自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用研究

趙倩 席艷 張?jiān)聵?王選

自動(dòng)控制技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等，對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行控制的一種技術(shù)，這種方法已在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，我國(guó)的自動(dòng)化控制技術(shù)也已運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率與質(zhì)量將直接影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平，所以如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率已成為相關(guān)工作人員必須解決的問(wèn)題［1］。

一、概況

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大多采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，其主要依靠大量的人力來(lái)完成農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中的各個(gè)環(huán)節(jié)。雖然在很大程度上提高了勞動(dòng)效率，但也會(huì)增加勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。如果勞動(dòng)者在長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度勞動(dòng)下進(jìn)行勞作時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)頭暈、乏力等情況，甚至還會(huì)對(duì)工作人員造成身體傷害。在這種情況下，相關(guān)工作者可以采用農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)提升勞動(dòng)效率。目前我國(guó)已經(jīng)有很多關(guān)于自動(dòng)化控制技術(shù)的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

二、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要問(wèn)題

（一）自動(dòng)化控制技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)脫節(jié)，缺乏專業(yè)技術(shù)人才。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制技術(shù)還沒(méi)有普及到我國(guó)大部分地區(qū)，并且大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展都處于起步階段，自動(dòng)化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用還存在許多問(wèn)題。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一些設(shè)備操作復(fù)雜，農(nóng)民需要經(jīng)過(guò)專業(yè)的培訓(xùn)才能掌握自動(dòng)化控制技術(shù)［2］。這就使得我國(guó)大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，許多農(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中依舊采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行勞作，降低了農(nóng)民收入。

（二）自動(dòng)化控制技術(shù)缺少科技創(chuàng)新意識(shí)。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植模式中，人工對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行種植、管理、收獲等操作時(shí)較為耗時(shí)費(fèi)力，且具有很大局限性。在現(xiàn)代化種植模式下，需要自動(dòng)化控制設(shè)備來(lái)代替人工進(jìn)行操作，不僅降低了人工操作效率，同時(shí)也提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。我國(guó)雖然在自動(dòng)控制技術(shù)研究上取得了一定成果，但仍存在著許多問(wèn)題，使得自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍并不廣泛［3］。

三、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，自動(dòng)化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中?，F(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域主要采用的自動(dòng)化設(shè)備有自動(dòng)灌溉系統(tǒng)、自動(dòng)施肥系統(tǒng)等。

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。在自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)中，自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的充分利用，進(jìn)而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。首先，在農(nóng)田中設(shè)置滴灌裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田水資源的收集與利用。其次，通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)溫度的控制。最后，在土壤濕度適宜的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況的控制。在應(yīng)用自動(dòng)灌溉系統(tǒng)后，自動(dòng)化控制技術(shù)可以在第一時(shí)間對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行分析。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是一種先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，自動(dòng)化控制程度高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境及產(chǎn)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

自動(dòng)施肥系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍較廣，其中包括土壤施肥、葉片施肥以及葉面施肥等多種形式?，F(xiàn)階段我國(guó)很多地區(qū)都采用自動(dòng)施肥技術(shù)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行追肥。自動(dòng)施肥技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，進(jìn)而根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)調(diào)整農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)情況及生長(zhǎng)狀況。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用自動(dòng)施肥技術(shù)能有效減少肥料及農(nóng)藥對(duì)土壤環(huán)境、作物生長(zhǎng)以及作物產(chǎn)量造成的影響，有利于提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)及產(chǎn)量。

四、自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論方法與技術(shù)應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的智能控制，可以對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，同時(shí)在一定程度上提高了農(nóng)業(yè)發(fā)展水平。在自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)理論方法研究中，通常以模糊邏輯法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等為主。模糊邏輯法是將模糊集合概念進(jìn)行數(shù)字處理，然后與控制領(lǐng)域的數(shù)學(xué)知識(shí)相結(jié)合，以形成模糊邏輯判斷標(biāo)準(zhǔn)，并由此得出控制算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)與控制理論結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化處理。

（一）模糊控制

在自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，模糊邏輯法是最常用的控制方法之一。利用該方法對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后將監(jiān)測(cè)到的結(jié)果與設(shè)定值相對(duì)比，進(jìn)而得出控制策略。通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控，能夠確保其工作狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)［4］。由于模糊邏輯法在實(shí)際應(yīng)用中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，因此在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用十分廣泛。由于不同的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備具有不同的工作狀態(tài)與控制要求，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的模糊邏輯法。在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了使農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備能夠滿足工作要求，需要根據(jù)不同農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)制定相應(yīng)的模糊邏輯判斷標(biāo)準(zhǔn)，并由此確定系統(tǒng)中輸入輸出變量的量化范圍。

（二）自適應(yīng)控制

在農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論方法的應(yīng)用中，自適應(yīng)控制技術(shù)可以充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，從而提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的質(zhì)量。在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，控制器通常以模糊邏輯法為主。模糊邏輯法具有一定的復(fù)雜性，但也具有一定的靈活性與可靠性，因此適用于對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)是復(fù)雜多變的，這就會(huì)使其出現(xiàn)多種反饋信號(hào)。自適應(yīng)控制法就能夠根據(jù)反饋信號(hào)變化情況來(lái)制定相應(yīng)的處理策略，使其能夠?qū)r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，進(jìn)而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

五、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備應(yīng)用案例

（一）溫室大棚自動(dòng)化控制系統(tǒng)

目前，應(yīng)用較多的是智能化溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由傳感器、單片機(jī)和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)三部分構(gòu)成。在傳感器中，可以利用溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將其傳送到單片機(jī)中。單片機(jī)中的溫度控制模塊、濕度控制模塊以及光照控制模塊對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)相應(yīng)的通信方式傳送至主計(jì)算機(jī)中。主計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理軟件可根據(jù)采集到的溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)，對(duì)溫度和濕度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控。在該系統(tǒng)中，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置各個(gè)參數(shù)的閾值［5］。一旦超出閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；若檢測(cè)到環(huán)境中存在有害物質(zhì)時(shí)，會(huì)將相應(yīng)的信息傳送至主計(jì)算機(jī)中，主計(jì)算機(jī)將信息傳送至管理人員進(jìn)行處理。管理人員可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)溫室大棚環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。

（二）精準(zhǔn)施肥技術(shù)

精準(zhǔn)施肥技術(shù)主要是指在種植過(guò)程中，對(duì)種植環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行合理地配制，在促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)的同時(shí)，將肥料均勻地分配到土壤中。在實(shí)際應(yīng)用中，肥料是保障農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中所需養(yǎng)分的重要來(lái)源，若沒(méi)有將肥料配比合理，就會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。傳統(tǒng)的施肥技術(shù)無(wú)法精準(zhǔn)控制施肥量，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)肥量不足或過(guò)量現(xiàn)象［6］。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用可以根據(jù)土壤、作物等情況以及天氣變化情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整施肥量，以保障農(nóng)作物正常生長(zhǎng)。在控制肥料用量的同時(shí)，還能確保土壤酸堿度處于合理范圍內(nèi)。在農(nóng)業(yè)種植過(guò)程中應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)，能有效降低肥料用量，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

（三）灌溉控制技術(shù)

灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的一項(xiàng)環(huán)節(jié)，這項(xiàng)工作的開(kāi)展直接影響著作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，而自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備在灌溉過(guò)程中的應(yīng)用可以有效提高灌溉效率與質(zhì)量。如在灌溉過(guò)程中，由于水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，因此需采用自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備對(duì)水資源進(jìn)行合理利用。例如，通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)備可根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況對(duì)水源進(jìn)行有效控制，如當(dāng)土壤濕度過(guò)高時(shí)，可采取間歇澆水模式進(jìn)行澆水；當(dāng)土壤濕度過(guò)低時(shí)，可采取持續(xù)澆水模式。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備可有效降低水資源浪費(fèi)現(xiàn)象。如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用滴灌系統(tǒng)時(shí)，可以使水分沿著作物根系分布的方向進(jìn)行自動(dòng)分配與輸送。滴灌系統(tǒng)由管道、灌溉噴頭以及水泵等構(gòu)成，灌溉噴頭具有一定的流量特性，并且可根據(jù)作物生長(zhǎng)需求以及土壤水分變化情況對(duì)灌溉速度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)農(nóng)作物處于生長(zhǎng)期時(shí)，水分需求大且需水量多。因此可通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備對(duì)灌溉過(guò)程進(jìn)行有效控制與調(diào)節(jié)，使農(nóng)作物處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。

六、問(wèn)題及建議

通過(guò)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的分析可以看出，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)目前還存在一些問(wèn)題，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能不高；農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范；農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)缺少標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)程序以及無(wú)法將不同類型的設(shè)備進(jìn)行集成，造成不同類型的設(shè)備無(wú)法進(jìn)行有效整合。

針對(duì)以上問(wèn)題，建議可以從以下幾個(gè)方面解決：一要充分發(fā)揮自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的作用；二要以我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系；三要完善現(xiàn)有農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的性能；四要提高數(shù)據(jù)處理能力及數(shù)據(jù)分析能力；五要加快推進(jìn)自動(dòng)控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域在自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用方面取得了巨大成果，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化。但在農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，自動(dòng)控制技術(shù)也存在一定的局限性，例如自動(dòng)化水平不高、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了以下解決措施：（1）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)的研究，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的問(wèn)題進(jìn)行深入分析，通過(guò)結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與設(shè)備，設(shè)計(jì)出更為合理的自動(dòng)化控制設(shè)備；（2）通過(guò)不斷完善和改進(jìn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其更加智能化、自動(dòng)化、人性化；（3）注重農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行融合發(fā)展。例如將計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)控制中，以此提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量；（4）提升農(nóng)業(yè)領(lǐng)域人員的綜合素養(yǎng)及工作人員的專業(yè)能力；（5）不斷推進(jìn)自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用和推廣，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化管理。