王汝清　徐楠　陳誕瑋　周鐳　吳有龍　金強(qiáng)　談家斌　郭波

摘要 由于傳統(tǒng)半機(jī)械化的農(nóng)業(yè)裝備不能滿足農(nóng)業(yè)種植現(xiàn)代化和自動化的需求，因此開發(fā)出了基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計、硬件和軟件系統(tǒng)，最后分析了該系統(tǒng)的應(yīng)用及其制約因素。 該系統(tǒng)采用B/S模式，用戶通過手機(jī)等設(shè)備訪問 Web站點(diǎn)，規(guī)劃無人機(jī)的航線和農(nóng)藥等的噴灑量，從而提高農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)護(hù)的效率和農(nóng)肥及農(nóng)藥的使用效率，同時為農(nóng)作物溯源提供了系統(tǒng)支持。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)植保機(jī);4G網(wǎng)絡(luò);B/S模式;嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號 S220.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）21-0234-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.21.070

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design of New Agricultural Plant Protection Machine System Based on 4G Network

WANG Ruqing，XU Nan，CHEN Danwei et al

（School of Intelligent Science and Control Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，Jiangsu 210000）

Abstract Traditional semimechanized agricultural equipment could not meet the demands of the modernization of agricultural planting，so that we developed a new agricultural plant protection machine system based on 4G Network.We introduced the overall design，hardware and software systems.Finally，its application and restricting factors were analyzed.This system adopted B/S mode，users accessed Web sites from devices such as mobile phones，planed the flight path of unmanned aerial vehicle and the spraying amount of pesticide，so as to enhance the efficiency of plant cultivation and conservation，and the service efficiency of farm manure and pesticides，and to provide system support for crop tracing.

Key words Agricultural Plant Protection Machine;4G Network;B/S mode;Embedded system

基金項(xiàng)目 2018年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃立項(xiàng)（04001）;金陵科技學(xué)院工業(yè)智能應(yīng)用“創(chuàng)客”虛擬班（2017ck002）。

作者簡介 王汝清（1999—），女，江蘇常州人，從事物聯(lián)網(wǎng)研究。

收稿日期 2019-02-25

中國每年需要進(jìn)行大量農(nóng)業(yè)植保作業(yè)，而每年農(nóng)藥中毒致死率高達(dá)20%[1]，農(nóng)藥殘留和污染導(dǎo)致的病死人數(shù)更驚人。目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)植保以人工手動、電動噴霧機(jī)等半機(jī)械化裝備為主，占比超過90%，而航空植保比例小于2%[2]。

傳統(tǒng)的半機(jī)械化裝備存在諸多問題，例如操作人員缺乏、農(nóng)藥浪費(fèi)導(dǎo)致有效利用率低、噴灑技術(shù)落后導(dǎo)致農(nóng)藥殘留超標(biāo)、植保作業(yè)技術(shù)落后導(dǎo)致生產(chǎn)性中毒等[3]。利用農(nóng)業(yè)航空植保機(jī)械進(jìn)行噴霧施藥省時省力省藥，還可以在短時間內(nèi)對植物實(shí)施群體控制，特別是在連片規(guī)模農(nóng)場中應(yīng)用時，可以及時高效地防治蟲害。同時在使用無人機(jī)噴灑作業(yè)時，當(dāng)藥液霧滴從噴灑器噴出時被旋翼的向下氣流加速形成氣霧流，直接增加了藥液霧滴對作物的滲透，減少了農(nóng)藥的損失[4-5]。提高藥液在目標(biāo)作物上的沉積和覆蓋范圍，降低“藥”和“水”含量，提高有效利用率。由于采用遠(yuǎn)程操控，減少了人工接觸農(nóng)藥所造成的中毒[4]。

農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)是用于保護(hù)農(nóng)業(yè)和林業(yè)植物的無人駕駛飛機(jī)，通過地面遙控或GPS飛控來實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)，可以噴灑藥劑、種子、粉劑等，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備[6-7]。植保無人機(jī)最初出現(xiàn)在美國、日本等國家。1990年，日本山葉公司率先推出第一架無人機(jī)。近年來，農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)在我國迅速發(fā)展[8]，各地陸續(xù)出現(xiàn)使用無人機(jī)用于植保的案例。國家也大力支持農(nóng)業(yè)發(fā)展，“十三五”計劃提出，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，促進(jìn)新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展。地方補(bǔ)貼政策也相繼出臺，根據(jù)我國對農(nóng)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃，未來各地方乃至中央層面大概率將農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)納入農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼范圍。

在現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)植保機(jī)的基礎(chǔ)上，筆者對基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，利用4G網(wǎng)絡(luò)使原本需要現(xiàn)場操縱無人機(jī)的用戶能夠隨時隨地通過手機(jī)創(chuàng)建任務(wù)啟動無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)，大大降低了對使用者操作無人機(jī)能力的要求。闡述該系統(tǒng)的總體設(shè)計及各主要模塊實(shí)現(xiàn)功能、介紹設(shè)計中運(yùn)用的相關(guān)技術(shù)、分析該系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成，硬件部分是裝有噴頭的無人機(jī)，負(fù)責(zé)根據(jù)用戶通過網(wǎng)絡(luò)下達(dá)的任務(wù)進(jìn)行植保作業(yè);軟件部分主要為用戶對植保機(jī)實(shí)施飛控任務(wù)提供操作平臺，同時存貯了對農(nóng)作物作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)此功能，軟件部分由前端和后臺2個部分組成，前端運(yùn)用SSM架構(gòu)、jQuery、Bootstrap、Html5等技術(shù)構(gòu)建，后臺運(yùn)用MyBatis、Spring、SpringMVC等框架構(gòu)建，從前端到后臺用AJAX來連接，使用JSON 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)系統(tǒng)涉及的業(yè)務(wù)模塊主要有無人機(jī)線路規(guī)劃模塊、無人機(jī)狀態(tài)模塊、實(shí)時天氣監(jiān)測模塊、藥物管理模塊、植物生長狀態(tài)模塊、通信模塊、農(nóng)藥噴灑等相關(guān)內(nèi)容。

1.1 系統(tǒng)的工作模式

該系統(tǒng)的工作流程包括后臺用戶部分和前端無人機(jī)部分。工作流程如圖1所示：①用戶在手機(jī)等設(shè)備上利用4G網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)，當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)當(dāng)前作物有作業(yè)需求時，查看對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的飛機(jī)列表、藥品列表、區(qū)域列表等，然后在任務(wù)模塊創(chuàng)建無人機(jī)噴灑任務(wù)，任務(wù)內(nèi)容包括開始時間、飛機(jī)編號、藥水種類、噴灑區(qū)域等，從而控制無人機(jī)在規(guī)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行植保作業(yè)。②前端無人機(jī)每隔一段時間查詢?nèi)蝿?wù)模塊是否創(chuàng)建了新的任務(wù)，若檢測到有新任務(wù)，則對應(yīng)編號的無人機(jī)根據(jù)任務(wù)模塊中的開始作業(yè)時間、藥水種類、噴灑區(qū)域等數(shù)據(jù)執(zhí)行噴灑任務(wù)，全部執(zhí)行完畢后，按規(guī)定路線返航。

1.2 系統(tǒng)的特點(diǎn) 基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)系統(tǒng)具有通信速度快、通信距離長、便于人機(jī)交互和數(shù)據(jù)獲取方便等特點(diǎn)。

①運(yùn)用了4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，改造了原有的2.4 GHz通信模塊，提高了通信的速度，延長了通信的距離。用戶可以打破原來實(shí)地手動操控?zé)o人機(jī)的方式，在手機(jī)等設(shè)備上通過聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建任務(wù)，遠(yuǎn)程完成農(nóng)作物的灌溉，更加方便了用戶操作，也降低了對操作用戶的技術(shù)要求。

②運(yùn)用簡潔的B/S模式代替C/S模式，管理者和用戶可以在任何時間任何地方進(jìn)行操作和瀏覽，并且不用安裝任何專門的軟件，為管理者、用戶等多方提供便捷有效的獲取數(shù)據(jù)和人機(jī)交互的手段。B/S模式還具有維護(hù)方便、開發(fā)簡單、共享性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，方便用戶對系統(tǒng)進(jìn)行升級維護(hù)。

2 硬件系統(tǒng)

多旋翼無人機(jī)是由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使螺旋槳產(chǎn)生升力而飛起來。無人機(jī)可以被分為以下幾大系統(tǒng)：飛控系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、云臺等[9]。飛控系統(tǒng)可以看作無人機(jī)的大腦，該系統(tǒng)的功能是下達(dá)指令控制飛機(jī)的飛行狀態(tài)和飛行方向。遙控系統(tǒng)包含地面的遙控器和飛機(jī)端的接收模塊。切換飛行模式、控制云臺轉(zhuǎn)動、控制相機(jī)拍照等功能指令都會通過遙控器的發(fā)射系統(tǒng)，用無線信號傳遞給飛機(jī)，由飛機(jī)上的接收模塊接收信號[10]。動力系統(tǒng)包括無人機(jī)的電調(diào)、電機(jī)、槳葉、動力電池。一般植保機(jī)有2種方式實(shí)現(xiàn)其動力系統(tǒng)：一種是用電池，另一種是用系留。圖傳系統(tǒng)把飛機(jī)上看到的圖像及飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞褂谜呙媲暗钠聊簧希褂谜呖稍陲@示屏、APP上看到飛機(jī)實(shí)時的圖像和高度、速度信息，圖傳通常使用5.8、2.4 G 頻段。

2.1 無人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。首先，樹莓派通過網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器上，每隔一段固定時間查看數(shù)據(jù)庫的任務(wù)列表，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有任務(wù)指令時，向飛控系統(tǒng)傳遞無人機(jī)的控制信息，飛控通過向電調(diào)模塊傳PWM波，讓電調(diào)驅(qū)動電機(jī)，從而帶動無人機(jī)起飛，實(shí)現(xiàn)后續(xù)各項(xiàng)操作。

2.2 無人機(jī)噴頭的設(shè)計

該無人機(jī)噴灑系統(tǒng)的設(shè)計如圖3所示。系統(tǒng)選用的噴頭為縫隙式噴頭，噴水系統(tǒng)由噴頭、水泵、液位傳感器等組成。液位傳感器將測得的液位深度傳輸給樹莓派，樹莓派每隔一段固定時間查看數(shù)據(jù)庫中的任務(wù)列表，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有任務(wù)時，傳遞控制信息給單片機(jī)，單片機(jī)向電調(diào)傳PWM波，讓電調(diào)驅(qū)動水泵，從而控制噴頭噴出的水流或藥流的速度。

3 軟件系統(tǒng)

軟件部分主要介紹基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)組成及功能，并闡述了該系統(tǒng)所具有的技術(shù)特點(diǎn)。

3.1 信息管理系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)用戶能夠隨時隨地了解作物生長情況，該系統(tǒng)的軟件部分分為五大管理模塊：飛機(jī)管理、區(qū)域管理、藥品管理、區(qū)域點(diǎn)管理、任務(wù)管理。每個模塊完成相對獨(dú)立的功能，為了管理和使用各模塊的操作記錄，我們利用數(shù)據(jù)庫記錄各模塊相關(guān)作業(yè)信息，進(jìn)行作業(yè)管理。作業(yè)管理系統(tǒng)的表總體關(guān)系如圖4所示。

數(shù)據(jù)庫中有每個模塊的每一條記錄，對于這些記錄具有相應(yīng)權(quán)限的用戶可以進(jìn)行添加、刪除、修改、查詢操作。

（1）飛機(jī)管理。記錄飛機(jī)的編號、名稱，使每一架無人機(jī)具有唯一標(biāo)識，保證調(diào)用無人機(jī)時不會錯調(diào)、重復(fù)調(diào)。

（2）區(qū)域管理。記錄區(qū)域的編號、名稱，使每一個區(qū)域具有唯一標(biāo)識，讓無人機(jī)可以明確、精準(zhǔn)地在指定區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉農(nóng)業(yè)。

（3）藥品管理。記錄藥品的編號、名稱及用量，保證指定藥品的定量噴灑，減少浪費(fèi)，提高利用率，并且該藥品列表中記錄有每種藥品的詳細(xì)信息和對應(yīng)用量，方便用戶創(chuàng)建任務(wù)。

（4）區(qū)域點(diǎn)管理。在每塊區(qū)域上設(shè)置若干區(qū)域點(diǎn)，記錄區(qū)域點(diǎn)編號、經(jīng)度、緯度，以確定每個區(qū)域點(diǎn)的位置，從而可具體確定無人機(jī)的最短航行路線，確保飛行效率。

（5）任務(wù)管理。任務(wù)表模塊是為了讓用戶創(chuàng)建并記錄每一次植保任務(wù)的，與其他四個模塊都有關(guān)，用戶設(shè)置每一次任務(wù)的任務(wù)名稱、區(qū)域編號、飛機(jī)編號、藥品編號、開始時間等數(shù)據(jù)，向無人機(jī)下達(dá)任務(wù)指令，也方便用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，修整噴灑方案、飛行方案等。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

3.2.1 突破傳統(tǒng)C/S模式，采用B/S模式。突破傳統(tǒng)Client—Server模式，采用Browser—Server模式。打破傳統(tǒng)客戶端到服務(wù)器模式，避免多平臺多客戶端的局限，以Web瀏覽器的方式提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了無論什么平臺，只要用瀏覽器登錄訪問即可達(dá)到像客戶端一樣的操作體驗(yàn)，方便了用戶操作。

3.2.2 基于Linux嵌入式系統(tǒng)底層硬件開發(fā)系統(tǒng)的使用。

嵌入式Linux既繼承了Internet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性[11]。它的版權(quán)費(fèi)免費(fèi)而且性能優(yōu)異，軟件易于移植，代碼開放，安全性高，有大量應(yīng)用程序支持，具有良好的實(shí)時性和穩(wěn)定性。由于涉及到對無人機(jī)的通信模塊進(jìn)行改進(jìn)，因此在實(shí)際開發(fā)過程中會應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

3.2.3 4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信相關(guān)技術(shù)。

4G移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個基于全 IP的網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)，能提供端到端的IP 業(yè)務(wù)，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容，核心網(wǎng)能把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_。該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)需要上傳到云端;用戶需要通過瀏覽器上網(wǎng)，根據(jù)農(nóng)作物的實(shí)時狀況在任務(wù)模塊中創(chuàng)建植保任務(wù)，以便無人機(jī)每隔相應(yīng)的時間進(jìn)行查看。

3.2.4 數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用技術(shù)。

在使用新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)時會涉及到農(nóng)田相關(guān)參數(shù)、無人機(jī)相關(guān)參數(shù)、無人機(jī)飛行路線、農(nóng)藥噴灑量及剩余量、植保任務(wù)開始時間等數(shù)據(jù)的存儲和訪問等。開發(fā)過程中運(yùn)用UUID技術(shù)，生成32個十六進(jìn)制數(shù)，為各無人機(jī)、區(qū)域、不同藥品等生成唯一編號，無需考慮名稱重復(fù)問題，方便用戶操作和使用。

3.2.5 全球定位技術(shù)。

該系統(tǒng)運(yùn)用GPS技術(shù)對區(qū)域點(diǎn)進(jìn)行定位與尋址，用戶通過網(wǎng)頁創(chuàng)建任務(wù)，對問題作物進(jìn)行精準(zhǔn)定位，從而噴灑農(nóng)藥治療。由于涉及到農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴灑，需要記錄每個區(qū)域中區(qū)域點(diǎn)的經(jīng)度和緯度，以及制定最短航行路線，避免農(nóng)藥少噴漏噴和過度噴灑等問題，在開發(fā)過程中會用到全球定位技術(shù)。

3.2.6 JAVA EE工程的開發(fā)以及 Web 工程的發(fā)布。

在項(xiàng)目確定立項(xiàng)后，要進(jìn)行需求分析，然后進(jìn)行總體設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計，接著進(jìn)行代碼開發(fā)、測試與完善，最后在服務(wù)器上正確配置環(huán)境，安裝數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，將工程打包發(fā)送到服務(wù)器。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年

4 應(yīng)用與制約因素

農(nóng)業(yè)航空技術(shù)是國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用比重不斷增加。基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型植保無人機(jī)可廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)，可用于施肥、施藥、授粉、土地測量、航拍等，不僅具備現(xiàn)有植保機(jī)高效安全、省時省力、防治效果顯著等優(yōu)勢外，還可以讓用戶在最短時間內(nèi)得到無人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，隨時規(guī)劃無人機(jī)的飛行軌跡、藥物的噴灑量和藥物濃度，從而使用戶更加全面地控制現(xiàn)場狀況。盡管目前國內(nèi)無人機(jī)市場逐漸升溫，但是新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)在發(fā)展中仍會存在一些制約因素。

（1）國家扶持政策不完善。植保無人機(jī)的售價和后期的使用、維護(hù)，對農(nóng)民來說是一筆不小的數(shù)目，而目前只有幾個省份把植保無人機(jī)納入了購機(jī)補(bǔ)貼范圍[12]，因而農(nóng)民購機(jī)的積極性不足，影響了農(nóng)業(yè)植保機(jī)的廣泛應(yīng)用。

（2）存在一些安全隱患。由于農(nóng)用航空法規(guī)、制度不夠，以及無人機(jī)技術(shù)尚未完全成熟，民用無人機(jī)在發(fā)展過程中不可避免地會存在著一些安全問題。目前，大部分的無人機(jī)沒有配備“防撞系統(tǒng)”，當(dāng)無人機(jī)在空中飛行時，有可能與其他飛行物和地面高山、建筑發(fā)生碰撞。另外，部分無人機(jī)對配套施藥設(shè)備的性能和核心技術(shù)研究不夠深入、全面，存在設(shè)備使用效果差、飛行速度與作業(yè)需要不匹配、對靶性能不佳，以及藥液沉積難以控制等問題[13]。該系統(tǒng)通過設(shè)置區(qū)域點(diǎn)的經(jīng)度、緯度來規(guī)劃無人機(jī)的飛行航線，并且用戶可以通過對比每一次植保任務(wù)的完成效果來修整后面的任務(wù)方案，從而改善了這一類安全問題。

（3）操作難度大，學(xué)習(xí)成本高。我國農(nóng)業(yè)植保機(jī)起步晚，發(fā)展快，無人機(jī)專業(yè)操作人員缺乏，這在一定程度上阻礙了農(nóng)用無人機(jī)的市場化、規(guī)?；l(fā)展。無人機(jī)駕駛員需要經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)，學(xué)習(xí)無人機(jī)相關(guān)的理論知識，對突發(fā)情況具備處理能力[14]。而該系統(tǒng)的用戶只需在瀏覽器通過任務(wù)列表間接對無人機(jī)進(jìn)行操作，無需手動操控?zé)o人機(jī)，從而降級了對用戶的技術(shù)要求，使得該系統(tǒng)可以面向更多缺乏無人機(jī)操控技術(shù)的用戶。

5 結(jié)語

通過對新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)的功能闡述、結(jié)構(gòu)分析、軟硬件相關(guān)技術(shù)介紹，旨在設(shè)計一種更精確、更高效、更便于用戶進(jìn)行植保作業(yè)的系統(tǒng)，同時激發(fā)我國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的潛能，進(jìn)一步推動我國農(nóng)業(yè)向智能化現(xiàn)代化發(fā)展。該系統(tǒng)可以為農(nóng)作物溯源系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

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