关系，并以此为基础设计了控制指令的输出调度算法。 关键词：并行分布计算；智能农业；实时控制
引言 物联网技术的发展为现代农业的发展带来了前所未有的机遇，智能农业就是这样一个典型的例子，它能 够通过各种传感器对作物生长环境的信息进行采集，并且将采集来的土壤成份、温度、湿度、光照、通风、 病虫害等影响作物生长的必要因素数据化，上传到智能农业控制平台，由智能农业控制平台对数据进行实时 处理，然后根据需要启动灌溉、施肥、温控、喷药，光控、风控等系统。从而实现了对农作物生长的有效控 制，极大地提高生产效率，节约成本，促进农业的产业化发展。
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智能农业架构 数据
传感器
信息
数据采集层
数据处 理系统
控制 信息
数据处理层
图 1 智能农业架构的拓扑结构 - 22 http://www.ivypub.org/cst
环境调 控系统
反馈层
智能农业本质上是一种三层结构的自动控系统，第一层（数据采集层）利用传感技术对影响农作物生 产的主要因素进行监测和数据采集；第二层（数据处理层）对由第一层上传的各种数据进行实时处理，发 布处理结果；第三层（反馈层）根据第二层的处理结果，采用合理的调度算法，启动各种机械设备，完成 农作物生长环境的调控。各层之间通过通信技术和网络技术实现信息传输。智能农业架构的拓扑结构如图 1 所示。
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智能农业控制系统的特点
2.1 计算的数据量大 由于影响用农作物的因素多，需要多种类型的传感器进行数据采集，每种传感器还需要多台，无论采 取连续采集方式还是定时离散采集方式，上传到数据处理的 PC 机上的数据都是海量的。
2.2 数据具有分布性 主要表现在三个方面：一是数据类型的分布性，即不同类型的传感器所收集的数据度量方式、数据的 呈现形式、数据表达形式是不同的；二是数据采集点的分布性，智能农业的智能化基础是农作物的生长环 境信息，这些信息需要多种类型的传感器采集，同一类型的传感器还需要分布地安装多台；三是反馈的调 度控制信息的分布性，数据处理系统对数据进行综合处理，将处理结果发布到不同的环境调控制统中。
2.3 数据具有并行性 农作物生长环境的信息大，各个传感器同时工作，将大量的数据同时发送到数据处理系统中，这就需 要数据处理系统对这些数据并行加工处理，才能有效地实施控制。
2.4 数据具有实时性 农作物生长环境的任何改变都会影响产品的产量和品质，只有让作物在合适的环境中生长，才能保证 最终产品的产量和品质，提高产品的商品价值。这就需要对农作物生长环境进行实时控制，以保证农作物 生长环境的合理性。
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分布并行计算设计
3.1 源数据的计算 定义 1：设 x，y 是任意类型数据，序偶<x，y>表示 x，y 是由同一类型的传感所采集的数据。显然，由 该定义的序偶所构成的集合是一个等价关系。 定义 2：Di 是由传感器 Si 采集的数据集合。 设一个智能农业系统中有 m 种传感器，则构成 m 个传感器集合，分别记为 S1，S2，……，Sm，设 Si 中有 ni 个传感器，则整个系统的数据量=n1×|D1|+n2×|D2|+……+nm×|Dm|。 基于智能农业系统中数据处理的并行和分布特征，采用定义 1 所定义的等价关系，把整个系统的数据进 行等价类划分，则可以把全部的计算任务分为 m 个等价类，分别记为：S1，S2，……，Sm。 处理机 1
处理机 2
结果 1 结果 2 结果 m
：
中心
调度
处理机
指令
处理机 m
图 2 离散—集中式并行计算示意图 - 23 http://www.ivypub.org/cst
反馈层
采用离散—集中式并行设计方法为每一个等价类 S 的计算任务分配一台处理机，建立 S 与处理机之间 一一对应关系，形成一个设备/处理系统。该处理机只计算来自 S 中的数据，并形成事件指令。各处理机并 行计算，实现负载均衡。所有处理机的计算结果最后汇集到中心处理机，由中心处理机对事件指令进行处 理，利用 4.2.3 设计的算法实现对反馈层的统一调度。其结构图如图 2 所示。
3.2 控制信息的输出 3.2.1
机械设备分类
一个典型的智能农作物生长环境调控系统应包括灌溉（可以是喷灌、滴灌、畦灌等）、施肥、温控、 喷药，光控、风控等子系统，每个子系统有若干个设备。按照设备之间的运行时间关联性以及设备的运行 方向性可将它们分为如下两大类。 相容设备：能够同时运行的设备。例如施肥子系统的设备和温控子系统的设备就属于相容设备。显 然，同一子系统的设备应属于相容设备。 互斥设备：不能同时运行或运行方向（其含义见 3.2.2 中的说明）会导致最终结果之间出现矛盾的设 备。例如喷灌和喷药设备不能同时运行，应属于互斥；再如温控子系统中的升温过程和风控子系统中的增 加风速过程是矛盾的，不能同时触发这两个事件，这时，该两个设备就属于互斥设备。互斥设备中可以再 细化为次序互斥设备和无序互斥设备。例如，根据农作物的特点，如果规定了在喷药后的某个时间必须进 行喷灌，这两个设备则是次序互斥设备；如果没有规定设备运行的先后次序，则是无序互斥设备。 3.2.2
控制指令的结构
控制指令是由中心处理机发出的启动或关闭环境调控系统的信息。可以定义为一个 6 元组： （P，T，D，G，S，F） 其中： P：指令优先级，用来标识事件发生的紧急程度，优先级高的先执行。 T：指令类型，用来标识所驱动的子系统。 D：设备运行方向，用来标识所驱动子系统的设备运行方向。例如温控子系统中温控设备的升温、降 温，用+1 表示升温，用-1 表示降温。对于无方向（如喷药、灌溉）的指令，用 0 表示。 G：事件级别，表示用来标识所驱动子系统的设备运行时的强度，例如喷药时药物的浓度，灌溉时水的 流量，升温时温控设备所设定的温度等。 S：设备运行的开始时间。 F：设备运行的结束时间。 显然，设备运行的结束时间-设备运行的开始时间=设备运行持续时间。 3.2.3
控制指令的输出设计
根据 3.2.1 的机械设备分类方法，将指令之间的关系分为相容关系、互斥关系（细分为次序互斥关系和 无序互斥关系）。 控制指令输出时的调度算法如下： （1）判断输出的指令个数，若是一个指令，则立即输出；若是多个指令，则转向（2）； （2）判断指令之间的关系，若是相容关系，则立即输出或者按指令的优先级依次输出；否则转向 （3）； （3）判断指令之间的互斥方式。若是无序互斥关系，则按则指令的优先级依次输出；否则，按照事先 规定指令次序依次输出。 按照上述算法，能够合理地调度智能农业系统中的各种环境控制设备，达到资源优化，降低劳动成 - 24 http://www.ivypub.org/cst
本，提高效率的目的。实现了作物生长环境的实时控制，保证了农作物产品的品质。
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结语 智能农业的发展前景广阔，但笔者对当前的智能农业现状的调研过程中发现，绝大多数智能农业的架
构平台中只注重构建笔者所描述的三层架构中的数据采集层和数据处理层，对反馈层基本不涉及或很少涉 及，这需要人们进一步研究反馈层的构建。本文结合三层架构对数据处理层的设计进行了探讨，并对反馈 层的设备进行抽象表达，所提出的技术和方法适应了现代农业的发展需要，为智能农业的精细化、产业 化、全面智能化进行了方法和技术上初步探讨。
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【作者简介】 朱家义（1965-），男，汉，学士，副
梁云娟（1979-），女，汉，硕士，副教授，数据结构，毕
教授，算法理论，毕业于河南大学。
业于西安电子科技大学。Email:liang_yunjuan@126.com
Email: zjy1965@163.com
朱小盼（1990-），女，汉，河南师范大学学生。 Email: 1284758971@qq.com
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