(甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 武威 733006)

0 引言

田間智能除草技術(shù)的重要性在于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和品質(zhì),降低成本,減少環(huán)境污染。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)除草方法主要依靠人工除草和化學(xué)除草劑,人工除草工作量大、效率低,化學(xué)除草劑會(huì)對(duì)土壤、植物和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響[1-2]。

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,智能除草技術(shù)成為了解決這一難題的新方法,能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、精準(zhǔn)化地除草,提高除草效率和精度[3],降低人工勞動(dòng)成本和化學(xué)除草劑使用量。此外,田間智能除草技術(shù)還能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性,減少農(nóng)藥的使用量和環(huán)境污染,保護(hù)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)資源。

本文提出一種基于安卓系統(tǒng)下的田間智能除草技術(shù),該技術(shù)采用機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)算法,能夠自動(dòng)識(shí)別和定位田間雜草,并通過控制機(jī)器人手臂和噴霧器精準(zhǔn)噴灑除草劑。該技術(shù)不僅可以提高工作效率、降低人工投入成本,還能夠避免人員接觸除草劑的風(fēng)險(xiǎn),并能夠在保證除草效果的同時(shí),減少對(duì)環(huán)境的影響,為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供一種新的解決方案。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外

智能除草技術(shù)在國(guó)外的研究已經(jīng)有了一定的進(jìn)展。早在2012年,美國(guó)農(nóng)業(yè)部門便推出了名為“iStepicide”的智能除草應(yīng)用,通過將衛(wèi)星圖像和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)結(jié)合起來,能夠?yàn)檗r(nóng)民提供定制化的除草方案,降低除草劑使用量,同時(shí)提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。國(guó)外典型智能除草技術(shù)研究進(jìn)展如表1所示[4]。

表1 國(guó)外智能除草技術(shù)研究進(jìn)展

1.2 國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)智能除草技術(shù)研究也取得了一些進(jìn)展。近年來,國(guó)內(nèi)一些高校和企業(yè)開始關(guān)注農(nóng)業(yè)智能化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用,嘗試將人工智能、機(jī)器視覺等技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和品質(zhì)。

1)基于機(jī)器視覺和人工智能的智能除草機(jī)器人。華中科技大學(xué)和武漢麒麟機(jī)器人有限公司聯(lián)合研發(fā)了一款智能除草機(jī)器人,該機(jī)器人能夠通過機(jī)器視覺和人工智能技術(shù)自動(dòng)識(shí)別農(nóng)田中的雜草,并利用激光和機(jī)械臂等技術(shù)進(jìn)行除草,提高了農(nóng)民的工作效率。

2)基于GPS和GIS技術(shù)的智能除草系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研發(fā)了一款基于GPS和GIS技術(shù)的智能除草系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田雜草的自動(dòng)化識(shí)別和除去,提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,減少了除草劑的使用[5]。

3)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能除草算法。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開展了一項(xiàng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能除草算法研究,通過分析農(nóng)田中雜草的特征和生長(zhǎng)規(guī)律,開發(fā)了一套智能除草算法,能夠自動(dòng)判斷雜草的類型和生長(zhǎng)狀態(tài),為除草提供了更加精準(zhǔn)的方案[6]。

4)智能化草坪管理系統(tǒng)。北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款智能化草坪管理系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器視覺、圖像處理和無人機(jī)等技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)草坪的自動(dòng)化管理,包括灌溉、割草和除草等操作,提高了草坪管理的效率和質(zhì)量[7]。

總體來說,國(guó)內(nèi)智能除草技術(shù)研究尚處于起步階段,但已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。通過結(jié)合機(jī)器視覺、人工智能等技術(shù),能夠提高農(nóng)民的工作效率,降低成本和環(huán)境污染。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,國(guó)內(nèi)智能除草技術(shù)的前景十分廣闊。

2 智能除草系統(tǒng)的搭建

2.1 硬件平臺(tái)的選擇

本研究使用Arduino平臺(tái),適合于安卓系統(tǒng)的硬件平臺(tái)(圖1)。Arduino是一種基于開放源代碼的硬件和軟件平臺(tái),硬件由一個(gè)單片機(jī)和與其配套的外設(shè)電路板組成。Arduino平臺(tái)可以編寫C/C++語言的程序,使得開發(fā)者可以通過編程實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意和想法。Arduino平臺(tái)廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、自動(dòng)化控制、智能家居、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

圖1 智能除草系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器模塊的設(shè)計(jì)

除草機(jī)器人需要搭載傳感器模塊,如激光雷達(dá)、超聲波傳感器、紅外傳感器等,用于實(shí)時(shí)獲取周圍環(huán)境信息。

2.3 控制模塊的設(shè)計(jì)

需要設(shè)計(jì)控制模塊,將傳感器獲取的信息傳輸給主控芯片,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航和除草控制。本研究選擇樹莓派(Raspberry Pi)作為主控制器。樹莓派(Raspberry Pi)是一種基于ARM架構(gòu)的微型電腦,由英國(guó)樹莓派基金會(huì)開發(fā)制造。樹莓派最初是為教育領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的,其低廉的價(jià)格和強(qiáng)大的性能使得它逐漸成為了一種廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域的開發(fā)板[8]。

2.4 圖像處理模塊的設(shè)計(jì)

機(jī)器人需要搭載攝像頭模塊,獲取植物和雜草的圖像信息,并進(jìn)行圖像處理和識(shí)別,以實(shí)現(xiàn)智能除草。本研究選擇Basler ace工業(yè)攝像頭開展田間圖像采集。Basler ace是一款高性能工業(yè)相機(jī),支持USB 3.0和千兆以太網(wǎng)接口,具有高速傳輸和穩(wěn)定性,并且具有豐富的圖像處理功能,如自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光、HDR等。

2.5 電源模塊的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電源模塊,提供機(jī)器人所需的電力,以確保機(jī)器人正常運(yùn)行。本研究選擇24 V鋰電池作為電源模塊,可提供24 V電壓的直流電源。鋰電池由于具有高能量密度、長(zhǎng)壽命、輕量化等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、電動(dòng)車、無人機(jī)等領(lǐng)域。

2.6 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

需要設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu),將各個(gè)模塊組合在一起,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的機(jī)械化運(yùn)動(dòng)和操作。

3 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)試驗(yàn)組:基于安卓系統(tǒng)下智能除草系統(tǒng)進(jìn)行除草處理。

2)對(duì)照組:傳統(tǒng)人工除草。

3.2 試驗(yàn)方法

對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組各選擇一塊小麥田,并進(jìn)行除草處理,在除草過程中,對(duì)照組采用傳統(tǒng)人工除草方式,實(shí)驗(yàn)組采用安卓智能除草系統(tǒng)進(jìn)行除草處理。在除草完成后,對(duì)兩組小麥田的除草效果進(jìn)行視覺評(píng)估,并記錄評(píng)估結(jié)果。最后記錄除草所需時(shí)間和成本,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

3.3.1 除草效果

采用目視評(píng)估法,即在除草處理后對(duì)小麥田的雜草覆蓋率和雜草數(shù)量進(jìn)行視覺評(píng)估,評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì),通常采用0～10分制度,得分越高代表除草效果越好。

雜草覆蓋率是指地表被雜草覆蓋的面積與總面積之比,其計(jì)算公式如下

(1)

其中,被雜草覆蓋的面積指田間實(shí)際存在雜草的面積,總面積指試驗(yàn)區(qū)域總面積。

3.3.2 除草時(shí)間

在除草處理開始和結(jié)束時(shí)分別記錄時(shí)間,取兩次時(shí)間差即為除草所需時(shí)間。

3.3.3 除草成本

包括人工成本、設(shè)備成本和材料成本等,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,計(jì)算公式如式(2)所示

(2)

其中,人工成本指完成除草工作所需的人員費(fèi)用,包括工資、福利、保險(xiǎn)等;農(nóng)藥成本指除草過程中使用的農(nóng)藥費(fèi)用,包括購買費(fèi)用和施藥費(fèi)用等;機(jī)械使用成本指使用機(jī)械進(jìn)行除草所需的費(fèi)用,包括購買機(jī)械的費(fèi)用、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用、燃料費(fèi)用等;除草面積指進(jìn)行除草的土地面積。

3.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS等統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,包括均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差、t檢驗(yàn)、方差分析等。

3.5 結(jié)果與分析

3.5.1 除草效果

試驗(yàn)組和對(duì)照組除草效果如表2所示,在試驗(yàn)中,試驗(yàn)組和對(duì)照組的雜草覆蓋率、雜草數(shù)量和除草得分均有顯著差異。試驗(yàn)組的除草效果顯著優(yōu)于對(duì)照組。此外,進(jìn)行方差分析和t檢驗(yàn)的結(jié)果也表明,試驗(yàn)組和對(duì)照組之間差異顯著。因此,基于安卓系統(tǒng)下智能除草系統(tǒng)的除草效果在實(shí)驗(yàn)中得到了顯著驗(yàn)證,且表現(xiàn)出優(yōu)異的除草效果。

表2 不同處理下除草效果結(jié)果

3.5.2 除草時(shí)間

試驗(yàn)組和對(duì)照組除草時(shí)間如表3所示,在試驗(yàn)中,試驗(yàn)組和對(duì)照組的除草時(shí)間也有顯著差異。試驗(yàn)組的除草時(shí)間顯著短于對(duì)照組。進(jìn)行方差分析和t檢驗(yàn)的結(jié)果也表明,試驗(yàn)組和對(duì)照組之間差異顯著。因此,基于安卓系統(tǒng)下智能除草系統(tǒng)的除草效率在試驗(yàn)中得到了顯著驗(yàn)證,且表現(xiàn)出高效的除草效果。

表3 不同處理下除草時(shí)間結(jié)果

3.5.3 除草成本

在田間試驗(yàn)中,試驗(yàn)組的除草成本顯著低于對(duì)照組(表4)。進(jìn)行方差分析和t檢驗(yàn)的結(jié)果也表明,試驗(yàn)組和對(duì)照組之間差異顯著。因此,基于安卓系統(tǒng)下智能除草系統(tǒng)的除草成本在試驗(yàn)中得到了顯著驗(yàn)證,表現(xiàn)出了顯著的降低除草成本的效果。

表4 不同處理下除草成本結(jié)果

4 結(jié)論與展望

本研究基于安卓系統(tǒng)下智能除草技術(shù)的研究,設(shè)計(jì)并制作出了一套包含田間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能除草硬件系統(tǒng)及移動(dòng)終端控制系統(tǒng)的智能除草系統(tǒng),并在田間進(jìn)行了除草效果試驗(yàn)、除草時(shí)間試驗(yàn)和除草成本試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,基于安卓系統(tǒng)下智能除草系統(tǒng)的除草效果良好,除草時(shí)間短,且除草成本顯著降低。

本研究的試驗(yàn)結(jié)果表明,智能除草技術(shù)可以在一定程度上提高除草效率、降低除草成本,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了新的思路和手段。未來,可以進(jìn)一步深入研究并完善智能除草系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu),提高其穩(wěn)定性和可靠性,以適應(yīng)更加復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境和不同作物的需求。同時(shí),也可以在智能除草系統(tǒng)中引入更多的人工智能算法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),以提高除草系統(tǒng)的智能化水平和自適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)更加高效、精準(zhǔn)、智能的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。