張 培 唐惟楚

湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院

近年來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)飛速發(fā)展，許多科技成果已經(jīng)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，尤其是無(wú)線技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的結(jié)合，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)生了巨大的變化，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)成為時(shí)代潮流。但在基層農(nóng)村中，我國(guó)還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的普及，自動(dòng)化技術(shù)在當(dāng)前的基層農(nóng)村中并不被認(rèn)可?；诖?，研究分析自動(dòng)化技術(shù)推廣中遇到的難題，有助于我國(guó)進(jìn)一步普及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，提高基層農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚主要使用人工管理，工作效率低。為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，我們?cè)O(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)大棚自動(dòng)化管理系統(tǒng)，用較低的成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫度、濕度、光照、空氣質(zhì)量、土壤等環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，并自動(dòng)做出相應(yīng)調(diào)節(jié)控制，保證大棚內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)始終處于最優(yōu)值，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率。采用無(wú)線控制技術(shù)，解決了布線麻煩的問(wèn)題，又降低了成本，提高了產(chǎn)品的適應(yīng)性。因此，農(nóng)業(yè)大棚自動(dòng)化技術(shù)可以帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

但在另一方面，筆者在湖南、廣西等地的調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備在推廣普及中遇到了瓶頸，大量的普通農(nóng)戶并沒(méi)有接受和使用這些新技術(shù)?？梢哉J(rèn)為，自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還處于起步階段，還有許多亟需解決的技術(shù)瓶頸。

1 自動(dòng)化農(nóng)業(yè)大棚技術(shù)方案

整體設(shè)計(jì)思路

農(nóng)業(yè)溫室大棚的技術(shù)指標(biāo)主要取決于溫室內(nèi)的環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把室內(nèi)植物最適生長(zhǎng)條件作為參考值，收集各類農(nóng)作物的最適環(huán)境指標(biāo)，建立一個(gè)農(nóng)作物生長(zhǎng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)包含此類植物每個(gè)生長(zhǎng)周期的最適溫濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度等條件。該數(shù)據(jù)庫(kù)存放于中央控制器，由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)定期向中央控制器發(fā)送實(shí)時(shí)環(huán)境指標(biāo)，中央控制器將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)反饋控制。當(dāng)反饋數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的偏差超過(guò)允許范圍，則向溫室內(nèi)環(huán)境控制執(zhí)行器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，從而進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)環(huán)境的調(diào)整。

技術(shù)方案

總體劃分為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、中央控制器、無(wú)線模塊四部分（見(jiàn)圖1）。

系統(tǒng)是以 STC89C52 單片機(jī)為核心的無(wú)線溫室控制系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)由傳感器模塊、NRF 無(wú)線模塊、災(zāi)害預(yù)警模塊、人機(jī)交互模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路等組成。傳感器統(tǒng)一采用數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器，如DHT11 溫濕度傳感、BH1750 光強(qiáng)傳感器等。在傳感器測(cè)量大棚內(nèi)環(huán)境指標(biāo)時(shí)，確保每個(gè)同種類型傳感器的地址不相同，使中央控制器可以通過(guò)傳感器的類型和地址，來(lái)分辨不同位置節(jié)點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)。當(dāng)中央控制器需要讀取任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，只要確定它的類型和地址，就可以通過(guò) NRF 無(wú)線模塊與之通信，中央控制器和傳感器采取應(yīng)答的方式進(jìn)行通信。當(dāng)中央控制器需要讀取某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，便通過(guò)NRF 無(wú)線模塊發(fā)送查詢指令，節(jié)點(diǎn)接收到查詢指令后返回應(yīng)答信號(hào)，然后傳感器通過(guò)無(wú)線模塊將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳給中央控制器。中央控制器將接收到的環(huán)境信息與數(shù)據(jù)庫(kù)的參考值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算是否需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。若需要?jiǎng)幼鳎瑒t通過(guò)無(wú)線模塊向相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送動(dòng)作指令。

2 傳統(tǒng)農(nóng)戶樣本分析

根據(jù)筆者在2014年4月在湖南和廣西等地調(diào)研中，我們發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)在基層農(nóng)村中的應(yīng)用范圍較小，與發(fā)達(dá)地區(qū)形成鮮明反差。占中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)人員比重最大的傳統(tǒng)農(nóng)戶，大多數(shù)依舊在使用傳統(tǒng)人力勞動(dòng)的生產(chǎn)方式。在科技水平不斷發(fā)展的今天，許多傳統(tǒng)農(nóng)戶無(wú)法享受科技進(jìn)步帶來(lái)的便利。筆者根據(jù)從基層農(nóng)村收集的數(shù)據(jù)，對(duì)制約農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)普及和推廣的因素進(jìn)行了分析整理。

傳統(tǒng)農(nóng)戶中自動(dòng)化設(shè)備的使用情況

筆者的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)用戶沒(méi)有使用過(guò)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備（見(jiàn)表1）。從表中數(shù)據(jù)可知，在調(diào)查的1003 戶傳統(tǒng)農(nóng)戶（廣西地區(qū)501 戶，湖南地區(qū)502 戶）中，從未使用過(guò)自動(dòng)化設(shè)備達(dá)到了630 戶，占到了整個(gè)調(diào)查樣本的62.8%；而一直使用自動(dòng)化農(nóng)業(yè)設(shè)備的僅僅占到了總數(shù)的4.39%，在調(diào)查樣本總體中占極少數(shù)。湖南、廣西兩地調(diào)查結(jié)果比例十分接近，可以排除地域差異，調(diào)查結(jié)果有廣泛的代表性。由此我們可以認(rèn)為，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備在湖南、廣西等地的農(nóng)村中，普及程度較低，還有較大的發(fā)展空間，大多數(shù)人仍處于手工或半手工勞動(dòng)的狀態(tài)，生產(chǎn)效率還有很大的提升空間。

表1 2014年傳統(tǒng)農(nóng)戶農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備使用情況

圖2 因素分布柱狀圖

傳統(tǒng)農(nóng)戶中使用過(guò)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備大多屬于傳統(tǒng)的自動(dòng)播種機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)、抽水機(jī)等傳統(tǒng)的半自動(dòng)設(shè)備。對(duì)于技術(shù)更先進(jìn)的溫濕度、光照等環(huán)境綜合指標(biāo)的自動(dòng)控制設(shè)備，則幾乎沒(méi)有使用?？梢?jiàn)，先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)在基層農(nóng)村普及度不高。調(diào)查中有近半數(shù)農(nóng)戶僅使用過(guò)純機(jī)械化設(shè)備，也反映出了純機(jī)械化設(shè)備比自動(dòng)化設(shè)備更適合基層農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

影響農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備推廣的因素

從筆者的調(diào)查來(lái)看，制約農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備在農(nóng)村發(fā)展的主要因素有設(shè)備昂貴、傳統(tǒng)意識(shí)主導(dǎo)、設(shè)備操作復(fù)雜、設(shè)備工作精度不足或不可靠，維護(hù)和升級(jí)繁雜等（見(jiàn)圖2）。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)備昂貴是影響最大的因素，我們以500m2自動(dòng)化溫室大棚為例，對(duì)設(shè)備費(fèi)用進(jìn)行分析?？刂乒?jié)點(diǎn)包括單片機(jī)、無(wú)線模塊、電源，成本約15 元/個(gè)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包括單片機(jī)、無(wú)線模塊、傳感器、電源構(gòu)成，成本約30 元/個(gè)，灌溉機(jī)構(gòu)約40 元，水泵150 元，電動(dòng)卷簾80元等，費(fèi)用至少在500 元以上，對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)戶來(lái)說(shuō)，其成本難以接受。

在自動(dòng)化設(shè)備的操作和維護(hù)方面，大多數(shù)傳統(tǒng)農(nóng)戶文化水平較低，尤其對(duì)于老年農(nóng)戶，難以學(xué)習(xí)掌握，直接導(dǎo)致了農(nóng)戶在意識(shí)上不認(rèn)可自動(dòng)化設(shè)備。

3 研究總結(jié)

調(diào)查和研究表明，以自動(dòng)化農(nóng)業(yè)大棚為代表的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)能給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的市場(chǎng)前景。高效率和高精度的自動(dòng)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將是未來(lái)的主流。但是我們也應(yīng)看到，在實(shí)際的推過(guò)和應(yīng)用中，自動(dòng)化技術(shù)依舊存在成本高，操作復(fù)雜等難題，這就要求技術(shù)人員需要進(jìn)一步降低設(shè)備成本，開發(fā)操作簡(jiǎn)易、適合低文化農(nóng)業(yè)人員使用的操作平臺(tái)?？偠灾詣?dòng)化技術(shù)農(nóng)業(yè)技術(shù)前景廣闊但仍需進(jìn)一步完善。