光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用與展望

　　摘要：我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)種植面積和多種農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量居世界前列，但是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化程度相對較低，農(nóng)業(yè)效益提升潛力大。光電技術(shù)在提升農(nóng)業(yè)效益方面大有可為。概述了光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞：光電技術(shù)；農(nóng)業(yè)工程；光電傳感器；光源

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　　是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)種植面積和多種農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)量居世界前列。然而，相對于很多發(fā)達而言，并非農(nóng)業(yè)強國。如北歐的丹麥，單個農(nóng)民的年產(chǎn)值可以供給近２００普通人的生活和消費；荷蘭溫室產(chǎn)品單位面積的產(chǎn)量全球第一，其西紅柿單位面積產(chǎn)量是我國的５倍以上。農(nóng)業(yè)工程涉及面廣，除了傳統(tǒng)的生物技術(shù)、土壤改良技術(shù)以外，還涉及機械、電子、能源和規(guī)劃等諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。光電技術(shù)主要包括光的產(chǎn)生與控制技術(shù)、光傳輸與波導(dǎo)技術(shù)、光探測與顯示技術(shù)及光與物質(zhì)相互作用的應(yīng)用技術(shù)［１］。光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)也是２１世紀(jì)的朝陽科技產(chǎn)業(yè)，光電技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)工程、國防科技、環(huán)保建設(shè)、航空航天和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。光電技術(shù)與農(nóng)業(yè)工程結(jié)合，極大地促進了農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展。本文從３個方面闡述光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用與發(fā)展情況。

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　?。鞭r(nóng)業(yè)機械和農(nóng)用傳感器

　　光電傳感器廣泛應(yīng)用在播種、噴霧和移栽等多種農(nóng)業(yè)機械中。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件３部分組成。其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號［２］。光電傳感器一般以內(nèi)光電效應(yīng)為原理的光敏電阻、光敏晶體管等和以光生伏特效應(yīng)為原理的光電池等器件為主。

　　１.１光電傳感器在排種、播種中的應(yīng)用

　　播種是農(nóng)業(yè)增收的第１環(huán)節(jié)?？焖?、可靠及高自動化的播種裝備檢測系統(tǒng)是我國農(nóng)業(yè)檢測裝備中亟需完善的部分。目前，國內(nèi)外的種子粒距檢測均以光電傳感器檢測為主，屬于間接測量，不能直接反映播種機運行情況及播種速度［３］。精密播種機的廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)代播種技術(shù)的主要特征，是播種技術(shù)的主要發(fā)展方向。其中一類是將發(fā)紅外光二極管作為點光源放在凸透鏡焦點上，在透鏡的另一面產(chǎn)生平行光束均勻地照在硅光電池上，當(dāng)有種子下落時就會由硅光電池產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖。脈沖再經(jīng)過放大電路整形后送入單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)經(jīng)過計算模塊計算后輸出所需要的信息［４］。另一類發(fā)射元件采用激光二極管，受光元件使用光敏二極管。利用發(fā)光器件ＬＥＤ的直徑、受光器件光敏二極管受光面直徑、排種管直徑與農(nóng)作物種子直徑的差異，半導(dǎo)體光源發(fā)射的光線經(jīng)反光鏡反射覆蓋整個排種管，從而進行監(jiān)測工作［５］。上述兩種基于光電傳感器的精密播種機，可以監(jiān)測和計算農(nóng)作物播種時的重播率、漏播率與合格率等數(shù)據(jù)。趙軍等［６］設(shè)計的評估排種器下落種距的光電系統(tǒng)信號接收器如圖１所示。其采用的光電傳感器為反應(yīng)速度較快的光敏管，另一端放置ＬＥＤ光源。當(dāng)光線被阻擋即種子通過時，光電傳感器輸出一個高電平。計算機通過計算種子下落的時間間距，可以對播種種距進行評估。

　?。?２光電傳感器在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

　　我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉以大水漫灌為主，不僅導(dǎo)致水資源浪費、降低水的利用率，且容易導(dǎo)致土地退化，生產(chǎn)力下降。節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣及應(yīng)用，不僅可以減少水資源浪費，還可以提高水的利用率，有利于我國經(jīng)濟發(fā)展。以滴灌、微噴灌、涌泉灌和地下滲灌為代表的微灌技術(shù)是諸多節(jié)水技術(shù)中省水率最高的一種先進節(jié)水灌溉技術(shù)［７］。光電傳感器在微灌系統(tǒng)中的作用主要是利用光敏特性，對微灌系統(tǒng)輸水管道的水流量、灌水器液位等進行檢測。魏玲等［８］設(shè)計的灌溉管道監(jiān)測系統(tǒng)的流量檢測電路如圖２所示。其采用紅外光電二極管和高靈敏度光敏晶體管組成的光電傳感器ＳＴ１４５。遮光盤在水流推動下轉(zhuǎn)動，當(dāng)邊緣小孔經(jīng)過ＳＴ１４５的凹槽時，ＳＴ１４５輸出較大的電流，反之無電流輸出。最終信號由微處理器計算得到水流量。整個輸水管道中有多個監(jiān)測節(jié)點，當(dāng)發(fā)生泄漏，各節(jié)點水流量的代數(shù)關(guān)系會被打破，以此達到監(jiān)測目的。

　?。?３光電傳感器在移栽機械中的應(yīng)用

　　在傳統(tǒng)農(nóng)作物移栽作業(yè)中，轉(zhuǎn)移、篩選工作由人工完成，連續(xù)工作會使人疲勞，降低生產(chǎn)效率。目前已有移栽機器人有２條傳送帶，一條用于傳送插盤，另一條用于傳送盆狀容器，其他主要部件還包括插入式拔苗器、杯狀容器傳送帶、漏插分選器和插入式栽培器。該類型移栽機在開發(fā)時，采用了光電傳感器、發(fā)射機和接收機。當(dāng)杯中的植物從發(fā)射器與接收器之間經(jīng)過時，如果光線被莖或葉子擋住，就可以斷定苗在杯中，傳感器可以上下調(diào)整以改變拒絕低于標(biāo)準(zhǔn)的劣苗的閥門，通過杯傳送帶的轉(zhuǎn)動將劣苗拋在廢料箱中［３］。

　?。仓参锕S農(nóng)業(yè)工程技術(shù)依托

　?。炒喂I(yè)革命的發(fā)展，逐漸向自動化、智能化和信息化發(fā)展。第３次工業(yè)革命（信息技術(shù)）催生了光機電一體化技術(shù)，并正在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛利用，“光”不僅作為信息，而且作為“能量”輸入到農(nóng)業(yè)生物與生產(chǎn)系統(tǒng)［１３］。２０世紀(jì)５０年代以來，一種高度自動控制的植物栽培系統(tǒng)———植物工廠興起。植物工廠是一種可通過計算機對設(shè)施內(nèi)作物生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、光照和水肥等生產(chǎn)要素進行自動控制，使植物不受或很少受自然條件影響，從而實現(xiàn)作物周年生產(chǎn)的高效植物生產(chǎn)方式［１４］。荷蘭在太陽光及其與人工光并用型植物工廠技術(shù)領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位，荷蘭植物工廠最高產(chǎn)量可高達９０ｋｇ∕ｍ２［１５］。

　　植物光合作用在可見光光譜（３８０～７６０ｎｍ）范圍內(nèi)所吸收的光能，約占接收照射光能的６０％～６５％，其中主要是波長為６１０～７２０ｎｍ的紅、橙光和波長為４００～５１０ｎｍ的藍、紫光［１６］。早期在植物補光照明領(lǐng)域使用的人工光源大都存在光效低、能耗大等缺點，能耗費用約占系統(tǒng)運行成本的２０％～４０％，如高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素?zé)艉桶谉霟舻龋郏保罚?。隨著ＬＥＤ技術(shù)的發(fā)展和制造成本的下降，ＬＥＤ光源在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中已成為世界各國農(nóng)業(yè)補光照明的主流光源［１８］。

　　３害蟲防治及畜牧業(yè)

　　農(nóng)業(yè)害蟲是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素。害蟲防治、蟲情監(jiān)測也是農(nóng)業(yè)科研的一個重要方向。傳統(tǒng)害蟲捕殺主要通過化學(xué)藥劑防治，但是藥劑防治會使害蟲抗藥性越來越強，最終會導(dǎo)致正常用藥劑量無法殺滅害蟲［２４］。

　　昆蟲趨光性是昆蟲固有的行為學(xué)特性之一，影響昆蟲取食、交配和繁殖，可以利用昆蟲趨光行為進行害蟲防治［２５］。ＬＥＤ燈具有波長范圍窄、光色單一、亮度高、能耗低和壽命長的特點，是最佳的誘蟲光源。波長單一的ＬＥＤ光源不僅能夠解決傳統(tǒng)光源光譜范圍廣、害蟲針對性差等缺點，而且在同樣能耗情況下，ＬＥＤ光強較其他光源更強，燈光的覆蓋面積更大，控害范圍更廣，大大提高了靶標(biāo)害蟲的誘集率，降低了對天敵和中性昆蟲的潛在傷害［２５?２６］。在公園或動物放養(yǎng)區(qū)放置的太陽能滅蠅燈如圖８所示，一方面可以有效殺滅蠅蟲，提升相應(yīng)區(qū)域動物或人類活動的舒適度，另一方面還可

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　?。?１發(fā)展專用光電智能配件

　　光電技術(shù)作為２１世紀(jì)的高新產(chǎn)業(yè)，在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用還屬于起步階段。雖然大量研究與實踐證明，光電技術(shù)作為信息化技術(shù)的重要一環(huán)，在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用范圍廣、應(yīng)用結(jié)合度高，但由于光電器件與農(nóng)機器械的研發(fā)與生產(chǎn)尚處在探索、研究階段，光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的普及度還不夠高。如激光平地機的核心元件（激光器、接收器、水平及高度傳感器等）研制水平雖然相對完善，但供給農(nóng)業(yè)專用平地機的元件還很少，不能完全適應(yīng)農(nóng)用平地機的使用要求［１１］。雖然有助于產(chǎn)蛋和促進進食的燈光系統(tǒng)已成為養(yǎng)雞場的標(biāo)配，但這種標(biāo)配還有很大的提升空間。目前，多數(shù)肉雞養(yǎng)殖場采用高色溫?zé)艄庀到y(tǒng)定時照明，蛋雞養(yǎng)殖場采用暖色（色溫約２７００Ｋ）燈光系統(tǒng)定時照明。養(yǎng)殖場希望能采用更智能化的燈光控制器，如控制器可以在雞進食期起用紅光，進食結(jié)束紅光關(guān)閉，適當(dāng)補充綠光照明，促進鈣質(zhì)吸收。但市場上類似的專用智能控制器還并不成熟。針對不同的養(yǎng)殖禽、畜需用不同的燈光系統(tǒng)及相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)。同樣的，對于植物工廠的照明補光系統(tǒng)，不同的作物對光照的需求不同，因此對應(yīng)的燈光控制系統(tǒng)也不同。智能燈光控制系統(tǒng)需要光電技術(shù)人才與農(nóng)業(yè)技術(shù)有機結(jié)合才能研發(fā)出好的成熟產(chǎn)品。

　?。?２光電技術(shù)和人工智能有機結(jié)合

　　光電技術(shù)和人工智能有機結(jié)合是未來農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展趨勢之一。未來農(nóng)業(yè)工程要向高度自動化、智能化方向發(fā)展。我國是農(nóng)業(yè)大國，降低農(nóng)業(yè)人力、物力成本和提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量是基本需求。雖然一些大型農(nóng)場的播種、施肥甚至采摘等都實現(xiàn)了機械化和自動化，但對于一些較為分散的種植區(qū)域，機械化和自動化程度還相對較低，需要較大的人力成本。如南方的馬鈴薯種植，雖然在很多環(huán)節(jié)已基本實現(xiàn)機械化，但仍有不少過程需要人力參與，如在收獲過程中，馬鈴薯被翻至地面后，還需要人工撿拾［２９］。另外，在一些果樹的果實采摘過程中，人工采摘可能存在一定風(fēng)險，有必要研發(fā)具有識別功能的機器人，能自動識別成熟果實并完成采摘。國外已有自動采摘機器人相關(guān)研究，能自動識別成熟的西紅柿并完成采摘（圖１０）。雖然當(dāng)前采摘機器人和人工相比還不夠完善，但后續(xù)產(chǎn)品升級可能實現(xiàn)紅棗、蘋果等水果精準(zhǔn)采摘，相比人力的優(yōu)勢將逐漸顯現(xiàn)。通過機器視覺識別與自動化技術(shù)相結(jié)合做成可替代人工的機器人，是光電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展趨勢之一。

　　５結(jié)束語

　　隨著光電技術(shù)的發(fā)展和人力成本的提高，光電技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用會更加廣泛。光電技術(shù)已滲透到農(nóng)業(yè)機械及其傳感器、植物工廠和畜牧養(yǎng)殖的方方面面。農(nóng)業(yè)工程發(fā)展需要光電技術(shù)工作者與其他技術(shù)人員一起，研發(fā)更多能夠應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程的有針對性的專用智能化器件和產(chǎn)品。光電技術(shù)也要與人工智能等相結(jié)合，開發(fā)出更多能替代人力的產(chǎn)品。

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　　葉瑞濤，熊正燁，李永強，師文慶

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