電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用

蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周占懷

現(xiàn)代電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用可以提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，總體來說主要有以下幾點優(yōu)勢：降低生產(chǎn)成本、提高農(nóng)機(jī)的性能、減少農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。目前我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)狀是，操作者能夠提前把操作的指令輸進(jìn)設(shè)置好的數(shù)字通信單元模塊中，可以基本保證農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)自動化和精細(xì)化。但在信息化技術(shù)不斷發(fā)展和成熟的背景下，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型升級和農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的大幅提升，應(yīng)將電子信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)的各個環(huán)節(jié)和階段，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、播種、植保、收割、歸倉等，借助電子信息技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析和應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)提供精準(zhǔn)化操作、信息化指導(dǎo)和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)，從而有效提升農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)的效率[1]。

1 電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用的價值體現(xiàn)

1.1 促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展

電子信息技術(shù)能夠極大地促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，通過對數(shù)字通信模塊進(jìn)行設(shè)置和輸入輸出控制，能夠快速便捷地完成傳統(tǒng)機(jī)械中難以完成的復(fù)雜操作。以激光控制技術(shù)為例，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中引入先進(jìn)的激光控制技術(shù)，能夠提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的靈敏度，通過數(shù)據(jù)輸入輸出控制改善田間土壤的平整度，較好地滿足土地平整的需求。

1.2 降低機(jī)械故障率

將電子信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械之中，能夠?qū)r(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)過程進(jìn)行電子監(jiān)測、示警和故障診斷，及時準(zhǔn)確地對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行調(diào)整和維修，降低農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的故障率[2]。以農(nóng)業(yè)收割機(jī)為例，在電子信息技術(shù)的驅(qū)動之下，能夠?qū)L筒、籽粒升運(yùn)器等關(guān)鍵部位進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測和速率設(shè)定，從而有效降低農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障率。

1.3 節(jié)約能耗

電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用體現(xiàn)出不可比擬的作用，能夠極大地節(jié)約能源，充分利用電子信息技術(shù)的自動采集處理功能和控制功能，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械的操控。以植保無人機(jī)應(yīng)用為例，可以引入先進(jìn)的自動變量施肥技術(shù)和方法，結(jié)合土質(zhì)及作物生長狀況進(jìn)行均衡施肥，精準(zhǔn)設(shè)定不同農(nóng)作物的不同噴灑方式，實現(xiàn)網(wǎng)格化、定制化的噴灑施肥作業(yè)，減少和規(guī)避噴灑施肥的重復(fù)或遺漏。

1.4 提高農(nóng)業(yè)機(jī)械操作的舒適性

將電子信息技術(shù)引入農(nóng)業(yè)機(jī)械之中，能夠充分根據(jù)人體學(xué)的實際需求，將復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械操作變得更加簡單化，使農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)人員享受更加舒適的生產(chǎn)體驗，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)的效率。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題剖析

2.1 現(xiàn)狀

當(dāng)前電子信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計與制造，尤其是產(chǎn)品全生命周期PDM 管理系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品描述模型的應(yīng)用，極大地提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的智能化、自動化水平[3]。同時，農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化注重資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)，實現(xiàn)了土壤養(yǎng)分探測和變量施藥，引領(lǐng)農(nóng)業(yè)機(jī)械向控制智能化、操作自動化和駕駛舒適化的方向發(fā)展，推動農(nóng)業(yè)機(jī)械智能裝備的發(fā)展和進(jìn)步。

2.2 問題

盡管電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用日趨寬泛化，然而相較于發(fā)達(dá)國家而言尚存在較大差距，暴露出一些深層次的矛盾和問題，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。

（1）農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化融合不均衡。我國地域遼闊，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域和地理環(huán)境存在較大的差異，由于農(nóng)作物種類多樣性及地理環(huán)境的差異性，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化融合的區(qū)域和結(jié)構(gòu)發(fā)展尚未均衡。具體表現(xiàn)為：西部地區(qū)明顯落后于東部地區(qū)、山地丘陵地區(qū)滯后于平原生產(chǎn)地區(qū)。且在農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化作業(yè)中較多小馬力的中低端機(jī)具，缺乏大馬力的高端智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械；在農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)過程中大多是單一的功能作業(yè)模式，缺少集成配套的智能化機(jī)具作業(yè)技術(shù)和手段。

（2）缺乏對農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化深入全面的認(rèn)知[4]。在農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化作業(yè)的過程中，不少企業(yè)和農(nóng)戶對于農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化的認(rèn)知較為淺顯，沒有充分認(rèn)識到電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)中的實用價值，無法充分挖掘農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化在生產(chǎn)中的巨大優(yōu)勢，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化設(shè)備的應(yīng)用普及率偏低。

（3）基礎(chǔ)研究與關(guān)鍵技術(shù)相對薄弱。當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化發(fā)展的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)尚顯薄弱，沒有形成以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)的全程機(jī)械化技術(shù)模式和高度智能化的機(jī)具配置系統(tǒng)。尤其缺乏高端機(jī)具配套的液壓驅(qū)動系統(tǒng)、總線及控制系統(tǒng)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化作業(yè)效率偏低，無法保證農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化作業(yè)的穩(wěn)定可靠性。同時。農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化作業(yè)的創(chuàng)新能力明顯不足，無法為農(nóng)業(yè)機(jī)械化提供有力的技術(shù)支撐。

（4）農(nóng)業(yè)機(jī)械信息數(shù)據(jù)共享不足。農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化建設(shè)過程的數(shù)據(jù)共享與鏈接明顯不足，缺乏信息化作業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械信息平臺缺乏統(tǒng)一指導(dǎo)和規(guī)劃，無法實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)數(shù)據(jù)的共享和多地聯(lián)合調(diào)度。

3 電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用實踐

3.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械的電子信息化定位調(diào)度控制

農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)離不開電子裝配技術(shù)的創(chuàng)新支撐。在電子裝配技術(shù)的農(nóng)機(jī)應(yīng)用前提下，電子信息單元對農(nóng)業(yè)機(jī)械控制終端進(jìn)行指令傳輸和接送，利用電子信息無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的方式進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械協(xié)同作業(yè)的功能控制，包括收割機(jī)械、插秧機(jī)械、灌溉機(jī)械等，通過對各種農(nóng)業(yè)機(jī)械的協(xié)同控制確保農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的高效性。

以智能鋤草機(jī)器人為例，由于株間苗草聚集，機(jī)械鋤草難度極大，為此可以采用能夠自動識別苗草或作物行信息的智能鋤草機(jī)器人，以株間鋤草機(jī)器人為機(jī)械平臺，利用其液壓驅(qū)動及伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行株間鋤草自動導(dǎo)航控制[5]。具體來說，鋤草機(jī)器人利用攝像機(jī)檢測相關(guān)參數(shù)，清晰地識別作物與雜草，并通過模塊化設(shè)計將株間鋤草單元作為一個單元模塊，依據(jù)行數(shù)來增加或減少株間鋤草單元的數(shù)量，依據(jù)行距布置株間鋤草單元在機(jī)架上的數(shù)量，使鋤草機(jī)器人能夠較好地適應(yīng)不同農(nóng)作物的工況。并基于連續(xù)運(yùn)動軌跡的前提，采用間歇轉(zhuǎn)動控制策略，合理設(shè)定一個閾值株間，在閾值株距范圍內(nèi)采用連續(xù)轉(zhuǎn)動控制的方法，在閾值株距之外則采用間歇控制的方法，提高鋤刀在株間區(qū)域的覆蓋率，使鋤草運(yùn)動更好地適應(yīng)不同株距的變化，提高鋤草的自動化、智能化效率。

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)機(jī)械利用信息化技術(shù)進(jìn)行機(jī)群統(tǒng)一調(diào)度，將各種不同機(jī)械歸入同一個控制群之中，對不同的農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)生成不同的指令，通過信息系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化排列、篩選、計算和分析，使每一個農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠依照各自的作業(yè)時間和銜接方式進(jìn)行操控，較好地規(guī)避不同農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)沖突的現(xiàn)象，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的效率和準(zhǔn)確度，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)目的。

3.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械中的電子通信技術(shù)應(yīng)用

電子通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用日益寬泛，在光纜等設(shè)施的輔助下，農(nóng)業(yè)機(jī)械通過通信接口進(jìn)行互連，將電子元器件與農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備端口穩(wěn)固連接，能夠同時接收和發(fā)送各種農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化、精準(zhǔn)化控制。

以播種機(jī)這種農(nóng)業(yè)機(jī)械為例，為了解決電子控制單元過多的問題，在播種機(jī)中引入了控制器局域網(wǎng)（CAN）多主站現(xiàn)場總線，利用播種傳感器現(xiàn)場采集播種信息，對相關(guān)信息進(jìn)行智能CAN 節(jié)點處理和分析，再將分析結(jié)果傳送到整個CAN 總線網(wǎng)絡(luò)之中，通過唯一報文ID 作為識別符號進(jìn)行信息報送和解析處理。同時，通過CAN 總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行播種機(jī)作業(yè)過程的精準(zhǔn)監(jiān)測，在監(jiān)測平臺中以每一個播種監(jiān)測節(jié)點作為智能節(jié)點，利用微控制器對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè)信息采集、分析、處理和故障報警，及時準(zhǔn)確地監(jiān)測智能播種各節(jié)點的具體播種情況，提高農(nóng)作物播種的精準(zhǔn)性和智能化水平。

3.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械中的人機(jī)交互技術(shù)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械在電子信息技術(shù)的支持下突顯其智能優(yōu)勢，尤其是在人機(jī)交互技術(shù)的應(yīng)用下，農(nóng)業(yè)機(jī)械操作界面更加友好和便捷，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠通過可視化模塊了解農(nóng)作物生產(chǎn)狀況，通過相關(guān)按鈕進(jìn)行不同功能的可視化操作和控制，在各種感應(yīng)儀器及設(shè)備的支持下傳輸反饋作業(yè)數(shù)據(jù)，極大地提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率和舒適度。

以青貯收割機(jī)農(nóng)業(yè)機(jī)械為例，根據(jù)青貯收割機(jī)信息化數(shù)據(jù)的實際需求，利用智能化顯示終端和網(wǎng)絡(luò)門戶實施遠(yuǎn)程現(xiàn)場監(jiān)控，通過人機(jī)交互界面對青貯收割機(jī)發(fā)出控制指令、診斷故障信息，對青貯收割機(jī)的工況信息進(jìn)行實時智能存儲和傳輸，較好地將電液控制系統(tǒng)集成于青貯收割機(jī)之中，實現(xiàn)對整機(jī)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測、控制和診斷。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化融合發(fā)展方向

4.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備智能化

在電子信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的背景下，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化裝備的設(shè)計制造日趨智能化和信息化，在先進(jìn)的制造技術(shù)及工藝的應(yīng)用下，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品模塊化、數(shù)字化設(shè)計和制造，通過并行工程、虛擬制造、智能制造等技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計，有效提高農(nóng)業(yè)機(jī)械制造加工的效率和水平。

同時，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備不斷進(jìn)行信息化、智能化轉(zhuǎn)型升級。以智能農(nóng)業(yè)動力機(jī)械為例，在多源信息融合技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、衛(wèi)星自動導(dǎo)航技術(shù)、通信技術(shù)的依托下，各種農(nóng)用拖拉機(jī)、大型自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械向智能化方向發(fā)展，如動力換擋、無級變速傳動、四輪制動等，較好地適用于丘陵、山地等不同地形，體現(xiàn)出較高的安全操控性、機(jī)動性，提高作業(yè)人員的操作舒適度[6]。又如，智能化田間作業(yè)機(jī)械也日趨成熟和智能化，各種播種機(jī)、施肥機(jī)、耕整機(jī)械等農(nóng)業(yè)機(jī)械利用土壤信息感知技術(shù)，精準(zhǔn)獲取現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備參數(shù)信息，多參數(shù)感知土壤信息，根據(jù)作物密度、土壤肥力等參數(shù)控制施肥量，減少對環(huán)境的污染。

4.2 構(gòu)建農(nóng)業(yè)機(jī)械智慧作業(yè)系統(tǒng)

隨著電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用的不斷深入，可以建立統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)管理系統(tǒng)，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為支持和依托，對農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)耕、種、管、收等各個階段進(jìn)行管控，利用車載GPS、攝像頭和多種作業(yè)狀態(tài)檢測傳感器，進(jìn)行多機(jī)型、多時段、多地域的遠(yuǎn)程作業(yè)路徑追蹤定位、作業(yè)視頻監(jiān)控、農(nóng)機(jī)生產(chǎn)實時監(jiān)測、機(jī)車統(tǒng)一調(diào)度、機(jī)具、機(jī)手的信息管理等，從而形成農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對耕種管收全生態(tài)鏈信息進(jìn)行感知、分析和處理。

同時，還要構(gòu)建智能農(nóng)業(yè)機(jī)械信息平臺和農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)據(jù)庫，包括農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)離線數(shù)據(jù)庫和農(nóng)業(yè)機(jī)械政務(wù)信息資源庫等，利用大數(shù)據(jù)分析農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的智能化作業(yè)狀況，通過農(nóng)場管理遠(yuǎn)程咨詢系統(tǒng)、農(nóng)場咨詢系統(tǒng)和涉農(nóng)技術(shù)中心網(wǎng)站等載體，向農(nóng)戶提供所需的信息化服務(wù)。加大對農(nóng)戶的科技培訓(xùn)，提高農(nóng)戶對農(nóng)業(yè)機(jī)械的操作技能，加大農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣和應(yīng)用，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械信息平臺的服務(wù)質(zhì)量。在操作中踐行綠色發(fā)展的理念，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械自主作業(yè)技術(shù)研究及無人農(nóng)場建設(shè)

隨著電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用的持續(xù)深入，極大地推動了農(nóng)業(yè)機(jī)械自主作業(yè)技術(shù)相關(guān)研究，包括無人農(nóng)機(jī)路徑規(guī)劃及導(dǎo)航?jīng)Q策、自主避障、多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)研究等，在無人農(nóng)場中實現(xiàn)智能感知、智能導(dǎo)航和智能決策。利用信息化技術(shù)構(gòu)建無人農(nóng)場智慧管理云平臺，實時精準(zhǔn)獲悉農(nóng)作物土壤探測、農(nóng)作物長勢、病蟲害等信息，并實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的生產(chǎn)指揮調(diào)度及生產(chǎn)要素的全面管理。

4.4 培育農(nóng)業(yè)機(jī)械復(fù)合型人才

要加快制定農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依托聯(lián)盟、學(xué)會、協(xié)會等社會團(tuán)體和組織機(jī)構(gòu)，開展農(nóng)業(yè)智能裝備信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的研究，為農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化作業(yè)提供基礎(chǔ)支持。

要建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合示范基地，鼓勵國內(nèi)外大型農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)入駐，在資金、人力、物力等方面提供必要的支持。加大對農(nóng)業(yè)機(jī)械復(fù)合型人才的培養(yǎng)，更好地推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)的自動化、智能化發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，要將先進(jìn)的電子信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)作業(yè)過程，在定位調(diào)度控制、電子通信、人機(jī)交互技術(shù)等智能化自動控制技術(shù)的支持下，能夠?qū)崟r在線監(jiān)控農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)狀況數(shù)據(jù)信息，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程處于可控范疇內(nèi)，進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植過程的精準(zhǔn)控制、農(nóng)業(yè)播種及收割過程的精準(zhǔn)管控，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化、自動化調(diào)節(jié)和控制。能夠利用電子信息技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)過程的故障診斷和預(yù)警，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化、自動化作業(yè)水平。