智能控制與精確識(shí)別在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

孫會(huì)芳

[摘要]農(nóng)業(yè)是第一產(chǎn)業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)，在我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化過(guò)程中，機(jī)械化與精確化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向。一方面通過(guò)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率;另外一方面通過(guò)智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥與水資源的精確噴灑與灌溉，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精確化，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。本文通過(guò)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的介紹，設(shè)計(jì)一種智能化農(nóng)藥噴灑與灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物定時(shí)、定量、定位的噴灑與澆灌。

[關(guān)鍵詞]精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);智能控制;精確噴灑

中圖分類號(hào)：S127 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202001

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)介紹

1.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)也被稱為精細(xì)農(nóng)業(yè)，是信息技術(shù)、智能控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)中的應(yīng)用。通過(guò)衛(wèi)星定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、精確識(shí)別系統(tǒng)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的定時(shí)、定量、定位澆灌與農(nóng)藥的精確施加，從而提高農(nóng)作物的效益[1-2]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)以一定的經(jīng)濟(jì)投入，獲得最大收益的效果，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，減少農(nóng)民工作量，避免過(guò)量農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。

1.2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的影響

我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，幅員遼闊，資源豐富，然而我國(guó)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家。以色列是中東一個(gè)國(guó)土面積僅2.5萬(wàn)km2的小國(guó)，但其農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度全世界領(lǐng)先。以色列地處于沙漠地區(qū)，沙漠占一半的國(guó)土，水資源稀缺，在資源極度匱乏的情況下，既不能靠天又不能靠地，只有靠精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，智能灌溉，珍惜每一滴水，提高水資源利用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以色列依靠精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水資源利用率可以達(dá)到90%以上，相比之下我國(guó)卻只有30%～40%，通過(guò)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，以色列其不僅滿足了農(nóng)產(chǎn)品的自給自足，同時(shí)大量對(duì)外出口，是名副其實(shí)的農(nóng)業(yè)出口大國(guó)，可以可見(jiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的作用與意義。

1.3 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施方法

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)無(wú)論對(duì)于農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量還是經(jīng)濟(jì)效益都有重要的作用，精細(xì)化、精準(zhǔn)化，不浪費(fèi)一滴水，不多施一滴肥，精確把握農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程，以保證農(nóng)作物產(chǎn)量的最大化是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的主要思想。以藍(lán)莓的生產(chǎn)為例，藍(lán)莓是營(yíng)養(yǎng)成分十分豐富的水果，然而其對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境卻十分挑剔，藍(lán)莓適宜生長(zhǎng)的土壤酸堿度為4.0～5.2，對(duì)土壤中的含鹽量十分敏感，按傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式進(jìn)行灌溉，水的電導(dǎo)率如果超標(biāo)即會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)，在這樣的情況下通過(guò)傳感器，對(duì)土壤的酸堿度、灌溉水的數(shù)量以及電導(dǎo)率進(jìn)行精確控制，即可實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓產(chǎn)量的最大化[3-4]。

2 智能灌溉在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目介紹

煙臺(tái)某地區(qū)約66.67hm2蘋果園以及若干蔬菜大棚，該地區(qū)原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采用渠罐與手工施加農(nóng)藥的方式，水資源利用率不足45%，農(nóng)藥過(guò)度浪費(fèi)。該地區(qū)蘋果產(chǎn)業(yè)的覆蓋面積為60%以上，因此擬定設(shè)計(jì)智能化灌溉與智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉與農(nóng)藥的精確噴灑，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，提高當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)化生產(chǎn)效率。

2.2 智能灌溉系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，灌溉系統(tǒng)分為硬件部分與軟件部分，硬件系統(tǒng)的構(gòu)成由中央處理器、監(jiān)控器、水系統(tǒng)過(guò)濾器、肥料混合器、控制器以及滴灌系統(tǒng)構(gòu)成，是信息技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及精確定位與精確識(shí)別系統(tǒng)的組合。系統(tǒng)軟件部分由STM32單片機(jī)作為主控制MCU加以傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、土壤水量、蒸發(fā)量的識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹(shù)以及蔬菜大棚中農(nóng)作物的精確灌溉。

本系統(tǒng)帶有土壤狀況與環(huán)境質(zhì)量傳感器，可以探測(cè)土壤的含水量、環(huán)境的溫度濕度、地下水情況以及收集氣象信息，根據(jù)數(shù)據(jù)采集信息由處理器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的節(jié)水灌溉以及智能化控制[5]。

2.3 灌溉系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用滴灌方式作為農(nóng)作物的灌溉方式，滴灌系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)如圖2所示，該項(xiàng)目水源主要來(lái)自周圍的水庫(kù)，通過(guò)水泵將水輸送到灌溉區(qū)域，管路同時(shí)配備水過(guò)濾系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性，避免因長(zhǎng)期使用管路而產(chǎn)生水垢，導(dǎo)致系統(tǒng)的堵塞影響灌溉效果，以此提高灌溉效率。水庫(kù)位于灌溉區(qū)域的上方，可以為系統(tǒng)提供足夠的壓力，起到降低能耗，節(jié)能減排的目的[6]。

2.4 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

2.4.1 硬件設(shè)計(jì)

本智能控制系統(tǒng)通過(guò)STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹(shù)與農(nóng)作物的精確灌溉以及農(nóng)藥的精確噴灑[7-8]。單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)框架如圖3所示。硬件控制系統(tǒng)STC15主控芯片用于對(duì)土壤狀況信息進(jìn)行收集與處理，監(jiān)控土壤的溫度與濕度、地下水情況以及氣候等環(huán)境信息，為灌溉的時(shí)間與數(shù)量提供數(shù)據(jù)上的依據(jù)。STC89C52是系統(tǒng)的田間控制器，用于接收來(lái)自主控芯片STC15的指令，從而驅(qū)動(dòng)電磁閥對(duì)于果樹(shù)以及蔬菜大棚中的農(nóng)作物進(jìn)行定時(shí)定量灌溉。

2.4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)軟件控制的部分框架如圖4所示，系統(tǒng)使用C程序進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，由田間控制器，無(wú)線接收控制，土壤墑情控制等部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)指令通過(guò)無(wú)線接收模塊進(jìn)行接收，并控制電磁閥的工作狀態(tài)。

2.5 農(nóng)藥精確噴灑

本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的同時(shí)增加了視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚中農(nóng)作物的農(nóng)藥的精確噴灑，從而提高農(nóng)藥噴灑效率，能夠避免多余農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染，降低成本，提高蔬菜大棚的總體收益。

2.5.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

2.5.2 工作原理

液壓缸與液壓泵通過(guò)頂升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)動(dòng)力，頂升機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)可移動(dòng)支架的X、Y、Z三方向移動(dòng)，攝像頭可以360°無(wú)死角旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)中每個(gè)機(jī)械手臂都可以根據(jù)攝像頭識(shí)別的物體位置自動(dòng)調(diào)整機(jī)械臂的噴嘴位置，讓噴嘴位置能夠與被噴射物體的位置一致。在對(duì)農(nóng)作物的噴灑過(guò)程中，場(chǎng)景攝像頭初步定位農(nóng)作物的坐標(biāo)，并將農(nóng)作物進(jìn)行的信息傳遞給中央處理器，機(jī)械臂根據(jù)處理器發(fā)出的位置信息以及指令，將每個(gè)機(jī)械手臂移動(dòng)到農(nóng)作物上方，當(dāng)農(nóng)作物進(jìn)入機(jī)械臂攝像傳感器的視覺(jué)范圍內(nèi)時(shí)，攝像傳感器通過(guò)自身的軟件算法進(jìn)行精確的定位，并識(shí)別農(nóng)作物的大小，計(jì)算噴灑劑量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精確噴灑。

2.5.3 系統(tǒng)的功能測(cè)試

為了保證灌溉系統(tǒng)的可靠性，該智能控制系統(tǒng)完成后，本研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相應(yīng)的可靠性測(cè)試。

2.5.4 智能灌溉測(cè)試

2.5.4.1 手動(dòng)控制測(cè)試

以手動(dòng)控制為主，通過(guò)人工方式向電磁閥發(fā)送指令，測(cè)試次數(shù)100次，滴灌電磁閥動(dòng)作次數(shù)為98次，系統(tǒng)控制可靠度為98%。

2.5.4.2 土壤墑情測(cè)試

對(duì)主控系統(tǒng)溫濕度進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)人工方式對(duì)溫濕度測(cè)試，并與液晶顯示器上讀數(shù)進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果為：溫度偏差±3度，濕度偏差±5%（見(jiàn)表1）。

2.5.4.3 農(nóng)藥精確噴灑測(cè)試

噴灑實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案如圖6所示。實(shí)驗(yàn)5組作物為噴灑對(duì)象，結(jié)果表明，噴灑位置精度為±6mm，噴灑時(shí)間精度為±0.17s。

3 結(jié) 論

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的主要發(fā)展趨勢(shì)，利用自動(dòng)控制、信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的灌溉和農(nóng)藥噴灑是降低投入、避免農(nóng)藥污染、提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的主要方式。本文設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)灌溉與農(nóng)藥的自動(dòng)噴灑系統(tǒng)，并介紹了設(shè)計(jì)的原理、組成結(jié)構(gòu)與實(shí)時(shí)流程，最后通過(guò)灌溉與噴灑農(nóng)藥實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，希望本設(shè)計(jì)能夠?qū)r(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)提供幫助。

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