自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用研究

南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 張文軍

前言

自古農(nóng)產(chǎn)品便是每個(gè)國(guó)家的重要經(jīng)濟(jì)支柱，農(nóng)村生產(chǎn)關(guān)系的好壞甚至可以對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生直接作用，所以農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民被看作是國(guó)計(jì)民生的根本性。隨著技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)階段自動(dòng)化信息技術(shù)已經(jīng)成為人技術(shù)合作開發(fā)的一種重要方式，而虛擬儀器技術(shù)也在一定意義上取代了過去的傳統(tǒng)微處理器技術(shù)，讓農(nóng)業(yè)信息溝通生產(chǎn)變得更為快捷和方便。在上述趨勢(shì)的刺激下，農(nóng)業(yè)機(jī)械也將開始朝著更加信息化和自動(dòng)化的趨勢(shì)發(fā)展，同時(shí)由于自動(dòng)控制的廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度也會(huì)隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展而產(chǎn)生整體性的提升，從而達(dá)到進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)出質(zhì)量的要求。

1 研究意義

提升農(nóng)民產(chǎn)出效益。一方面，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)展能夠有效改善勞動(dòng)者的工作效率，提升農(nóng)民產(chǎn)出效益。如過去很多地方對(duì)玉米收割實(shí)行較原始的人力作業(yè)，不僅延誤了玉米收割時(shí)機(jī)，還錯(cuò)失了玉米的最好收割時(shí)機(jī)，會(huì)減少種植收益。但是，農(nóng)村機(jī)械化工作的開展促進(jìn)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也縮小了與城市的差異，促進(jìn)“三農(nóng)”社會(huì)實(shí)際問題的解決。隨著農(nóng)村機(jī)械設(shè)備和措施不斷完善，生產(chǎn)質(zhì)量明顯提高，土地產(chǎn)出效益提高了，土地利潤(rùn)增加，推進(jìn)了城鄉(xiāng)一體化建設(shè)。

2 自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

自動(dòng)控制是農(nóng)業(yè)機(jī)械化的一個(gè)標(biāo)志，也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以大大提高農(nóng)村產(chǎn)業(yè)效益，其監(jiān)控功能以及較好的安全性為農(nóng)村農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)做了保障。首先，自動(dòng)控制技術(shù)以實(shí)時(shí)監(jiān)控為基礎(chǔ)手段，在技術(shù)上通過高速數(shù)據(jù)傳輸，大大提高信號(hào)處理質(zhì)量，從而使得農(nóng)村農(nóng)業(yè)機(jī)械的安全性更為突出。其次，在我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中，大量使用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械后，傳統(tǒng)農(nóng)用產(chǎn)品的安全性和可靠性都更高，減少了傳統(tǒng)農(nóng)用產(chǎn)品中出現(xiàn)的部分隱患，同時(shí)也大大提高了生產(chǎn)工作效率。再者，現(xiàn)代自動(dòng)控制裝置可以進(jìn)行完善的自動(dòng)檢測(cè)，通過各種傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和檢測(cè)，可以應(yīng)對(duì)各種嚴(yán)酷的生產(chǎn)環(huán)境。在實(shí)際使用實(shí)踐中，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自主檢測(cè)功能完善，可以在設(shè)備出現(xiàn)故障的同時(shí)啟動(dòng)檢測(cè)與隔離功能，從而使農(nóng)業(yè)設(shè)備零件的損失降低至最小化。最后，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)人員來說，走進(jìn)鄉(xiāng)村的最基本要求就是使用簡(jiǎn)便靈活，并鼓勵(lì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村青年參加操作團(tuán)隊(duì)，可以真正保障農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在鄉(xiāng)村地區(qū)的普及，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化。而自動(dòng)控制成為農(nóng)業(yè)機(jī)械化的核心，符合配置的靈活性這一特點(diǎn)，且組合越來越簡(jiǎn)便。

3 自動(dòng)控制在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用情況

目前，中國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中已對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制進(jìn)行了廣泛的研究與探討，國(guó)內(nèi)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展也開始步入嶄新的階段，但中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化管理技術(shù)的起步相對(duì)較晚，與已開展先進(jìn)國(guó)家相比在高端技術(shù)應(yīng)用方面還具有較明顯的差異。因此近年來，中國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中針對(duì)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)進(jìn)行了智能化改造，以拓展農(nóng)業(yè)原有機(jī)械應(yīng)用范疇，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用效能，并提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械操作的穩(wěn)定性與安全性。其次，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中針對(duì)一些操作較為簡(jiǎn)單，且重復(fù)率高，可能存在風(fēng)險(xiǎn)的農(nóng)業(yè)活動(dòng)采用半自動(dòng)無人作業(yè)來取代傳統(tǒng)的人力勞動(dòng)，從而解放農(nóng)民生產(chǎn)力，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益顯著提高。

另外，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中也充分發(fā)展了無人全自動(dòng)作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，在規(guī)?；r(nóng)作物生產(chǎn)中基本做到了全程無人作業(yè)，使生產(chǎn)成本降低，提高了農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。最后，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)中人工智能技術(shù)已經(jīng)逐漸普及，在農(nóng)業(yè)大規(guī)模發(fā)展和信息化農(nóng)業(yè)建設(shè)的進(jìn)程中農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化控制已經(jīng)是未來發(fā)展的重點(diǎn)方向和趨勢(shì)，在其中農(nóng)業(yè)智能化控制的應(yīng)用中必須把各種信息技術(shù)集成，并充分利用云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的綜合管理，使農(nóng)業(yè)機(jī)械管理的過程更為科學(xué)與合理。

4 自動(dòng)控制在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械中的具體應(yīng)用

4.1 視覺識(shí)別技術(shù)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的糧食作物品種相當(dāng)多，不同的糧食作物品種對(duì)照明的要求也有較大的差異，以栽培著各類蔬菜的大棚為例，通過人工來調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、對(duì)蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育周期進(jìn)行分類是一個(gè)強(qiáng)度很大的工作，所要求投資的人工成本也很高。而農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化控制則充分地發(fā)揮了農(nóng)業(yè)視覺辨識(shí)技術(shù)的特性，根據(jù)農(nóng)作物的具體栽培狀況，把視覺識(shí)別系統(tǒng)加載在蔬菜生長(zhǎng)點(diǎn)的智能化管理系統(tǒng)中，就能夠區(qū)別生長(zhǎng)點(diǎn)內(nèi)不同的蔬菜?？梢愿鶕?jù)在各個(gè)生產(chǎn)階段中的蔬菜種類，通過觀察其外觀狀況，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的手動(dòng)遮光系統(tǒng)，并且通過轉(zhuǎn)動(dòng)遮光裝置就可以調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的不同，從而適應(yīng)各種蔬菜作物品種的光照要求。在這一技術(shù)中，由于農(nóng)民的勞力成本大大降低，所以不需大量人員投入即可實(shí)現(xiàn)視覺識(shí)別技術(shù)的整個(gè)使用過程。而視覺辨識(shí)技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制中的一種專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)，投資成本高，所以在一些較高附加值的果蔬栽培上也比較適用。

4.2 生長(zhǎng)條件自動(dòng)控制技術(shù)

在糧食作物生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境中，氣溫和濕度都是十分關(guān)鍵。在中國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)作物生產(chǎn)方式中，人為調(diào)控氣溫和濕度的措施有限，糧食作物的產(chǎn)量和品質(zhì)穩(wěn)定性相對(duì)低下。而根據(jù)信息自動(dòng)應(yīng)用原理，將自動(dòng)控制應(yīng)用到農(nóng)作物生產(chǎn)機(jī)械，就可以更加科學(xué)、精確地管理糧食作物生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境中的氣溫、濕度等參數(shù)，為增加糧食作物產(chǎn)量和開展農(nóng)作物的反季節(jié)生產(chǎn)創(chuàng)造了適宜條件。在溫室大棚內(nèi)設(shè)定溫濕度感應(yīng)裝置，并將其與監(jiān)控終端相連接。系統(tǒng)會(huì)按照糧食作物的生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境實(shí)際需要設(shè)定氣溫、相對(duì)濕度、光照時(shí)間等參數(shù)，控制系統(tǒng)人員利用傳感器分析和記憶有關(guān)技術(shù)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控終端，從而完成對(duì)氣溫和相對(duì)濕度的調(diào)整與管理。按照實(shí)際需求調(diào)取大棚的現(xiàn)場(chǎng)溫濕度記錄，可完成遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定，并完成對(duì)大棚的溫濕度智能監(jiān)控管理。而隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷完善，傳感器設(shè)備也將更多，精度控制的效果也必然越來越好。

4.3 自動(dòng)施肥控制技術(shù)

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，總體目標(biāo)是達(dá)到最終的自動(dòng)化、智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，因此，可以通過在農(nóng)產(chǎn)品的施肥、澆灌供水等幾個(gè)環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)智能化的生產(chǎn)管理，促進(jìn)肥料、水充分利用，帶動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平與農(nóng)業(yè)產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益的提升。以施肥控制為例，通過在農(nóng)產(chǎn)品施肥管理中應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)，農(nóng)民能夠根據(jù)澆水和施肥這兩個(gè)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，使施肥與水在機(jī)械壓力作用下充分地融合在一起，進(jìn)而達(dá)到智能化的施肥目標(biāo)。通過現(xiàn)代化的自動(dòng)施肥灌溉可以徹底改變傳統(tǒng)的施肥灌水管理模式，從時(shí)間、人員、物料成本上都很大程度地降低農(nóng)業(yè)投資，增強(qiáng)了施肥工作的準(zhǔn)確性，進(jìn)而大大提高了施肥的綜合效益。

4.4 農(nóng)作物自動(dòng)采收技術(shù)

農(nóng)民可通過智能儀器收獲莊稼。在收獲時(shí)，智能系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)農(nóng)作物發(fā)育狀態(tài)，判斷農(nóng)產(chǎn)品的成熟情況，在操作系統(tǒng)內(nèi)記錄農(nóng)產(chǎn)品信息，通過智能系統(tǒng)的精準(zhǔn)執(zhí)行操作命令，在田間自動(dòng)操作中進(jìn)行收獲。此外采用智能控制技術(shù)操作時(shí)，需要利用設(shè)備傳感器收集外部信息，確定并對(duì)比儀器的手動(dòng)控制程序參數(shù)，通過執(zhí)行程序指令，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品自主收獲的操作要求。例如PL70履帶自走式全喂入谷物聯(lián)合收割機(jī)，配備有雙攝像頭和AI處理器、AI控制器等，在實(shí)際作業(yè)過程中，能夠有效感知莊稼的密度和潮濕程度以及品質(zhì)等數(shù)據(jù)，同時(shí)利用AI控制器進(jìn)行智能化的調(diào)節(jié)功能配置，能夠減小司機(jī)的勞作強(qiáng)度，從而保證收獲質(zhì)量，減少損失量和破損度，使得整個(gè)收獲的工作效率也大大地提高。收割機(jī)在行駛過程中，能夠在計(jì)算機(jī)屏幕上即時(shí)顯示道路路況和收割機(jī)狀態(tài)、障礙監(jiān)測(cè)等狀態(tài)。同時(shí)能夠記錄收割機(jī)的前進(jìn)方向，并合理擴(kuò)大行駛區(qū)域，一旦出現(xiàn)了復(fù)雜地形，計(jì)算機(jī)就能夠改變收割機(jī)的方位。將自動(dòng)地理技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)化與地理信息技術(shù)的合理應(yīng)用，而地理信息系統(tǒng)又是農(nóng)業(yè)信息化生產(chǎn)中的關(guān)鍵手段，隨著農(nóng)業(yè)地理信息技術(shù)與自動(dòng)控制的高度整合與應(yīng)用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程與信息技術(shù)之間的聯(lián)系越來越密切，并充分發(fā)揮了二者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)作用，從而大大提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化程度。因此，地理信息系統(tǒng)能夠?qū)τ嘘P(guān)信息進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查，如土地信息、農(nóng)田農(nóng)作物信息等，研究土壤環(huán)境和莊稼的發(fā)育周期等各種情況，對(duì)綜合的農(nóng)作物產(chǎn)出效益做出全面的評(píng)價(jià)，達(dá)到信息動(dòng)態(tài)化控制的最終目標(biāo)。

4.5 自動(dòng)化溫室控制技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)前高速發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，有效地發(fā)揮了自動(dòng)控制的功能，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式提供了嶄新的發(fā)展機(jī)會(huì)，同時(shí)利用智能溫室溫度控制，可以有效減少氣候因素對(duì)農(nóng)產(chǎn)品形成的不良影響。中國(guó)的農(nóng)業(yè)溫室大棚也迅速興起，利用通風(fēng)設(shè)備、室內(nèi)采光裝置等，完成對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚溫度的科學(xué)合理控制，使之長(zhǎng)期處于舒適的溫濕度。同時(shí)利用精密溫度控制器，充分發(fā)揮了智能溫室控制系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，將自動(dòng)控制與溫度控制相結(jié)合，大大提高了溫度的智能化程度，達(dá)到了智能管理溫度的目標(biāo)。在需要的情況下，可以把手動(dòng)溫度傳感器配置在農(nóng)作物生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，對(duì)溫室大棚的室內(nèi)外氣溫、相對(duì)濕度和二氧化碳濃度等進(jìn)行隨時(shí)隨地的監(jiān)控，向控制中心手動(dòng)傳送數(shù)據(jù)。在通過對(duì)數(shù)據(jù)中心的預(yù)算和分析調(diào)研之后，可以確定最后的方案，并以此為基礎(chǔ)對(duì)溫度進(jìn)行自主的調(diào)節(jié)，也可以啟動(dòng)溫室大棚的通氣扇、空氣循環(huán)機(jī)等有關(guān)裝置，從而保證可以按照農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況和需要，對(duì)室內(nèi)外氣溫做出科學(xué)的調(diào)節(jié)。

4.6 在無土栽培中的應(yīng)用

所謂無土栽培，也就是完全脫離土地資源和各種營(yíng)養(yǎng)液的種植管理。通過應(yīng)用這種方法，可以打破常規(guī)種植方法的束縛，可以有效保護(hù)土地自然資源。在農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制的過程其中，重點(diǎn)就在于通過計(jì)算機(jī)對(duì)農(nóng)作物整個(gè)繁殖流程的科學(xué)控制。而事實(shí)上，對(duì)于不同種類生長(zhǎng)作物來說，在不同階段的成長(zhǎng)過程中，滿足繁殖需要的營(yíng)養(yǎng)成分品種和數(shù)量都有所差別。尤其在無土栽培環(huán)境中，通過自動(dòng)管理方法的引進(jìn)，就基本完成了對(duì)繁殖流程的科學(xué)控制。例如：通過專家系統(tǒng)的引入，就可以及時(shí)收集生產(chǎn)信息、管理資料、研究信息。另外，這樣控制體系的建立，可以較好健全完善各個(gè)子系統(tǒng)的功能模塊。包括：自動(dòng)跟蹤程序的完善使用、圖像識(shí)別和數(shù)據(jù)分析水平的提高、智能計(jì)算機(jī)程序的高效管理等。

4.7 空間溫濕度自動(dòng)控制技術(shù)

在大棚蔬菜栽培中，農(nóng)民可利用栽培反季節(jié)蔬菜來獲取理想的收益，但由于反季節(jié)蔬菜栽培環(huán)境的氣溫和濕度要求相當(dāng)高，所以，在以往的大棚蔬菜栽培中要求農(nóng)業(yè)部門技術(shù)人員監(jiān)督農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況；根據(jù)這一情況，在對(duì)智能化蔬菜大棚的工程設(shè)計(jì)中，工程設(shè)計(jì)人員就必須把溫濕度傳感器恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用在蔬菜大棚中，把幾個(gè)溫濕度傳感器放置在大棚的固定地點(diǎn)，每天收集相對(duì)濕度信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送到電腦上，然后電腦就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度閾值，來對(duì)加濕、排風(fēng)等設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)控，并由此來保證蔬菜大棚內(nèi)的相對(duì)濕度和氣溫都保持在適宜范圍內(nèi)。

4.8 監(jiān)測(cè)與自控管理技術(shù)

農(nóng)業(yè)機(jī)械在培育植株的過程中，必須提前確定好施肥、溫度、通氣情況、土壤水分的含量等指標(biāo)，所以，必須了解各種植株在生長(zhǎng)發(fā)育過程中對(duì)上述指標(biāo)的需求量，并且考慮到在各個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育的階段，需求量也會(huì)不同。傳統(tǒng)的播種技術(shù)通常是通過種植者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)隨機(jī)確定，或是通過單純的試驗(yàn)技術(shù)確定。或者用pH酸度計(jì)、溫度計(jì)、濕度計(jì)等設(shè)備的一些簡(jiǎn)單測(cè)定，但這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果并不能真實(shí)地反映植株的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，也無法很好地滿足植株生長(zhǎng)對(duì)上述數(shù)據(jù)的要求。20世紀(jì)90年代后，以色列、澳大利亞等農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)先的發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開發(fā)和引入了將自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械，通過各種各樣的傳感器對(duì)作物、水土以及光照度、高溫等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，再通過輸入、A/D變換等，把信息存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加以分析和數(shù)據(jù)處理，最后再根據(jù)提前確定的數(shù)據(jù)，加以適當(dāng)?shù)目刂婆c調(diào)整，以便判斷水肥、光照強(qiáng)度、高溫等環(huán)境參數(shù)，進(jìn)而反映給控制設(shè)備，從而進(jìn)行自動(dòng)地控制，使各方面的技術(shù)指標(biāo)都滿足農(nóng)作物的發(fā)展需要。自動(dòng)控制在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用正向著自動(dòng)化的趨勢(shì)推進(jìn)，專家系統(tǒng)將日益得到關(guān)注與使用。例如以色列ELDAR-GAL有限公司所出產(chǎn)的植物生理環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，就能夠即時(shí)監(jiān)測(cè)氣溫、日照、水分、空氣等十幾個(gè)參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的追蹤監(jiān)控，同時(shí)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)加以分析處理等。

5 結(jié)語

國(guó)家政府部門和科研單位對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化開發(fā)予以充分的關(guān)注和扶持，積極引導(dǎo)各大公司和科研院探索新型的農(nóng)業(yè)機(jī)械全智能化技術(shù)，出臺(tái)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化技術(shù)有關(guān)規(guī)范，鼓勵(lì)智能化系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)和推廣，真正使中國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)走在國(guó)際前面，爭(zhēng)取形成機(jī)械、電、水一體化技術(shù)的先進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械大國(guó)。