王 蕓,王 宏,李 強(qiáng)

(新疆工程學(xué)院,烏魯木齊 830023)

0 引言

隨著全球人口的不斷增長(zhǎng)和農(nóng)村勞動(dòng)力短缺,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效、精準(zhǔn)、綠色的發(fā)展要求[1]。因此,智能化農(nóng)業(yè)作為一種新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,成為了當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)作為智慧農(nóng)業(yè)的重要組成部分,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的智能化監(jiān)控和優(yōu)化,其關(guān)鍵技術(shù)主要包括機(jī)器視覺(jué)、傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理、控制算法等[2]。

本文對(duì)智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)的組成與應(yīng)用進(jìn)行介紹,著重探討其在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用和前景。同時(shí),將分析該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展方向,為智能化農(nóng)業(yè)的推廣和發(fā)展提供參考。

1 智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)組成

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件系統(tǒng)組成主要包括機(jī)器視覺(jué)設(shè)備、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等,以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)行駛和作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制;軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、處理、控制算法等模塊,以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的智能化控制和優(yōu)化[3]。本章節(jié)主要對(duì)各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明與分析。

1.1 硬件系統(tǒng)

1.1.1 機(jī)器視覺(jué)設(shè)備

機(jī)器視覺(jué)設(shè)備是智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析,從而幫助農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)的作業(yè)[4-5]。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要包括高分辨率的攝像頭和圖像處理芯片等。攝像頭可以捕捉農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中的圖像數(shù)據(jù),而圖像處理芯片則可以對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析。在圖像處理過(guò)程中,需要進(jìn)行特征提取、目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別和路徑跟蹤等處理[6],進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制,并通過(guò)傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械與外部環(huán)境的信息交互(圖1)。在農(nóng)機(jī)收獲作業(yè)過(guò)程中,機(jī)器視覺(jué)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和識(shí)別,判斷作物生長(zhǎng)狀態(tài)和收獲時(shí)間,對(duì)收獲過(guò)程中的損耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。此外,在農(nóng)機(jī)施肥、噴藥等作業(yè)過(guò)程中,機(jī)器視覺(jué)設(shè)備可以通過(guò)對(duì)土壤、植株和農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中的圖像進(jìn)行分析和處理,分析土壤質(zhì)量、植株生長(zhǎng)狀態(tài)及植株葉片顏色等信息,從而確定植物的營(yíng)養(yǎng)需求,基于分析結(jié)果,系統(tǒng)可以智能地調(diào)整施肥裝置的操作,控制施肥劑的投放量和位置,以實(shí)現(xiàn)精確的施肥和噴藥等操作[7]。

圖1 農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2 傳感器

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)需要配備各種類型的傳感器,以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中的參數(shù)和狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。例如,氣象傳感器可以監(jiān)測(cè)空氣溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的優(yōu)化;土壤傳感器可以監(jiān)測(cè)土壤溫度、濕度、養(yǎng)分含量等參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥和灌溉過(guò)程的控制。傳感器可以與智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)相連,將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng),系統(tǒng)通過(guò)分析和處理這些數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,從而提高作業(yè)效率和準(zhǔn)確性,并根據(jù)不同作物需求進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)。

1.1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)與各種類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)和作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)。常見(jiàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電機(jī)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等,通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)效率和農(nóng)作物生產(chǎn)質(zhì)量的優(yōu)化[8]。除了上述執(zhí)行機(jī)構(gòu)外,智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)還需要配備傳感器、執(zhí)行器、控制器等各種硬件和軟件組件。這些組件通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、傳輸協(xié)議等技術(shù)手段進(jìn)行聯(lián)通,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,從而提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率和農(nóng)作物生產(chǎn)質(zhì)量。

1.2 軟件系統(tǒng)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)需要對(duì)各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理,以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的智能化控制和優(yōu)化[9]。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)挖掘分析和決策模型算法。

1)數(shù)據(jù)挖掘和分析。通過(guò)運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù),智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)可以從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)模式、趨勢(shì)和規(guī)律,并提供決策支持。例如,通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)和作物生長(zhǎng)模型,系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)作物的生長(zhǎng)情況,以及對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2)決策模型和算法?；诓杉吞幚淼臄?shù)據(jù),智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)可以建立決策模型和算法,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的智能化控制和優(yōu)化。這些模型和算法可以根據(jù)作物需求、土壤條件、氣象因素等因素,自動(dòng)調(diào)整農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù),如施肥量、灌溉量、作業(yè)速度等。

1.2.2 控制算法

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)需要配備各種類型的控制算法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的智能化控制和優(yōu)化。常見(jiàn)的控制算法包括PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。其中,PID控制是一種經(jīng)典的控制算法,通過(guò)對(duì)偏差、積分和微分等因素的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的穩(wěn)定控制和調(diào)節(jié)。模糊控制則是一種基于模糊邏輯的控制方法,可以根據(jù)作業(yè)任務(wù)和環(huán)境參數(shù)等信息,對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制則是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法,可以通過(guò)學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的自適應(yīng)控制和優(yōu)化。

在農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中,需要根據(jù)作業(yè)任務(wù)和環(huán)境參數(shù)等信息,選擇合適的控制算法進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。例如,SprayMaster200變量噴藥系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)噴藥過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)配備了高精度的流量計(jì)和液位傳感器等設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)噴藥量的準(zhǔn)確控制和調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)噴藥過(guò)程的精準(zhǔn)化管理和優(yōu)化。SprayMaster200系統(tǒng)可以根據(jù)噴藥過(guò)程中的流量、壓力、液位等參數(shù)信息,自動(dòng)調(diào)節(jié)噴藥泵的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)噴藥量的精準(zhǔn)控制。同時(shí),系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)噴霧寬度和噴霧角度等參數(shù)的調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)噴藥過(guò)程的全面控制。

2 智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 農(nóng)田作業(yè)

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。本章節(jié)以播種和收獲過(guò)程為例開(kāi)展相關(guān)分析。

2.1.1 播種過(guò)程

在播種過(guò)程中,智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)可以根據(jù)土壤濕度和溫度等參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)播種深度、作業(yè)速度、種子投放量的控制和優(yōu)化,并提供地塊識(shí)別和管理功能,以及數(shù)據(jù)記錄和分析支持(表1)。這些應(yīng)用可以根據(jù)土壤和環(huán)境條件智能調(diào)整播種操作,提高種子的生長(zhǎng)潛力和整體播種效率。

表1 智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)在播種作業(yè)中的應(yīng)用

2.1.2 收獲過(guò)程

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)在收獲作業(yè)中的應(yīng)用主要包括刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)、作業(yè)效率監(jiān)測(cè)、速度和刀具轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、異常檢測(cè)和報(bào)警,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)收割機(jī)的狀態(tài)和參數(shù)(表2),提高收割效率、農(nóng)作物生產(chǎn)質(zhì)量。

表2 智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)在收獲作業(yè)中的應(yīng)用

2.2 灌溉施肥

2.2.1 智能灌溉

通過(guò)智能灌溉系統(tǒng),可以根據(jù)作物的水分需求、土壤濕度、氣象條件等因素,實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉過(guò)程的精確控制和自動(dòng)調(diào)節(jié),以提高水資源利用效率、節(jié)約成本,并最大程度地滿足農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求。應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面。

1)精確灌溉。智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度和氣象參數(shù)等信息,能夠精確控制灌溉水量和時(shí)間。根據(jù)作物水分需求和土壤濕度變化,系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉設(shè)備,確保作物得到適量的水分供給,避免灌溉過(guò)度或不足。

2)提高水資源利用。系統(tǒng)通過(guò)精確的灌溉量調(diào)節(jié)和灌溉時(shí)間控制,最大限度地減少水的消耗,提高水資源的利用效率。

3)自動(dòng)化操作。智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉設(shè)備的工作,無(wú)需人工干預(yù)。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的灌溉計(jì)劃和決策結(jié)果,自動(dòng)控制灌溉設(shè)備的開(kāi)關(guān)、閥門或泵的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)灌溉過(guò)程的自動(dòng)化操作。

4)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析,系統(tǒng)可以對(duì)灌溉效果進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化,及時(shí)調(diào)整灌溉策略,確保作物的健康生長(zhǎng)。

2.2.2 變量施肥

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)分含量和氣象參數(shù)等信息,系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)肥料的噴灑量和時(shí)間,以滿足作物養(yǎng)分需求和環(huán)境條件的變化。主要工作原理與流程如下。

1)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)分含量和氣象參數(shù)等信息。土壤養(yǎng)分傳感器測(cè)量土壤中的氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量,而氣象傳感器測(cè)量空氣溫度、濕度、降雨量、風(fēng)速等氣象參數(shù)。

2)數(shù)據(jù)分析。采集數(shù)據(jù)通過(guò)算法和模型進(jìn)行分析,系統(tǒng)根據(jù)作物的生長(zhǎng)階段和養(yǎng)分需求,以及環(huán)境條件的變化,對(duì)土壤養(yǎng)分含量和氣象參數(shù)進(jìn)行評(píng)估和分析。

3)決策制定?；跀?shù)據(jù)分析結(jié)果,系統(tǒng)根據(jù)作物的養(yǎng)分需求、土壤養(yǎng)分水平和環(huán)境條件等因素,計(jì)算出最佳肥料噴灑量和時(shí)間。

4)控制執(zhí)行。通過(guò)控制器控制智能農(nóng)機(jī)中的肥料噴灑裝置,過(guò)調(diào)節(jié)噴灑裝置的開(kāi)關(guān)、閥門或泵的工作狀態(tài),自動(dòng)調(diào)節(jié)肥料噴灑量和時(shí)間,實(shí)現(xiàn)精確的肥料噴灑控制。

5)監(jiān)測(cè)和反饋。系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)情況、土壤養(yǎng)分變化和環(huán)境條件等。通過(guò)傳感器的反饋和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的比對(duì),系統(tǒng)可以驗(yàn)證肥料噴灑效果和作物的響應(yīng)情況。

3 智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

隨著智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和能力也將不斷擴(kuò)展和增強(qiáng)。未來(lái)智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)將在以下方面展現(xiàn)更多的潛力和優(yōu)勢(shì)。

3.1 多機(jī)協(xié)同

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)的多機(jī)協(xié)同發(fā)展利用通信和協(xié)作實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)之間的數(shù)據(jù)共享和指令傳遞,實(shí)現(xiàn)任務(wù)協(xié)同與分工,提高農(nóng)田作業(yè)效率和資源利用。通過(guò)空間協(xié)同和路徑規(guī)劃,避免沖突和浪費(fèi),實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)之間的協(xié)調(diào)行動(dòng)。多機(jī)協(xié)同發(fā)展能夠提升農(nóng)田管理效果、優(yōu)化資源利用,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)更高效益和可持續(xù)發(fā)展。

3.2 多元信息融合

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)的多元信息融合發(fā)展利用多種傳感器數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)、歷史記錄和決策支持系統(tǒng)的融合,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田管理的全面、準(zhǔn)確支持。通過(guò)整合不同來(lái)源的信息,系統(tǒng)能夠提供更精確的農(nóng)田狀況和作物需求的數(shù)據(jù),幫助農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專業(yè)人員做出科學(xué)決策,提高農(nóng)田管理效率和資源利用效果,促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

3.3 生態(tài)友好

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)可以通過(guò)優(yōu)化作業(yè)路徑和調(diào)整作業(yè)參數(shù),實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的節(jié)能減排,同時(shí)精準(zhǔn)施用肥料和農(nóng)藥,減少過(guò)量使用對(duì)土壤和水源的污染風(fēng)險(xiǎn)。此外,智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)還識(shí)別和保護(hù)農(nóng)田中的生態(tài)要素,促進(jìn)資源循環(huán)利用,鼓勵(lì)有機(jī)廢棄物和農(nóng)作物殘?jiān)脑倮?并通過(guò)精細(xì)管理和保護(hù)土壤,維護(hù)其生態(tài)功能和肥力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵技術(shù)為主要研究?jī)?nèi)容，系統(tǒng)闡述了智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步說(shuō)明了智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)在作物播種、收獲及智能灌溉、施肥作業(yè)中的應(yīng)用，并總結(jié)了未來(lái)智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)該逐步實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)，其次通過(guò)將農(nóng)田的地理位置、土壤質(zhì)地、坡度、降雨分布等信息與農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以更好地了解農(nóng)田的特征和變化，從而進(jìn)行更精確的決策和管理，此外，應(yīng)該通過(guò)采用環(huán)保技術(shù)和策略，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。