農村農業自動化發展研究

2014-04-29 08:29:58劉書艷羅仁全

安徽農業科學 2014年11期

劉書艷　羅仁全

摘要

該文闡述了國際農業機械化自動化設施的發展歷程和取得的技術成果，以及在目前的技術條件下農業發展的狀況，闡述了當今國際霧霾、全球變暖等環境污染對農作物的嚴重影響，分析了當今國際農業種植的發展方向。認為室內農作物的種植，運用現代科學技術的種植方法，發展設施農業應是今后中國農業主攻方向。將工業生產線運用到農業上，實現農業的自動控制和遠程作業發展高效農業，是減輕不斷增長的人口壓力的有效手段。

關鍵詞農業機械化；自動控制；遠程作業；工業機器人；生產線

中圖分類號 S22 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）11-03440-04

Abstract The development process of international agricultural mechanization and automation facilities and technological achievements were described， as well as the situation in the current technical conditions for agricultural development. The serious impact of today's international haze， global warming and other environmental pollution on crops were elaborated. The development direction of the current international indoor farming is growing crops， the use of cultivation methods of modern science and technology and developing facility agriculture is the main direction for China. Industrial production lines applied to the agriculture， the full realization of agriculture automatic control， remote operations are the effective means for reducing the increasing population pressure.

Key words Agricultural mechanization； Automatic control； Remote job； Industrial robots； Production line

近年來全球氣溫不斷變暖，導致常出現極端惡劣的氣候的頻率升高，這不僅給人類的生存環境帶來極大的傷害，而且導致了整個農業生態系統發生了極大的波動。全球森林砍伐，導致土地退化和荒漠化，生態退化，植被帶遷移等等。天氣變暖在全世界呈不均勻性，使得十分惡劣的氣候事件（干旱、風暴、霜凍等等）的頻發、涌現，同時持續時間和分布帶也發生了轉變，導致氣象災害的頻率和強度不斷加大；溫度升高，尤其是溫暖和潮濕的氣候有利于一些細菌、害蟲和疾病的發生、發展和傳播，造成大面積災害的發生，直接影響主要農作物的產量，從而對各地物價上漲起到了推動的作用。

目前國內各地均有各種類型的室內農作物種植，最主要最常見的就是以塑料大棚的方式。由于塑料大棚支架普遍使用竹子、木材或鋼結構制作，在特定的溫度和濕度的環境中容易腐蝕，從而導致溫室的使用壽命嚴重下降，一般情況下這些支架2～3年就需要重新更新一次。另外這種竹木支架大棚的內部操作環境十分不便，因為這種支架的制作十分的隨意，在大棚內部需要增加很多支撐柱，嚴重阻礙了機械化操作，所以就需采用人工種植、培養等，從而增加了勞動強度和勞動成本。同時這種大棚采光性能較差，農作物在陽光不足的情況下難以獲得高產?？梢娫O施農業生產必須實現生產機械化和自動化，溫室農作物種植要實現智能化管理，才能獲得最大經濟效益[1]。

筆者對目前農村農業機械化自動化發展狀況進行了分析，從而提出了自己對實現農業自動化的見解。

1 農業機械化、自動化的發展歷程

1.1 農業機械化的發展歷程

農業的起源是原始的農業時代，人類已經有兩百多年的歷史，是運用石材和木材進行工作的。史學家認為，農業的發展是在距現在有一萬年左右的新石器時代開始的。農業的生產改變了人們的生活狀態，在人類的歷史上是一個極大的轉折點。它更是人類文明進步的體現，是人類歷史上的第一次，也是最偉大的革新。

每一個突破性的技術和工具的革新，將推動農業進入一個新臺階、進入一個新的歷史時代。在大約五千年前，青銅的冶煉以及青銅器的出現，其后還有鐵的冶煉和使用，使金屬農具得以大面積的應用，由此引發的種植制度的發展與變革。勞動工具、土地加工、水利澆灌、施肥和土壤的處理方式等歷史性的前進，逐漸形成的精耕細作的勞動制度，使得原始農業進一步發展成了傳統農業時代。

18世紀種子條播機、脫谷機、收割機等農業機械產品被成功研發并實現了農業作業局部機械化，從此人們開始了解、認識和使用機械產品；19世紀內燃機拖拉機的出現，使得機械動力代替了畜力牽引力，至此農業機械進入快速發展的階段。

新的農業科技推動了近代農業的快速發展，使現代農業生產方式迅速傳播到了世界各地。由于現代的科技信息技術以及先進的工業裝備，使現代農業的機械產品出現了多樣性和多元化的特點，一批產品結構優越、技術含量高、綜合性能強的新產品不斷地涌現，從而改變了人們的生產方式。農業機械更好地被人們認識并熟知，也促進了農業機械化的發展以及技術的創新[2-3]。

1.2 農業自動化發展歷程

由于歷史、技術等等各方面的原因，我國農業機械起步比較晚，技術較為落后，在機械化、自動化等方面遠遠落后于歐美等發達國家[4]。但是農業科技的進步也推動著我國機械技術的發展。

20世紀70年代中后期，我國技術人員開始對國外農業機械的自動化技術進行研究，其中谷物聯合收割機以及拖拉機是最先展開研究的。但由于當時生產能力十分落后，這些關鍵性技術并沒有實際的應用到我國農業機械化生產中去。根據當時國內生產狀況，部分技術在小型機械中得到了應用和發展[5]，從而激起了農業管理者對農業自動化更進一步的了解。在這個時期農業機械自動化得到了快速的發展。

20世紀80年代中后期，機電一體化產品首先在我國茶葉機械上研制成功。計算機控制、可編程序控制、在茶葉揉捻機及茶葉烘干機等方面得到了進一步的發展研究。

之后隨著改革進程的不斷加快，促進了農業經濟生產極大地發展。農業經營開始向集團化、規?；I化的模式快速的發展，涌現出了各類各樣的專業戶[6]。這時的農業已經變成了一個新的行業。為了提高產量，降低勞動強度，經營者開始在養殖、耕地、施肥、除草、收獲和脫粒等的各個環節使用農業機械。這一轉變極大地促進了農業的發展，促進了農用機械向更高的水平邁進[7]。

在1998年我國農業機械制造企業總共有1 641家，其中員工有1 091萬人，具有58 822億元的固定資產原始價值，凈資產38 107億元，工業總產值74 122億元。其中大中型拖拉機的產臺量約為總量的1/10，小型拖拉機約占1/4，農用運輸車輛約為3/8，聯合收割機產量最少約為1/320，泵約為1/4。這個時期農業機械在農業生產中占有了重要的地位，農民也跟隨農業機械的發展走上了致富的道路。

近年來，自動化的研究逐步被人們了解并熟知，自動控制技術在農業機械上的使用也愈來愈多，如計算機技術、微細加工技術、傳感器與檢測技術、信息處理技術等等在傳統的農業機械上得到應用。我國農業部門吸納了世界各地的農業自動化先進經驗，同時也吸取了國外一些國家的先進機械化與自動化技術。有了這些技術，我國農業自動化的裝備得到了大幅度的提升和更進一步的發展，逐步形成了一整套適合我國基本國情的具有農業特色的自動化控制技術。

1999年我國黑龍江省農墾總局引進了國外的谷物聯合收割機，而且安裝了一套精確的農業系統。它是中國第一套精確的農業體系在農機中的使用，其標志著精準農業在中國正式開始實施。

2 中國農業機械化自動化的裝備與技術

2.1 自動控制技術及應用

自動控制技術是當前發展最快、影響最大的技術之一，同時也是當今最重要的高技術之一，在農業上主要體現在精準農業的應用中。精準農業是一種最新的農業生產管理模式，它將最新的科學技術運用到傳統農業與農業機械裝備上，從而更好地展現出了精準農業的優勢。新技術包括計算機控制技術、監測技術、定位技術、地理信息技術、傳感器技術、專家和決策知識系統等等。[8]相反，傳統農業在進行生產信息采集時，就會出現信息傳輸速度慢，精度差，管理不便的缺點。將現代先進技術與傳統農業相結合，把電子技術、通訊技術以及微電子技術應用到傳統農業中，從而實現自動化監控和自動化管理。

農業機械自動化向農業智能化的方向不斷發展，重心是發展節水、節肥的農業生產模式，更進一步發展精準農業技術體制的自動控制，實行精準施肥、精準澆灌，提高水資源和化肥資源的利用率。

發展精準農業就必須重視精準農業設施的發展。精準農業設施主要是對自動控制系統智能化的研究，主要以溫室為主，目的是提高農作物的產量和農產品的品質，同樣降低生產成本[9]。發展精準農業對農業資源的高效利用和農業環境保護具有十分重要的意義，同樣更是農業持續發展的重要途徑。在農業自動化的研究領域發展十分迅速的計算機視覺技術是發展精準農業設施的核心。在一些歐美等發達國家在農業計算機視覺方面已經進行多年的研究，農業土質、種質資源的治理、農作物生長狀態信息的獲得、自動收獲農產品、農產品品質的自動判定等技術都已取得了不同程度的進展，如蘑菇采摘機器人的發展，在蘑菇采摘點上，計算機視覺和圖像處理和測量技術都得到了應用[10]。

我國對計算機視覺技術的研究也已取得了一定的進展[11]，已經在農業生產和農業現代化方面開始實施應用，但仍處于初級階段，在一些技術領域仍然落后于歐美發達國家。因此應進一步加強和加快該領域的發展和研究。

我國農業自動化已在設施農業中得到一定的發展，例如溫室的自動化控制、機械排灌自動化、農業機械裝置自動化等，特別是精準農業設施的發展越來越得到人們的重視。由于計算機技術和機電一體化技術的迅速發展，促使農業機械逐步向自動化、智能化的方向發展。隨著智能化技術的研究和發展，智能機器人將是農業工程發展的重點。農業自動化控制將會不斷涌現各種農業機器人和智能化系統，并進一步促進農業自動化控制技術向智能化技術的不斷發展。

2.2 遠程作業

由于公共網絡的普及和認知度的提高，遠程控制，遠程監控技術基于互聯網的平臺得到了快速發展，從而形成了從傳統的手工方式逐漸向現代遠程自動控制的方式過渡的農業管理模式。

農業智能化管理新模式是綜合計算機技術、傳感器技術、控制技術、通訊技術等一體的一種現代化農業管理系統，它通過運行于監控中心的智能系統，收集、分析農業設施現場有關的信息，如控制水、營養液等重要影響因子，根據農作物生長過程當中的這些關鍵性的數據，對農作物采取自動化澆灌、排水等的措施[12]，徹底實現足不出戶就能對農作物做出實質性的管理；它還可以進行本地監控管理、遠程瀏覽、專家在線視頻指導等多項服務，讓農業和農業企業的行政部門通過遠程視頻監控的對農作物或農業產品進行信息統計和動態調配[13]。

2.3 補光燈技術

植物補光燈技術是一種最新的關于促進植物光合作用的科研成果，它是按照植物孕育生長的自然規律，使用燈光取代陽光來提供植物生長發育所需光元素的一種新技術。植物生長燈用于溫室中，增補了冬季或陰雨天及日照不夠時植物生長所需的光照，幫助蔬果正常生長，可提升產量﹑提高植物抗病防病能力。

種植葉菜利用植物生長燈，可以縮短作物的孕育生長的周期，提升作物的產量，提高作物抗病能力，避免農藥的過量使用，并改善葉菜的品質，可以讓作物提前5%～15%上市，并增加40%～80%的產量。果菜利用植物生長燈，可提升植株的光合作用利用率，促進作物開花結果，并加快果菜內部干物質的積累，從而進一步改善果菜的品質，并可提前10%～15%上市，增加20%～50%的產量。瓜果設施栽培應用植物生長燈，可提早大約25 d開花、結果，減少病蟲害發生，提高坐果率，降低畸形果的比率，并增加瓜果10%～20%的產量，燈光的光線中有豐富的紫外線等瓜果必須的光元素，能夠大幅度促進果實成熟，更進一步的提瓜果的品質?；ɑ芾弥参锷L燈，可以有效調節花期，使其能夠在合適的時間開放；通過稀土光源照射更可以使植株更好地吸收土壤的養分，使其茁壯成長，從而為鮮花增艷，使花農都有更好的收成。在水稻育苗上上的專用植物生長燈，采用稀土三基色熒光粉獨特配比的方法，可有效促進水稻根系的茁壯成長，縮短育苗的時間等功效。3 農業自動化新領域的探索

農作物與生長環境等信息的收集以及農業設施的自動化、智能化管理，是設施農業有和傳統農業的主要區別之一。農業數據采集與監控系統的核心是通信設施，它將相互連接分散的子系統或具有擁有功能的設備等，最終達成分布式的系統硬件和軟件資源的綜合管理與控制[14]。根據需要，通信網絡采用不同的通訊技術。目前較為常見的有現場總線技術和以太網技術。成為施設農業領域的主要的有線通信技術。亞洲的四國電力集團開發的“Open PLANET”是一個遠程控制系統[15]。該系統主要由檢測控制部分、數據記錄部分、信息收集部分、分散控制器等組成，并可以實現室內的群管理。

此外，日本JICA中心開發的Field Server（現場服務器）系統，可以連接多種傳感器。他是基于嵌入式體系的多傳感器數據收集設備，微型攝像機的內部整合可以在同一時間采集溫度、濕度、輻射和其他環境信息及視頻信息，通過TCP/IP協議發送數據到一個中央服務器。Field Server同時集成了web服務平臺，用戶登錄后可以通過IP域服務器查看實時的環境信息和實時圖像、視頻，服務器可以使用電池供電，具有體積小，低功耗、功能強大的優勢，現場安裝方便，是目前國際上的精典技術產品之一。

英國開發的一系列的無線通訊設備，適用于分布比較廣泛的花園溫室種植系統，儲藏室的無線霜凍系統和室內入侵自動警報系統，便于攜帶的無線電視系統，遠程灑水系統和室內溫度控制調節系統等等。

希臘研發的由計算機系統、氣象站系統和營養液控制系統等部分構成溫室控制單元系統。該系統與計算機及控制軟件相連，可以進行數據采集和處理，還可以用于遠程控制。由電氣和機械設備，確保環境參數準確、有效地控制溫室單元。

美國生產的一種GHC100模型溫室控制器，運用低成本通風控制系統實現全方位的溫室控制，能夠為植物提供一個最佳的生長環境，從而為用戶提供了全方位的控制功能。該溫室控制器其在前面板的數字設置鍵，可以讓用戶進行命令的設置，以及對溫室的監控等，并允許用戶進行遠程監測，數據記錄或控制。

4 農業自動化的發展趨勢與展望

目前，隨著大氣污染、全球變暖的逐漸嚴重化，未來農作物種植、培養將會更加趨于工業模式，將工業生產線的原理應用到農作物的種植、培養上，將會是未來農業的發展趨勢。室內農作物的種植面積的不斷擴大，更加促進了室內設施的開發和研究，室內環境的精確控制也得到了不同程度的完善，各種技術正在趨于成熟。計算機網絡技術由于其信息量大、更新傳遞速度快、遍及面廣等特點將在農業領域越來越廣泛地被應用，農作物的培養日益趨于智能化的管理。未來的技術將提供全方位的控制能力，可以實現簡單的低成本設施，提供最佳的植物生長環境。遠程監測，數據記錄或控制將時刻呈現在電腦或者手機上，人們可以更加方便、更加明了地關注室內作物的實時生長動態，并隨時隨地對農作物實施各方面的管理。溫室遠程監控系統將發送一個信號到具有大量傳感器的監控管理系統，管理軟件將自動完成所有程序，并繼續讀取傳感器的數據，與標準值比較，出現任何異常，系統將會自動的、迅速的呈現在人們的PC機或手機上，便于馬上采取措施。遠程終端用戶系統將自動編程的各種功能，如加熱、灌溉、遮光、天窗或施肥等；如果要改變這些參數，就會測量一些參數，如風向、風速、空氣、溫度以及土壤濕度、光照和雨量等；然后系統將存儲這些數據，根據變化的數據繪圖，并校驗監控系統的行為。各種傳感器完成濕度和通風溫室溫度數據的采集，通過控制器來完成自動調整換氣扇、濕度控制系統和加熱系統實現定時通風、灌溉、補光等農事活動全面自動化。

在未來農業生產的過程中，可以不受外界惡劣環境的影響進行作物的種植，同時將工業生產線的模式貫穿到室內作物的種植上，最大限度地實現智能培育，將農業生產效率提高到最大化。

5 總結

當前現代科學技術發展十分的迅速，自動控制技術正愈來愈被世界大多技術人員所注意，并在農業上廣泛應用。未來的農業生產將會是高效率和高精度的機械化、自動化的農業。設施農業和精準農業管理模式必定是農業生產的發展方向，工業生產模式必將取代傳統農業的生產方式，同時也將更進一步推進農業機械自動化、智能化的深入研究。

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