光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用與展望

葉瑞濤，熊正燁，李永強(qiáng)，師文慶

(廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

0 引言

中國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，農(nóng)業(yè)種植面積和多種農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)量居世界前列。然而，相對(duì)于很多發(fā)達(dá)國(guó)家而言，中國(guó)并非農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)。如北歐的丹麥，單個(gè)農(nóng)民的年產(chǎn)值可以供給近200普通人的生活和消費(fèi)；荷蘭溫室產(chǎn)品單位面積的產(chǎn)量全球第一，其西紅柿單位面積產(chǎn)量是我國(guó)的5倍以上。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)用傳感器

光電傳感器廣泛應(yīng)用在播種、噴霧和移栽等多種農(nóng)業(yè)機(jī)械中。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件3部分組成。其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[2]。光電傳感器一般以?xún)?nèi)光電效應(yīng)為原理的光敏電阻、光敏晶體管等和以光生伏特效應(yīng)為原理的光電池等器件為主。

1.1 光電傳感器在排種、播種中的應(yīng)用

播種是農(nóng)業(yè)增收的第1環(huán)節(jié)?？焖?、可靠及高自動(dòng)化的播種裝備檢測(cè)系統(tǒng)是我國(guó)農(nóng)業(yè)檢測(cè)裝備中亟需完善的部分。目前，國(guó)內(nèi)外的種子粒距檢測(cè)均以光電傳感器檢測(cè)為主，屬于間接測(cè)量，不能直接反映播種機(jī)運(yùn)行情況及播種速度[3]。

精密播種機(jī)的廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)代播種技術(shù)的主要特征，是播種技術(shù)的主要發(fā)展方向。其中一類(lèi)是將發(fā)紅外光二極管作為點(diǎn)光源放在凸透鏡焦點(diǎn)上，在透鏡的另一面產(chǎn)生平行光束均勻地照在硅光電池上，當(dāng)有種子下落時(shí)就會(huì)由硅光電池產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖。脈沖再經(jīng)過(guò)放大電路整形后送入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算模塊計(jì)算后輸出所需要的信息[4]。另一類(lèi)發(fā)射元件采用激光二極管，受光元件使用光敏二極管。利用發(fā)光器件LED的直徑、受光器件光敏二極管受光面直徑、排種管直徑與農(nóng)作物種子直徑的差異，半導(dǎo)體光源發(fā)射的光線(xiàn)經(jīng)反光鏡反射覆蓋整個(gè)排種管，從而進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作[5]。上述兩種基于光電傳感器的精密播種機(jī)，可以監(jiān)測(cè)和計(jì)算農(nóng)作物播種時(shí)的重播率、漏播率與合格率等數(shù)據(jù)。

趙軍等[6]設(shè)計(jì)的評(píng)估排種器下落種距的光電系統(tǒng)信號(hào)接收器如圖1所示。其采用的光電傳感器為反應(yīng)速度較快的光敏管，另一端放置LED光源。當(dāng)光線(xiàn)被阻擋即種子通過(guò)時(shí)，光電傳感器輸出一個(gè)高電平。計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算種子下落的時(shí)間間距，可以對(duì)播種種距進(jìn)行評(píng)估。

圖1 光電系統(tǒng)信號(hào)接收器Fig.1 Signal receiver for optoelectronic system

1.2 光電傳感器在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉以大水漫灌為主，不僅導(dǎo)致水資源浪費(fèi)、降低水的利用率，且容易導(dǎo)致土地退化，生產(chǎn)力下降。節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣及應(yīng)用，不僅可以減少水資源浪費(fèi)，還可以提高水的利用率，有利于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

以滴灌、微噴灌、涌泉灌和地下滲灌為代表的微灌技術(shù)是諸多節(jié)水技術(shù)中省水率最高的一種先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)[7]。光電傳感器在微灌系統(tǒng)中的作用主要是利用光敏特性，對(duì)微灌系統(tǒng)輸水管道的水流量、灌水器液位等進(jìn)行檢測(cè)。

魏玲等[8]設(shè)計(jì)的灌溉管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的流量檢測(cè)電路如圖2所示。其采用紅外光電二極管和高靈敏度光敏晶體管組成的光電傳感器ST145。遮光盤(pán)在水流推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)邊緣小孔經(jīng)過(guò)ST145的凹槽時(shí)，ST145輸出較大的電流，反之無(wú)電流輸出。最終信號(hào)由微處理器計(jì)算得到水流量。整個(gè)輸水管道中有多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生泄漏，各節(jié)點(diǎn)水流量的代數(shù)關(guān)系會(huì)被打破，以此達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。

圖2 流量檢測(cè)電路Fig.2 Flow detection circuit

1.3 光電傳感器在移栽機(jī)械中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)農(nóng)作物移栽作業(yè)中，轉(zhuǎn)移、篩選工作由人工完成，連續(xù)工作會(huì)使人疲勞，降低生產(chǎn)效率。目前已有移栽機(jī)器人有2條傳送帶，一條用于傳送插盤(pán)，另一條用于傳送盆狀容器，其他主要部件還包括插入式拔苗器、杯狀容器傳送帶、漏插分選器和插入式栽培器。該類(lèi)型移栽機(jī)在開(kāi)發(fā)時(shí)，采用了光電傳感器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。當(dāng)杯中的植物從發(fā)射器與接收器之間經(jīng)過(guò)時(shí)，如果光線(xiàn)被莖或葉子擋住，就可以斷定苗在杯中，傳感器可以上下調(diào)整以改變拒絕低于標(biāo)準(zhǔn)的劣苗的閥門(mén)，通過(guò)杯傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)將劣苗拋在廢料箱中[3]。

該現(xiàn)象好發(fā)于血液循環(huán)代謝能力差的人身上——來(lái)不及將體內(nèi)多余的水排出去，水分滯留在微血管內(nèi)甚至回滲到皮膚中，因而產(chǎn)生膨脹浮腫現(xiàn)象。對(duì)此，習(xí)慣在睡前大量喝水的人、久坐不動(dòng)的人、飲食口味重的人、經(jīng)常熬夜的人以及天生體質(zhì)代謝差的人要密切注意，適當(dāng)改善生活習(xí)慣，特別是晨起后及時(shí)“伸伸懶腰，跑跑步”，水腫往往自行消退。

田磊等[9]設(shè)計(jì)的基于PLC和光電傳感器控制的穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽裝置如圖3所示。其利用光電傳感器作為機(jī)器識(shí)別裝置，通過(guò)光電傳感器對(duì)穴盤(pán)位置和空穴進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)苗的自動(dòng)化移栽過(guò)程。

圖3 自動(dòng)移栽機(jī)器人Fig.3 Automatic transplanting robot

1.4 激光技術(shù)在平整地中的應(yīng)用

我國(guó)是一個(gè)水資源短缺的國(guó)家，整體水資源呈現(xiàn)人均少、地域分布不均衡的特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)水資源有利用不完全、利用率低和耗費(fèi)量大的特點(diǎn)。發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、提高水資源利用率，也是當(dāng)下現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

平整土地是提高農(nóng)田灌溉效率、節(jié)約水資源的一項(xiàng)重要措施。通過(guò)平整土地可有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源的利用率，是提高農(nóng)田灌溉效率的有效技術(shù)措施之一[10]。激光平整地技術(shù)是利用激光獨(dú)有特性，將激光束作為控制手段來(lái)控制液壓平地機(jī)具的升降高度[11]。激光平整地技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大片土地平整自動(dòng)化、節(jié)約勞動(dòng)力和減少農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度。

平整的農(nóng)田表面有利于入滲水分的相對(duì)均勻分布，可有效減少田間深層漏水量損失，起到改善地面灌測(cè)系統(tǒng)性能、提高田間灌水效率和灌溉均勻性的作用。經(jīng)精細(xì)平整后的土地田間灌水效率最高可達(dá)90%以上，灌溉均勻度也能得到有效改善[12]。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的一種激光平地機(jī)如圖4所示。其工作原理是激光發(fā)射器發(fā)射基準(zhǔn)圓平面激光，位于刮地鏟上的光接收機(jī)將接受的光信號(hào)輸送到控制器，控制器處理后控制液壓機(jī)執(zhí)行工作。

圖4 激光平地機(jī)Fig.4 Laser land leveling machine

2 植物工廠(chǎng)

農(nóng)業(yè)工程技術(shù)依托3次工業(yè)革命的發(fā)展，逐漸向自動(dòng)化、智能化和信息化發(fā)展。第3次工業(yè)革命(信息技術(shù))催生了光機(jī)電一體化技術(shù)，并正在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛利用，“光”不僅作為信息，而且作為“能量”輸入到農(nóng)業(yè)生物與生產(chǎn)系統(tǒng)[13]。20世紀(jì)50年代以來(lái)，一種高度自動(dòng)控制的植物栽培系統(tǒng)——植物工廠(chǎng)興起。植物工廠(chǎng)是一種可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)施內(nèi)作物生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、濕度、光照和水肥等生產(chǎn)要素進(jìn)行自動(dòng)控制，使植物不受或很少受自然條件影響，從而實(shí)現(xiàn)作物周年生產(chǎn)的高效植物生產(chǎn)方式[14]。荷蘭在太陽(yáng)光及其與人工光并用型植物工廠(chǎng)技術(shù)領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，荷蘭植物工廠(chǎng)最高產(chǎn)量可高達(dá)90 kg/m2[15]。

植物光合作用在可見(jiàn)光光譜(380～760 nm)范圍內(nèi)所吸收的光能，約占接收照射光能的60%～65%，其中主要是波長(zhǎng)為610～720 nm的紅、橙光和波長(zhǎng)為400～510 nm的藍(lán)、紫光[16]。早期在植物補(bǔ)光照明領(lǐng)域使用的人工光源大都存在光效低、能耗大等缺點(diǎn)，能耗費(fèi)用約占系統(tǒng)運(yùn)行成本的20%～40%，如高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素?zé)艉桶谉霟舻萚17]。隨著LED技術(shù)的發(fā)展和制造成本的下降，LED光源在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中已成為世界各國(guó)農(nóng)業(yè)補(bǔ)光照明的主流光源[18]。

合理利用光電技術(shù)，可以制造出適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的人工環(huán)境，生產(chǎn)出高品質(zhì)、高產(chǎn)量的農(nóng)產(chǎn)品，從而獲得高收益。荷蘭國(guó)土面積只有我國(guó)的1/24，且其緯度和我國(guó)漠河相近，有著漫長(zhǎng)難熬的冬天。從自然條件來(lái)說(shuō)，荷蘭不太適合發(fā)展農(nóng)業(yè)，但其農(nóng)產(chǎn)品出口額遠(yuǎn)高于我國(guó)。荷蘭利用光電技術(shù)結(jié)合農(nóng)業(yè)工程，制造了多種適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的人工環(huán)境，從而使得荷蘭的溫室產(chǎn)品單位面積產(chǎn)量位居世界第一[19]。中國(guó)溫室西紅柿產(chǎn)量10～15 kg/m2，而荷蘭則高達(dá)70～80 kg/m2，荷蘭溫室番茄如圖5所示。因?yàn)楹侠砝霉怆娂夹g(shù)結(jié)合農(nóng)業(yè)工程，荷蘭在幾乎不補(bǔ)貼農(nóng)業(yè)的情況下，成為歐盟最大的農(nóng)產(chǎn)品和種子出口國(guó)。

圖5 荷蘭溫室西紅柿Fig.5 Dutch tomato in greenhouse

光電技術(shù)與農(nóng)業(yè)工程相結(jié)合，可以極大緩解耕地面積缺乏問(wèn)題。通過(guò)綜合集成生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)技術(shù)和光電工程技術(shù)，擺脫了氣候、地域和季節(jié)對(duì)作物栽培的制約，能夠做到周年生產(chǎn)、工廠(chǎng)化生產(chǎn)和訂單計(jì)劃生產(chǎn)，同時(shí)有利于水分、熱量和肥料的高效循環(huán)利用，資源利用高效，環(huán)境友好。植物工廠(chǎng)可在荒灘、灘涂、沙漠、石漠化地區(qū)和土壤嚴(yán)重污染地區(qū)開(kāi)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，擴(kuò)大了可耕地資源；植物工廠(chǎng)還可以充分利用可再生能源，在這些非耕地上，利用較為豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能，發(fā)電后直接就近輸入植物工廠(chǎng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)(農(nóng)產(chǎn)品)，便于保存、流通。

以色列植物工廠(chǎng)通過(guò)智能系統(tǒng)自動(dòng)控制水、肥、溫度和濕度，克服土壤、氣候問(wèn)題，最大限度給植物最合適的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)氣、調(diào)光，包括窗簾和天窗，以及對(duì)陽(yáng)光的自動(dòng)反射調(diào)節(jié)等[20-21]。在夏季高溫期合理休種，通過(guò)對(duì)陽(yáng)光的透射和反射調(diào)節(jié)，使土溫上升到60℃以上，達(dá)到給土壤滅菌殺蟲(chóng)的效果。以色列用智能系統(tǒng)將光電技術(shù)與滴灌技術(shù)相結(jié)合，在沙漠上建成了歐洲花園和歐洲的“冬季廚房”，成為僅次于荷蘭的全球第2大花卉供應(yīng)國(guó)和歐洲最重要的冬季蔬菜供應(yīng)國(guó)[22]。以色列植物工廠(chǎng)中的草莓如圖6所示。

圖6 以色列植物工廠(chǎng)的草莓Fig.6 Strawberries in Israeli plant factory

我國(guó)植物工廠(chǎng)發(fā)展起步較晚。2009年，國(guó)內(nèi)第1例植物工廠(chǎng)研發(fā)成功，并在長(zhǎng)春投入運(yùn)行。國(guó)內(nèi)植物工廠(chǎng)經(jīng)歷了引進(jìn)消化、自主研發(fā)和應(yīng)用推廣3個(gè)階段，現(xiàn)處于發(fā)展的活躍期與上升期[23]。雖然我國(guó)植物工廠(chǎng)起步晚，但發(fā)展十分迅速。目前，我國(guó)正大力推進(jìn)植物工廠(chǎng)的發(fā)展，國(guó)家和企業(yè)對(duì)植物工廠(chǎng)的研發(fā)投入連年上升?，F(xiàn)有超過(guò)200家企業(yè)涉及到植物工廠(chǎng)的研發(fā)或運(yùn)營(yíng)工作。國(guó)家政策也大力支持國(guó)內(nèi)植物工廠(chǎng)的研發(fā)與建設(shè)。2013年，我國(guó)正式將植物工廠(chǎng)項(xiàng)目列入國(guó)家863科技發(fā)展計(jì)劃。植物工廠(chǎng)中的蔬菜如圖7所示。

圖7 植物工廠(chǎng)中的蔬菜Fig.7 Vegetables in plant factory

國(guó)內(nèi)植物工廠(chǎng)因發(fā)展時(shí)間尚短，許多植物工廠(chǎng)項(xiàng)目尚處在研發(fā)和實(shí)驗(yàn)階段，主要分布在一些科研試驗(yàn)基地，還未達(dá)到真正意義上的普及和盈利階段。目前，國(guó)內(nèi)植物工廠(chǎng)還存在自主研發(fā)程度不高、投資運(yùn)營(yíng)成本較高、普及率低和盈利模式不成熟等問(wèn)題。

3 害蟲(chóng)防治及畜牧業(yè)

農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素。害蟲(chóng)防治、蟲(chóng)情監(jiān)測(cè)也是農(nóng)業(yè)科研的一個(gè)重要方向。傳統(tǒng)害蟲(chóng)捕殺主要通過(guò)化學(xué)藥劑防治，但是藥劑防治會(huì)使害蟲(chóng)抗藥性越來(lái)越強(qiáng)，最終會(huì)導(dǎo)致正常用藥劑量無(wú)法殺滅害蟲(chóng)[24]。

昆蟲(chóng)趨光性是昆蟲(chóng)固有的行為學(xué)特性之一，影響昆蟲(chóng)取食、交配和繁殖，可以利用昆蟲(chóng)趨光行為進(jìn)行害蟲(chóng)防治[25]。LED燈具有波長(zhǎng)范圍窄、光色單一、亮度高、能耗低和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是最佳的誘蟲(chóng)光源。波長(zhǎng)單一的LED光源不僅能夠解決傳統(tǒng)光源光譜范圍廣、害蟲(chóng)針對(duì)性差等缺點(diǎn)，而且在同樣能耗情況下，LED光強(qiáng)較其他光源更強(qiáng)，燈光的覆蓋面積更大，控害范圍更廣，大大提高了靶標(biāo)害蟲(chóng)的誘集率，降低了對(duì)天敵和中性昆蟲(chóng)的潛在傷害[25-26]。在公園或動(dòng)物放養(yǎng)區(qū)放置的太陽(yáng)能滅蠅燈如圖8所示，一方面可以有效殺滅蠅蟲(chóng)，提升相應(yīng)區(qū)域動(dòng)物或人類(lèi)活動(dòng)的舒適度，另一方面還可以根據(jù)燈內(nèi)捕獲的蠅蟲(chóng)估計(jì)相應(yīng)區(qū)域的蟲(chóng)害情況。

圖8 太陽(yáng)能滅蠅燈Fig.8 Solar fly-killing light

人工補(bǔ)光照明是畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境控制的重要手段之一?？茖W(xué)地使用人工光照能夠合理調(diào)控畜禽的生長(zhǎng)代謝、生長(zhǎng)發(fā)育，減少疾病發(fā)生[27]。

李云雷等[27]采用LED燈作為人工光源，研究4種光照顏色對(duì)黃羽肉雞生長(zhǎng)性能和胴體性能的影響。研究表明，藍(lán)光和綠光環(huán)境中雞只生長(zhǎng)速度較快，但是綠光條件下雞只體增重標(biāo)準(zhǔn)差較大。合理地運(yùn)用光色，可以控制雞只的生長(zhǎng)發(fā)育、調(diào)節(jié)雞只的性腺發(fā)育，從而提高黃羽肉雞的生產(chǎn)效率和效益。有助于產(chǎn)蛋和促進(jìn)進(jìn)食的燈光系統(tǒng)已成為養(yǎng)雞場(chǎng)的標(biāo)配。近年來(lái)，研究人員通過(guò)適當(dāng)?shù)腖ED光照調(diào)節(jié)，顯著促進(jìn)了畜禽生長(zhǎng)，增強(qiáng)了畜禽免疫力，提升了畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)潛力[17，28]。養(yǎng)雞場(chǎng)內(nèi)的燈光系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 養(yǎng)雞場(chǎng)內(nèi)的燈光系統(tǒng)Fig.9 Lighting system in chicken farm

4 展望

4.1 發(fā)展專(zhuān)用光電智能配件

光電技術(shù)作為21世紀(jì)的高新產(chǎn)業(yè)，在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用還屬于起步階段。雖然大量研究與實(shí)踐證明，光電技術(shù)作為信息化技術(shù)的重要一環(huán)，在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用范圍廣、應(yīng)用結(jié)合度高，但由于光電器件與農(nóng)機(jī)器械的研發(fā)與生產(chǎn)尚處在探索、研究階段，光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的普及度還不夠高。如激光平地機(jī)的核心元件(激光器、接收器、水平及高度傳感器等)研制水平雖然相對(duì)完善，但供給農(nóng)業(yè)專(zhuān)用平地機(jī)的元件還很少，不能完全適應(yīng)農(nóng)用平地機(jī)的使用要求[11]。雖然有助于產(chǎn)蛋和促進(jìn)進(jìn)食的燈光系統(tǒng)已成為養(yǎng)雞場(chǎng)的標(biāo)配，但這種標(biāo)配還有很大的提升空間。目前，多數(shù)肉雞養(yǎng)殖場(chǎng)采用高色溫?zé)艄庀到y(tǒng)定時(shí)照明，蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)采用暖色(色溫約2 700 K)燈光系統(tǒng)定時(shí)照明。養(yǎng)殖場(chǎng)希望能采用更智能化的燈光控制器，如控制器可以在雞進(jìn)食期起用紅光，進(jìn)食結(jié)束紅光關(guān)閉，適當(dāng)補(bǔ)充綠光照明，促進(jìn)鈣質(zhì)吸收。但市場(chǎng)上類(lèi)似的專(zhuān)用智能控制器還并不成熟。針對(duì)不同的養(yǎng)殖禽、畜需用不同的燈光系統(tǒng)及相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)。同樣的，對(duì)于植物工廠(chǎng)的照明補(bǔ)光系統(tǒng)，不同的作物對(duì)光照的需求不同，因此對(duì)應(yīng)的燈光控制系統(tǒng)也不同。智能燈光控制系統(tǒng)需要光電技術(shù)人才與農(nóng)業(yè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合才能研發(fā)出好的成熟產(chǎn)品。

4.2 光電技術(shù)和人工智能有機(jī)結(jié)合

光電技術(shù)和人工智能有機(jī)結(jié)合是未來(lái)農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展趨勢(shì)之一。未來(lái)農(nóng)業(yè)工程要向高度自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，降低農(nóng)業(yè)人力、物力成本和提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量是基本需求。雖然一些大型農(nóng)場(chǎng)的播種、施肥甚至采摘等都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化，但對(duì)于一些較為分散的種植區(qū)域，機(jī)械化和自動(dòng)化程度還相對(duì)較低，需要較大的人力成本。如南方的馬鈴薯種植，雖然在很多環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但仍有不少過(guò)程需要人力參與，如在收獲過(guò)程中，馬鈴薯被翻至地面后，還需要人工撿拾[29]。另外，在一些果樹(shù)的果實(shí)采摘過(guò)程中，人工采摘可能存在一定風(fēng)險(xiǎn)，有必要研發(fā)具有識(shí)別功能的機(jī)器人，能自動(dòng)識(shí)別成熟果實(shí)并完成采摘。國(guó)外已有自動(dòng)采摘機(jī)器人相關(guān)研究，能自動(dòng)識(shí)別成熟的西紅柿并完成采摘(圖10)。雖然當(dāng)前采摘機(jī)器人和人工相比還不夠完善，但后續(xù)產(chǎn)品升級(jí)可能實(shí)現(xiàn)紅棗、蘋(píng)果等水果精準(zhǔn)采摘，相比人力的優(yōu)勢(shì)將逐漸顯現(xiàn)。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合做成可替代人工的機(jī)器人，是光電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展趨勢(shì)之一。

圖10 基于視覺(jué)識(shí)別的西紅柿采摘機(jī)器人Fig.10 Tomato picking robot based on visual recognition

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著光電技術(shù)的發(fā)展和人力成本的提高，光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。光電技術(shù)已滲透到農(nóng)業(yè)機(jī)械及其傳感器、植物工廠(chǎng)和畜牧養(yǎng)殖的方方面面。農(nóng)業(yè)工程發(fā)展需要光電技術(shù)工作者與其他技術(shù)人員一起，研發(fā)更多能夠應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程的有針對(duì)性的專(zhuān)用智能化器件和產(chǎn)品。光電技術(shù)也要與人工智能等相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出更多能替代人力的產(chǎn)品。