基于軟件工程的智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

呂澤昊

（山西應(yīng)用科技學(xué)院，山西 太原 030062）

農(nóng)業(yè)正迎來(lái)前所未有的技術(shù)變革，智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用就是其中之一[1]。這一領(lǐng)域的快速發(fā)展為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來(lái)了革命性的改變，提高了生產(chǎn)效率，減少了資源浪費(fèi)，并有助于應(yīng)對(duì)糧食安全和環(huán)境可持續(xù)性等重大挑戰(zhàn)[2]。因此，探索基于軟件工程的智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，有望為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化提供有力支持，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)如今，智能化發(fā)展已經(jīng)逐漸受到社會(huì)各行各業(yè)的廣泛關(guān)注，國(guó)家不斷投入相關(guān)資金用于技術(shù)的研發(fā)與智能農(nóng)機(jī)的創(chuàng)新發(fā)展。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的前提下，若依舊使用傳統(tǒng)技術(shù)便難以適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)智能農(nóng)機(jī)的現(xiàn)實(shí)需要。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者認(rèn)為軟件工程可以?xún)?yōu)化智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)，提升該系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

1 智能農(nóng)機(jī)概述

智能農(nóng)機(jī)是一種利用現(xiàn)代科技手段，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化的機(jī)械設(shè)備[3]。智能農(nóng)機(jī)主要由感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和通信系統(tǒng)四個(gè)部分組成，是一種能夠完成種植、收割、加工等多種農(nóng)業(yè)工作的高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)工具。對(duì)于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化而言，智能農(nóng)機(jī)不僅可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，還可以節(jié)約人力資源和物資資源，減少環(huán)境污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4]。作為現(xiàn)代科技發(fā)展成果，其結(jié)構(gòu)形式也具有靈活性和適應(yīng)性的特點(diǎn)。如今為了能夠更好地滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，相關(guān)部門(mén)已經(jīng)研制出了一套可以進(jìn)行智能識(shí)別、智能控制、智能優(yōu)化的系統(tǒng)，可在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中自主完成各種任務(wù)，有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

此外，智能農(nóng)機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中也有很多的優(yōu)勢(shì)：1）能夠根據(jù)作物的生長(zhǎng)情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)水肥、防治病蟲(chóng)害等[5]。2）能夠根據(jù)作物的品種和特性，自動(dòng)選擇合適的種植模式和收獲方式。3）智能農(nóng)機(jī)的操作可以減少對(duì)土壤和環(huán)境的破壞。4）智能農(nóng)機(jī)可以在惡劣的氣候條件下運(yùn)行，保證農(nóng)民的安全，節(jié)約能源，減少污染物排放[6]。

2 智能農(nóng)機(jī)的組成與設(shè)計(jì)情況

2.1 智能農(nóng)機(jī)的組成

智能農(nóng)機(jī)主要由感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和通信系統(tǒng)四個(gè)部分組成，具體如下：

1）感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集農(nóng)田環(huán)境和作物生長(zhǎng)的相關(guān)信息，如溫度、濕度、光照、土壤、病蟲(chóng)害等，通過(guò)傳感器和攝像頭等設(shè)備，將信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸給控制系統(tǒng)[7]。

2）控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)感知系統(tǒng)收集的信息進(jìn)行分析和處理，根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)和策略，生成相應(yīng)的控制指令，傳輸給執(zhí)行系統(tǒng)。

3）執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如電動(dòng)機(jī)、液壓缸、氣動(dòng)閥等，完成各種農(nóng)業(yè)作業(yè)任務(wù)，如播種、施肥、灌溉、除草、收割等。

4）通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)機(jī)與其他設(shè)備或人員的信息交互，如無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、GPS等，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制、數(shù)據(jù)傳輸和共享、故障診斷和維修等功能。

2.2 設(shè)計(jì)情況

2.2.1 多功能設(shè)計(jì)

智能農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)可執(zhí)行多種不同的農(nóng)業(yè)作業(yè)任務(wù)，如耕作、播種、施肥、灌溉、除草、收割等[8]。其優(yōu)勢(shì)在于農(nóng)機(jī)可以通過(guò)更換不同的工作頭或者調(diào)整不同的參數(shù)來(lái)適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)需求。例如，當(dāng)需要進(jìn)行播種操作時(shí)，智能農(nóng)機(jī)可以配備播種工作頭，根據(jù)所種植的作物和所需的種植密度，調(diào)整播種深度和間距。當(dāng)需要施肥操作時(shí)，可以切換到施肥工作頭，并根據(jù)土壤分析結(jié)果和植物的養(yǎng)分需求來(lái)確定施肥量和方法。這種多功能設(shè)計(jì)大大提高了智能農(nóng)機(jī)的利用率和效益，使其能夠滿(mǎn)足不同作物和不同生產(chǎn)環(huán)境的要求。

2.2.2 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制使智能農(nóng)機(jī)能夠根據(jù)不同的作物類(lèi)型和環(huán)境條件自動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化其操作。利用各種自適應(yīng)控制技術(shù)，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)機(jī)的高度適應(yīng)性和穩(wěn)定性[9]。例如，在面對(duì)不同類(lèi)型的土壤時(shí)，智能農(nóng)機(jī)可以根據(jù)土壤質(zhì)地和濕度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以確保施肥和灌溉的準(zhǔn)確性。還可以根據(jù)作物的生長(zhǎng)情況和天氣條件來(lái)自動(dòng)調(diào)整播種和收割的速度和深度。這種自適應(yīng)控制能力使農(nóng)機(jī)能夠更好地適應(yīng)不斷變化的農(nóng)業(yè)條件，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和效率。

2.2.3 無(wú)人駕駛技術(shù)

智能農(nóng)機(jī)利用各種導(dǎo)航和定位技術(shù)，如GPS、INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）、激光雷達(dá)等，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和定位[10]。通過(guò)這些技術(shù)，智能農(nóng)機(jī)能夠在農(nóng)田中精確地定位自己，并按照預(yù)定的路線(xiàn)和軌跡進(jìn)行操作。無(wú)人駕駛技術(shù)還包括與其他設(shè)備和人員的信息交互。通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，如Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等，智能農(nóng)機(jī)可以與農(nóng)場(chǎng)管理系統(tǒng)或操作員進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。使得農(nóng)機(jī)能夠接收指令、傳輸數(shù)據(jù)，并與其他智能設(shè)備或傳感器進(jìn)行協(xié)作。無(wú)人駕駛技術(shù)提高了智能農(nóng)機(jī)的自主性和智能性，減少了人工干預(yù)的需求。

2.2.4 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)在智能農(nóng)機(jī)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了更高級(jí)別的智能決策和行為。這包括圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和專(zhuān)家系統(tǒng)等技術(shù)。例如，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，智能農(nóng)機(jī)可以識(shí)別作物的生長(zhǎng)狀態(tài)和病蟲(chóng)害情況，以便采取適當(dāng)?shù)拇胧ＵZ(yǔ)音識(shí)別和自然語(yǔ)言處理技術(shù)使操作員與農(nóng)機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音交互，發(fā)送指令并接收反饋。專(zhuān)家系統(tǒng)基于大量的農(nóng)業(yè)知識(shí)和數(shù)據(jù)提供決策支持，可以確定最佳播種時(shí)間或施肥方案。這些人工智能技術(shù)使智能農(nóng)機(jī)具備更高級(jí)別的智能性，能夠更準(zhǔn)確地適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)情境，提高生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。智能農(nóng)機(jī)的發(fā)展代表了現(xiàn)代科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和精細(xì)化生產(chǎn)提供了有力支持。

3 基于軟件工程的智能農(nóng)機(jī)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 硬件設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1.1 硬件設(shè)計(jì)

1）傳感器模塊是智能農(nóng)機(jī)的感知系統(tǒng)，用于采集農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)和農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。這個(gè)模塊采用了Arduino UNO開(kāi)發(fā)板，其內(nèi)部元件如下：①14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，可用于連接各種傳感器和執(zhí)行器。②6個(gè)可用作PWM輸出的引腳，可用于控制電機(jī)等設(shè)備的速度。③6個(gè)模擬輸入引腳，用于接收模擬傳感器數(shù)據(jù)。④USB接口和電源插座，用于供電以及與其他設(shè)備連接。⑤ICSP頭和復(fù)位按鈕，用于開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

2）控制模塊是智能農(nóng)機(jī)的大腦，用于根據(jù)傳感器模塊的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)的智能控制。這個(gè)模塊采用了Raspberry Pi 4B單板計(jì)算機(jī)，其內(nèi)部元件如下：①4 GB內(nèi)存和64位四核處理器，提供強(qiáng)大的計(jì)算能力。②雙頻無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和藍(lán)牙5.0，用于無(wú)線(xiàn)通信和遠(yuǎn)程控制。③千兆以太網(wǎng)，用于高速數(shù)據(jù)傳輸。④USB接口，用于連接外部設(shè)備。

3）通信模塊用于實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，如上傳傳感器數(shù)據(jù)、下載控制指令等。通信模塊采用SIM800L GSM/GPRS模塊，支持GSM/GPRS四頻段（850 MHz/900 MHz/1 800 MHz/1 900 MHz），可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信和數(shù)據(jù)傳輸功能。

4）執(zhí)行模塊用于根據(jù)控制模塊的指令，驅(qū)動(dòng)農(nóng)機(jī)的各個(gè)執(zhí)行部件，如電機(jī)、舵機(jī)、噴頭等。執(zhí)行模塊采用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)或一路步進(jìn)電機(jī)，最大輸出電流為2 A。

3.1.2 硬件優(yōu)化

在智能農(nóng)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，有幾個(gè)關(guān)鍵部分可以進(jìn)行優(yōu)化，以提高性能和可靠性：

1）傳感器選擇和布局優(yōu)化。選擇適合不同農(nóng)業(yè)任務(wù)的傳感器，并將其合理布局，以確保準(zhǔn)確采集環(huán)境參數(shù)和農(nóng)機(jī)狀態(tài)信息。采用高精度傳感器和防水設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同的農(nóng)田條件。

2）控制模塊性能提升。如果需要更復(fù)雜的決策和計(jì)算，可以考慮升級(jí)控制模塊的性能，例如增加內(nèi)存和處理器速度，以處理更大規(guī)模的數(shù)據(jù)和更復(fù)雜的算法。

3）增強(qiáng)通信模塊可靠性。在遠(yuǎn)程通信方面，考慮增加冗余通信方式，如備用SIM卡或其他通信協(xié)議，以確保通信的穩(wěn)定性和可用性。

4）提高執(zhí)行模塊精度。采用高精度執(zhí)行器和電機(jī)控制器，以實(shí)現(xiàn)更精確的操作，特別是在需要精確定位和噴灑的農(nóng)業(yè)任務(wù)中。

5）電源管理和節(jié)能設(shè)計(jì)。優(yōu)化電源管理系統(tǒng)，以延長(zhǎng)農(nóng)機(jī)的工作時(shí)間，減少能源消耗?？紤]使用可再生能源或高效電池系統(tǒng)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1）數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)Arduino UNO開(kāi)發(fā)板上連接的各種傳感器，如溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤水分傳感器、速度傳感器、方向傳感器、GPS模塊等，實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)和農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信協(xié)議發(fā)送給控制模塊的Raspberry Pi 4B單板計(jì)算機(jī)。同時(shí)，該模塊還可以將這些數(shù)據(jù)通過(guò)SIM800L GSM/GPRS模塊，利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2）數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)Raspberry Pi 4B單板計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件工程程序，根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)的智能控制算法。該模塊首先從遠(yuǎn)程服務(wù)器接收控制指令，如開(kāi)始、停止、暫停、恢復(fù)等，并根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。然后，該模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的智能識(shí)別和分類(lèi)，如基于支持向量機(jī)（SVM）的農(nóng)作物識(shí)別算法，可以將農(nóng)作物分為水稻、小麥、玉米等不同種類(lèi)，并根據(jù)不同種類(lèi)的農(nóng)作物，設(shè)定不同的噴灑參數(shù)，如噴灑量、噴灑時(shí)間、噴灑間隔等。最后，該模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)的智能控制和優(yōu)化，如基于比例-積分-微分（PID）的速度控制算法，根據(jù)農(nóng)機(jī)當(dāng)前的速度和目標(biāo)速度，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向；基于A*的路徑規(guī)劃算法，根據(jù)農(nóng)機(jī)當(dāng)前的位置和目標(biāo)位置，自動(dòng)規(guī)劃出最優(yōu)的行駛路徑，并避開(kāi)障礙物。

3）數(shù)據(jù)顯示模塊通過(guò)Raspberry Pi 4B單板計(jì)算機(jī)上連接的顯示屏，顯示農(nóng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)和農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)。該模塊利用圖形用戶(hù)界面（GUI）技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)潔美觀(guān)的界面，可以實(shí)時(shí)顯示以下信息：農(nóng)機(jī)當(dāng)前的速度、方向、位置、電量等；農(nóng)作物當(dāng)前生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度、光照及土壤水分等；農(nóng)機(jī)當(dāng)前執(zhí)行的控制指令和操作狀態(tài)；農(nóng)機(jī)當(dāng)前識(shí)別出的農(nóng)作物種類(lèi)和噴灑參數(shù)。

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過(guò)Raspberry Pi 4B單板計(jì)算機(jī)上連接的內(nèi)存卡，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。該模塊利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)合理的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，可以有效地存儲(chǔ)以下數(shù)據(jù)：農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)和農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；控制指令和控制算法；農(nóng)作物識(shí)別結(jié)果和噴灑參數(shù)；農(nóng)機(jī)行駛路徑和障礙物信息。這些數(shù)據(jù)可以用于歷史數(shù)據(jù)分析和故障診斷，以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。

4 結(jié)論

綜上所述，基于軟件工程的智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新，將對(duì)全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。通過(guò)不斷優(yōu)化和發(fā)展，這一系統(tǒng)將為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保障糧食安全和發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)作出重要貢獻(xiàn)。它代表了科技與農(nóng)業(yè)的有益融合，為智慧農(nóng)業(yè)帶來(lái)了更大的希望和更廣闊的前景。