智能化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械工程自動化中的應(yīng)用

張學(xué)勇

（德州市農(nóng)業(yè)機械服務(wù)中心，山東 德州 253000）

機械工程的自動化設(shè)計是一個多方面設(shè)計問題，在運行中，以控制系統(tǒng)、計算機技術(shù)、系統(tǒng)工程為核心，實現(xiàn)了對機械工程的全面控制。因此，在機械工程的自動化運作中，必須有一套強有力的理論與實踐系統(tǒng)來支持，以充分發(fā)揮其優(yōu)越性，提高設(shè)備的質(zhì)量與效益，節(jié)約人力物力[1]。因此，在信息化大環(huán)境下，機械工程在進(jìn)行大規(guī)模變革時，一定要把自動化技術(shù)作為重點，從機器設(shè)備到人員，要努力實現(xiàn)自動化，以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，我國機械自動化體系還存在許多不足之處，因此，為了使我國機械事業(yè)能夠更長遠(yuǎn)地發(fā)展，為了適應(yīng)我國機械行業(yè)發(fā)展需求，必須根據(jù)我國實際情況構(gòu)建機械工程自動化管理體系。當(dāng)前，我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域已逐漸實現(xiàn)了機械化，改變了傳統(tǒng)的作業(yè)模式[2]。農(nóng)業(yè)是國家發(fā)展的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人力，而且勞動強度大，效率低下?？茖W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機械的自動化，農(nóng)業(yè)機械化極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，推動了農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。基于此，筆者就智能化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械工程自動化中的應(yīng)用展開研究。

1 農(nóng)業(yè)機械工程智能化技術(shù)應(yīng)用

我國的農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展已普遍采用了自動化技術(shù)，使其工作狀態(tài)更為平穩(wěn)，工作時無需手動，延長了機器的使用壽命，降低了農(nóng)民勞動強度，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[3]。

1.1 施肥、灌溉自動化

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)機械裝備的廣泛使用，智能化技術(shù)逐漸向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域滲透。智能農(nóng)業(yè)就是農(nóng)業(yè)先進(jìn)設(shè)施與露地相配套、具有高度的技術(shù)規(guī)范和高效益的集約化規(guī)模經(jīng)營的生產(chǎn)方式[4]。隨著自動化和智能化技術(shù)的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)灌溉、施肥的自動化和智能化程度越來越高，智能化技術(shù)既能有效地實現(xiàn)節(jié)水灌溉，又能有效地防止水資源浪費，提高了灌溉效益。灌溉、施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，對農(nóng)作物的生長有直接的影響。將自動化、智能化技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)灌溉、施肥中，可以使灌溉用水得到合理利用，又可以運用智能化技術(shù)實現(xiàn)灌溉與施肥的有機統(tǒng)一，為了達(dá)到上述目的，廣大科研人員采用了基于PLC控制技術(shù)，該技術(shù)選用nTouch觸摸屏為人機界面進(jìn)行灌溉、施肥的自動化。通過nTouch觸摸屏的自動化檢測技術(shù)，充分利用Windows的圖形編輯功能構(gòu)成灌溉、施肥監(jiān)控畫面，以動畫方式直觀顯示灌溉、施肥全過程。

1.2 光照調(diào)節(jié)自動化

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，不同的作物對光照的要求是不同的，所以，必須針對不同作物的生長環(huán)境進(jìn)行管理。比如，由于某些植物對生長周期和環(huán)境的需求不同，在溫室內(nèi)栽培時要根據(jù)生長需求調(diào)節(jié)光照，以保證適宜生長。若按常規(guī)的溫室栽培技術(shù)調(diào)整栽培環(huán)境，不僅操作困難，而且需要大量的人力物力[5]。因此，就可以利用光敏元件來感應(yīng)光線的信息，光敏元件是一種隨外界光輻射變化而發(fā)生改變的敏感元件，其工作原理是光電二極管，利用半導(dǎo)體的光敏特性制造光接受器件。當(dāng)光強度增加時，半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)兩側(cè)區(qū)域因本征激發(fā)產(chǎn)生了少數(shù)載流。如果二極管反偏，那么反向電流也隨之增大。為此，隨著光電二極管反向電流增加，光照強度也隨之增加。如果入射光線十分微弱，那么普通光電管產(chǎn)生的光電流也十分小，容易出現(xiàn)漏測問題。針對該情況，使用光電倍增管對電流進(jìn)行放大處理，獲取強大光電流。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，需要在作物生長的各個時期設(shè)置不同的光敏元件，利用光敏元件來調(diào)整光線的變化，自動調(diào)整光線的環(huán)境。通過在大棚內(nèi)設(shè)置光敏元件，可使大棚根據(jù)檢測到的實時光照強度進(jìn)行自動光照調(diào)節(jié)。

1.3 機械除草自動化

自動化機械除草機包括主控制單元、驅(qū)動單元和測試單元，其中控制單元負(fù)責(zé)實現(xiàn)對機器的控制。它的作用是實現(xiàn)機床與工作地點之間的自動控制與協(xié)同操作。該系統(tǒng)主要由電機控制裝置、電機電流控制裝置、刮刀控制裝置構(gòu)成，其主要作用是完成自動旋轉(zhuǎn)作業(yè)點，設(shè)置作業(yè)參數(shù)等。通常在控制裝置的電機控制裝置中增加一個電-液結(jié)合裝置，通過電-液接觸器來進(jìn)行電源開關(guān)控制。此外，該系統(tǒng)還包括電機速度傳感器、驅(qū)動器速度傳感器、磁力傳感器、位置傳感器等，它的主要功能是把所測到的數(shù)據(jù)輸入控制裝置中，然后對每個輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼[6]?？刂菩盘栍勺冾l器輸入到繼電器組件中，它的主要作用是對除草機馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。傳動裝置是機械與刀片之間的一個重要環(huán)節(jié)，它是保證機器正常運轉(zhuǎn)、提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。傳動裝置的質(zhì)量對機械的工作效率有很大的影響，針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物種類，結(jié)合農(nóng)機除草技術(shù)，研制了一種特殊的機械除草設(shè)備，其中機械除草有手工機械除草和自動機械除草兩種。自動機械除草是由計算機控制自動轉(zhuǎn)動的機械除草機轉(zhuǎn)動，帶動機械葉片工作，利用機械葉片的力量碾碎或粉碎雜草，用鏟子刮除雜草。同時，自動旋轉(zhuǎn)式除草器可在很短的時間內(nèi)將雜草從堆場中清除。

2 基于農(nóng)業(yè)機械工程自動化數(shù)據(jù)智能處理的分揀自動化

高速智能分揀遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是一種分布式的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，它主要包括兩個模塊：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心分析模塊和本地控制模塊；按照功能邏輯可分為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理、本地分揀系統(tǒng)兩個模塊。

2.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理

在農(nóng)業(yè)機械工程自動化應(yīng)用過程中，由于機械設(shè)備使用過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，因此必須采用智能化算法來對其進(jìn)行分析、處理，并利用數(shù)據(jù)挖掘方法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，從而構(gòu)建出一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫。當(dāng)經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫規(guī)模足夠大時，可將該經(jīng)驗數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于同類新產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，因此，需要遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理[7]。

基于大數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)業(yè)機械工程自動化數(shù)據(jù)智能處理步驟，在對農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，利用智能挖掘算法，可以合理地確定權(quán)重和可信度。對于故障問題結(jié)合聚類中心進(jìn)行故障類型判斷，首先選擇a個生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的規(guī)則，對需要進(jìn)行分類的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。

利用大數(shù)據(jù)挖掘算法和聚類分析方法，能夠快速地判斷出分揀自動化系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而判斷出分揀自動化系統(tǒng)部件的失效類型。大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)能夠?qū)⒉煌瑐鞲衅魇占降臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并通過聚類算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。若在自動化分揀工藝中判斷出存在失效狀況，則該智能決策系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)分揀自動化系統(tǒng)的工作狀態(tài)；在自動化分揀過程中，若有必要進(jìn)行全過程的調(diào)整，則可以在適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)暫時停機，以確保自動化分揀的質(zhì)量[8]。

2.2 本地分揀系統(tǒng)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理主要是將檢測到的農(nóng)作物品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實時存儲，并通過運行服務(wù)器實現(xiàn)對分類數(shù)據(jù)的快速處理，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對模型動態(tài)建模，并對用戶的控制行為進(jìn)行實時監(jiān)測。將互聯(lián)網(wǎng)與PLC分揀系統(tǒng)、農(nóng)作物參數(shù)檢測單元（例如糖含量檢測單元、品質(zhì)檢測單元）相結(jié)合，對農(nóng)作物參數(shù)和遠(yuǎn)程分級模式進(jìn)行對比，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的等級分類，將分類結(jié)果傳送至本地分揀系統(tǒng)[9]。

在本地分揀系統(tǒng)中，通過對參數(shù)的遠(yuǎn)程分析[10]，由伺服控制系統(tǒng)來驅(qū)動分揀機構(gòu)進(jìn)行分類。將被分揀的作物樣本經(jīng)傳送設(shè)備依次傳送至糖含量、品質(zhì)等檢測單元，并將樣本的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行比對、分類；同時，通過實時調(diào)節(jié)傳送速率和控制邏輯，使要分種的作物及時準(zhǔn)確地分布到各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)?？筛鶕?jù)產(chǎn)地、成本、農(nóng)作物品種，選用適當(dāng)?shù)倪\輸方式。比如，可以將農(nóng)作物糖含量和品質(zhì)歸類。因為大多數(shù)作物的紅外線探測都比較薄，所以可以根據(jù)現(xiàn)場情況，采用橫向循環(huán)或單向帶狀逆向輸送，從而達(dá)到更好的控制效果?；谶@一思想，可以將農(nóng)作物的自動進(jìn)給和包裝機構(gòu)延伸到多個階段。

3 實驗

3.1 實驗概況

針對我國的節(jié)水灌溉工程，目前主要以噴灌、滴灌為主，而在稻田灌溉中，則多使用改進(jìn)型的電磁閥或蝶閥控制的開溝式灌溉。在農(nóng)業(yè)中節(jié)水灌溉技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù)，節(jié)水灌溉是以作物的生長需要為基礎(chǔ)，對灌溉用水進(jìn)行調(diào)控。

利用液位傳感器對田間水位進(jìn)行監(jiān)測，并依據(jù)水稻生長周期的需要，實現(xiàn)對水稻的智能化灌溉作業(yè)。液位傳感器是一套由多個傳感器構(gòu)成的系統(tǒng)，通過分析所收集到的數(shù)據(jù)，并將其實時反饋至數(shù)據(jù)處理中心，從而達(dá)到對水稻水層的監(jiān)測與控制。

3.2 灌溉面積實驗分析

以灌溉面積為實驗對象，采用人工灌溉和智能化技術(shù)對比分析灌溉面積，在長為80 m，寬為45 m的水稻田內(nèi)，采用人工灌溉方法的灌溉面積不規(guī)整，且灌溉不全面，出現(xiàn)了灌溉不均勻等問題；采用智能化技術(shù)對灌溉面積規(guī)整后，灌溉面積可達(dá)到98%。

3.3 灌溉水位實驗分析

假設(shè)水稻田內(nèi)都被水灌溉，以灌溉水位為實驗對象，采用人工灌溉和智能化技術(shù)對比分析灌溉水位。使用人工灌溉技術(shù)時的水位與理想數(shù)值只有在灌溉面積為2 250 m2時一致，其余均不一致；使用智能化技術(shù)在所有灌溉面積下水位與理想數(shù)值均一致，由此可知，使用智能化技術(shù)具有精準(zhǔn)灌溉效果。

4 結(jié)語

綜上所述，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展推動了智能技術(shù)的進(jìn)步，人們對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求越來越高，推動了農(nóng)業(yè)機械自動化水平的不斷提升。實踐證明，通過提升機械自動化水平，能夠改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)條件，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。智能化技術(shù)的應(yīng)用推進(jìn)了農(nóng)業(yè)機械工程自動化進(jìn)程，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作效率，保障了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全性，極大地降低了農(nóng)民勞動強度，增加了農(nóng)民收益，助力農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。