孫會(huì)芳
[摘要]農(nóng)業(yè)是第一產(chǎn)業(yè),是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ),在我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化過程中,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
我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國,幅員遼闊,資源豐富,然而我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家。以色列是中東一個(gè)國土面積僅2.5萬km2的小國,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,相比之下我國卻只有30%~40%,通過農(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,可以可見精準(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)目水源主要來自周圍的水庫,通過水泵將水輸送到灌溉區(qū)域,管路同時(shí)配備水過濾系統(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STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹與農(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,用于接收來自主控芯片STC15的指令,從而驅(qū)動(dòng)電磁閥對(duì)于果樹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)行軟件開發(fā),由田間控制器,無線接收控制,土壤墑情控制等部分構(gòu)成,數(shù)據(jù)指令通過無線接收模塊進(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范圍內(nèi)時(shí),攝像傳感器通過自身的軟件算法進(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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