孫會芳

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

[關鍵詞]精準農(nóng)業(yè);智能控制;精確噴灑

中圖分類號：S127 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202001

1 精準農(nóng)業(yè)介紹

1.1 精準農(nóng)業(yè)的概念

精準農(nóng)業(yè)也被稱為精細農(nóng)業(yè)，是信息技術、智能控制技術在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)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(nóng)作物的定時、定量、定位澆灌與農(nóng)藥的精確施加，從而提高農(nóng)作物的效益[1-2]。精準農(nóng)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(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益，減少農(nóng)民工作量，避免過量農(nóng)藥對環(huán)境的污染，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。

1.2 精準農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的影響

我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，幅員遼闊，資源豐富，然而我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化遠遠不及發(fā)達國家。以色列是中東一個國土面積僅2.5萬km2的小國，但其農(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，以色列其不僅滿足了農(nóng)產(chǎn)品的自給自足，同時大量對外出口，是名副其實的農(nóng)業(yè)出口大國，可以可見精準農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的作用與意義。

1.3 精準農(nóng)業(yè)的實施方法

精準農(nóng)業(yè)無論對于農(nóng)業(yè)的產(chǎn)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(nóng)作物的生長過程，以保證農(nóng)作物產(chǎn)量的最大化是精準農(nóng)業(yè)的主要思想。以藍莓的生產(chǎn)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(chǎn)方式進行灌溉，水的電導率如果超標即會導致嚴重減產(chǎn)，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(chǎn)量的最大化[3-4]。

2 智能灌溉在精準農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)采用渠罐與手工施加農(nóng)藥的方式，水資源利用率不足45%，農(nóng)藥過度浪費。該地區(qū)蘋果產(chǎn)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(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，以實現(xiàn)節(jié)水灌溉與農(nóng)藥的精確噴灑，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化程度，提高當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)化生產(chǎn)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)的構成由中央處理器、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(nóng)作物的精確灌溉。

本系統(tǒng)帶有土壤狀況與環(huán)境質(zhì)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(nóng)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(nóng)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(chǎn)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(nóng)作物的精確灌溉以及農(nóng)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(qū)動電磁閥對于果樹以及蔬菜大棚中的農(nóng)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(nóng)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(nóng)作物的農(nóng)藥的精確噴灑，從而提高農(nóng)藥噴灑效率，能夠避免多余農(nóng)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(nóng)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(diào)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(nóng)作物的噴灑過程中，場景攝像頭初步定位農(nóng)作物的坐標，并將農(nóng)作物進行的信息傳遞給中央處理器，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(nóng)作物上方，當農(nóng)作物進入機械臂攝像傳感器的視覺范圍內(nèi)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(nóng)作物的大小，計算噴灑劑量，實現(xiàn)農(nóng)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(nóng)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(nóng)業(yè)是農(nóng)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(nóng)作物的灌溉和農(nóng)藥噴灑是降低投入、避免農(nóng)藥污染、提高農(nóng)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(nóng)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(nóng)藥實驗對系統(tǒng)進行了可靠性驗證，結果表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設計的預期效果，希望本設計能夠?qū)r(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)提供幫助。

參考文獻

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