智能控制與精確識別在精準農業(yè)中的應用

　　[摘要]農業(yè)是第一產業(yè)，是國民經(jīng)濟建設的基礎，在我國農業(yè)的現(xiàn)代化過程中，機械化與精確化是農業(yè)發(fā)展的主要方向。一方面通過機械自動化技術提高農業(yè)生產的效率；另外一方面通過智能控制技術，實現(xiàn)對農藥與水資源的精確噴灑與灌溉，從而實現(xiàn)農業(yè)的精確化，提高農業(yè)生產的經(jīng)濟效益。本文通過對精準農業(yè)的介紹，設計一種智能化農藥噴灑與灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)對農作物定時、定量、定位的噴灑與澆灌。

　　[關鍵詞]精準農業(yè)；智能控制；精確噴灑

　　1精準農業(yè)介紹

　　1.1精準農業(yè)的概念

　　精準農業(yè)也被稱為精細農業(yè)，是信息技術、智能控制技術在農業(yè)現(xiàn)代化生產中的應用。通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、精確識別系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)等先進的科學技術，實現(xiàn)對農作物的定時、定量、定位澆灌與農藥的精確施加，從而提高農作物的效益[1-2]。精準農業(yè)以一定的經(jīng)濟投入，獲得最大收益的效果，可以實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化生產，提高農業(yè)經(jīng)濟效益，減少農民工作量，避免過量農藥對環(huán)境的污染，是現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展的必由之路。

　　1.2精準農業(yè)對農業(yè)經(jīng)濟的影響

　　我國是傳統(tǒng)的農業(yè)大國，幅員遼闊，資源豐富，然而我國的農業(yè)現(xiàn)代化遠遠不及發(fā)達。以色列是中東一個國土面積僅2.5萬km2的小國，但其農業(yè)現(xiàn)代化程度全世界領先。以色列地處于沙漠地區(qū)，沙漠占一半的國土，水資源稀缺，在資源極度匱乏的情況下，既不能靠天又不能靠地，只有靠精準農業(yè)，智能灌溉，珍惜每一滴水，提高水資源利用率。據(jù)統(tǒng)計，以色列依靠精準農業(yè)水資源利用率可以達到90%以上，相比之下我國卻只有30%～40%，通過農業(yè)現(xiàn)代化，以色列其不僅滿足了農產品的自給自足，同時大量對外出口，是名副其實的農業(yè)出口大國，可以可見精準農業(yè)對農業(yè)經(jīng)濟的作用與意義。

　　1.3精準農業(yè)的實施方法

　　精準農業(yè)無論對于農業(yè)的產量還是經(jīng)濟效益都有重要的作用，精細化、精準化，不浪費一滴水，不多施一滴肥，精確把握農作物的生長過程，以保證農作物產量的最大化是精準農業(yè)的主要思想。以藍莓的生產為例，藍莓是營養(yǎng)成分十分豐富的水果，然而其對生長環(huán)境卻十分挑剔，藍莓適宜生長的土壤酸堿度為4.0～5.2，對土壤中的含鹽量十分敏感，按傳統(tǒng)的生產方式進行灌溉，水的電導率如果超標即會導致嚴重減產，在這樣的情況下通過傳感器，對土壤的酸堿度、灌溉水的數(shù)量以及電導率進行精確控制，即可實現(xiàn)藍莓產量的最大化[3-4]。

　　2智能灌溉在精準農業(yè)中的應用

　　2.1項目介紹

　　煙臺某地區(qū)約66.67hm2蘋果園以及若干蔬菜大棚，該地區(qū)原農業(yè)生產采用渠罐與手工施加農藥的方式，水資源利用率不足45%，農藥過度浪費。該地區(qū)蘋果產業(yè)的覆蓋面積為60%以上，因此擬定設計智能化灌溉與智能農藥噴灑系統(tǒng)，以實現(xiàn)節(jié)水灌溉與農藥的精確噴灑，提高農業(yè)生產的自動化程度，提高當?shù)氐霓r業(yè)化生產效率。

　　2.2智能灌溉系統(tǒng)構成

　　如圖1所示，灌溉系統(tǒng)分為硬件部分與軟件部分，硬件系統(tǒng)的構成由處理器、監(jiān)控器、水系統(tǒng)過濾器、肥料混合器、控制器以及滴灌系統(tǒng)構成，是信息技術、自動控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及精確定位與精確識別系統(tǒng)的組合。系統(tǒng)軟件部分由STM32單片機作為主控制MCU加以傳感器實現(xiàn)對溫度、土壤水量、蒸發(fā)量的識別，并實現(xiàn)對果樹以及蔬菜大棚中農作物的精確灌溉。本系統(tǒng)帶有土壤狀況與環(huán)境質量傳感器，可以探測土壤的含水量、環(huán)境的溫度濕度、地下水情況以及收集氣象信息，根據(jù)數(shù)據(jù)采集信息由處理器進行控制，實現(xiàn)對農作物的節(jié)水灌溉以及智能化控制[5]。

　　2.3灌溉系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)采用滴灌方式作為農作物的灌溉方式，滴灌系統(tǒng)管路設計如圖2所示，該項目水源主要來自周圍的水庫，通過水泵將水輸送到灌溉區(qū)域，管路同時配備水過濾系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的長期可靠性，避免因長期使用管路而產生水垢，導致系統(tǒng)的堵塞影響灌溉效果，以此提高灌溉效率。水庫位于灌溉區(qū)域的上方，可以為系統(tǒng)提供足夠的壓力，起到降低能耗，節(jié)能減排的目的[6]。

　　2.4系統(tǒng)控制設計

　　2.4.1硬件設計

　　本智能控制系統(tǒng)通過STM32單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)對果樹與農作物的精確灌溉以及農藥的精確噴灑[7-8]。單片機硬件設計框架如圖3所示。硬件控制系統(tǒng)STC15主控芯片用于對土壤狀況信息進行收集與處理，監(jiān)控土壤的溫度與濕度、地下水情況以及氣候等環(huán)境信息，為灌溉的時間與數(shù)量提供數(shù)據(jù)上的依據(jù)。STC89C52是系統(tǒng)的田間控制器，用于接收來自主控芯片STC15的指令，從而驅動電磁閥對于果樹以及蔬菜大棚中的農作物進行定時定量灌溉。

　　2.4.2軟件系統(tǒng)設計

　　單片機系統(tǒng)軟件控制的部分框架如圖4所示，系統(tǒng)使用C程序進行軟件開發(fā)，由田間控制器，無線接收控制，土壤墑情控制等部分構成，數(shù)據(jù)指令通過無線接收模塊進行接收，并控制電磁閥的工作狀態(tài)。

　　2.5農藥精確噴灑

　　本系統(tǒng)在實現(xiàn)節(jié)水灌溉的同時增加了視覺識別系統(tǒng)，以此實現(xiàn)對蔬菜大棚中農作物的農藥的精確噴灑，從而提高農藥噴灑效率，能夠避免多余農藥對環(huán)境的污染，降低成本，提高蔬菜大棚的總體收益。

　　2.5.1機械結構

　　農藥噴灑系統(tǒng)機械結構組成如圖5所示。

　　2.5.2工作原理

　　液壓缸與液壓泵通過頂升機構傳動動力，頂升機構負責可移動支架的X、Y、Z三方向移動，攝像頭可以360°無死角旋轉，系統(tǒng)中每個機械手臂都可以根據(jù)攝像頭識別的物體位置自動調整機械臂的噴嘴位置，讓噴嘴位置能夠與被噴射物體的位置一致。在對農作物的噴灑過程中，場景攝像頭初步定位農作物的坐標，并將農作物進行的信息傳遞給處理器，機械臂根據(jù)處理器發(fā)出的位置信息以及指令，將每個機械手臂移動到農作物上方，當農作物進入機械臂攝像傳感器的視覺范圍內時，攝像傳感器通過自身的軟件算法進行精確的定位，并識別農作物的大小，計算噴灑劑量，實現(xiàn)農藥的精確噴灑。

　　2.5.3系統(tǒng)的功能測試

　　為了保證灌溉系統(tǒng)的可靠性，該智能控制系統(tǒng)完成后，本研究團隊進行了相應的可靠性測試。

　　2.5.4智能灌溉測試

　　2.5.4.1手動控制測試

　　以手動控制為主，通過人工方式向電磁閥發(fā)送指令，測試次數(shù)100次，滴灌電磁閥動作次數(shù)為98次，系統(tǒng)控制可靠度為98%。

　　2.5.4.2土壤墑情測試

　　對主控系統(tǒng)溫濕度進行測試，通過人工方式對溫濕度測試，并與液晶顯示器上讀數(shù)進行比較。測試結果為：溫度偏差±3度，濕度偏差±5%（見表1）。

　　2.5.4.3農藥精確噴灑測試

　　噴灑實驗的設計方案如圖6所示。實驗5組作物為噴灑對象，結果表明，噴灑位置精度為±6mm，噴灑時間精度為±0.17s。

　　3結論

　　精準農業(yè)是農業(yè)現(xiàn)代化的主要發(fā)展趨勢，利用自動控制、信息技術實現(xiàn)對農作物的灌溉和農藥噴灑是降低投入、避免農藥污染、提高農業(yè)經(jīng)濟效益的主要方式。本文設計了一套自動灌溉與農藥的自動噴灑系統(tǒng)，并介紹了設計的原理、組成結構與實時流程，最后通過灌溉與噴灑農藥實驗對系統(tǒng)進行了可靠性驗證，結果表明系統(tǒng)能夠實現(xiàn)設計的預期效果，希望本設計能夠對農業(yè)現(xiàn)代化生產提供幫助。

　　參考文獻

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　　孫會芳

《智能控制與精確識別在精準農業(yè)中的應用》

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