基于物聯網的農田噴灑自動控制系統研究

張晴晴 齊國紅 徐庚

摘? 要：隨著物聯網信息技術的發展，物聯網技術成為現代化農業生產的主要驅動力，農田農藥噴灑又是提高作物產量的重要方式。為提高工作效率，本文提出了以物聯網的基本原理和體系結構為基礎的采用節能型思維方式解決當前大面積噴灑農藥的自動控制體系，重點研究物聯網架構和自動控制系統的實現過程，取得了很好的效果。

關鍵詞：物聯網;農田噴灑;自動控制

中圖分類號：S275? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.11974/nyyjs.20180932005

1? ? ?研究背景和意義

物聯網（Internet of things）這一概念早在20世紀初就被提出，它是借助計算機互聯網技術，參照互聯網、RFID技術和EPC標準，并利用射頻識別技術和無線數據通信技術構造出實現全球物品信息實時共享的實物物聯網[1，2]。作為信息產業發展的第3次浪潮，物聯網在我國也受到了極為廣泛的關注。物聯網技術在農業中的應用也很廣泛，已成為加快農業現代化的重要途徑。基于物聯網的農田噴灑農業技術可以代替人來進行農藥噴灑，從而節省人力物力，大大提高效率，增加農田產量[3，4]。

當前，大部分農田噴灑農藥采用無人機大面積的遍噴作業，這樣做既浪費農藥又浪費飛機燃油[5]。如果能準確找到病蟲害的發生部位，將信息傳遞給無人機，無人機接到信號后直接飛到病蟲害的中心定點噴灑，這樣可以及時消滅病蟲并將農藥噴灑區間控制在最小范圍以內，防止未發生病蟲害區域沾上不該有的農藥，同時避免大面積作業帶來的不必要的農藥和飛機燃油的浪費[6，7]。

2? ? ?系統的總體方案

本文以物聯網技術為基礎，提出了無人機噴灑農田的自動控制系統。整體方案以物聯網架構為基礎，先通過檢測系統檢測到病蟲害信號，再將信號通過網絡傳遞給控制中心和執行任務的無人飛機，無人機按信號巡航有目的地完成預先設好的農藥量的噴灑，構成一個完整的自動控制系統[9]。整個系統如圖1所示。

2.1? ? ?具體實現過程

要到病蟲害的可能發生地布放傳感器，傳感器主要是檢測地質的酸堿度的pH值。有病害和蟲害發生的地方會表現出土質的酸堿度的不同。土壤的pH值過低，會使土壤陽離子交換量變低，容易造成作物缺鈣缺鎂，增加生理性病害的發生幾率，此外，也會使土壤滋生真菌、細菌和病菌，易造成根腫病、黃萎病和青枯病等病害的發生。傳感器和微波發生器做成一體，按照網格狀分布在根據經驗容易發生病害和蟲害的地方。

當有病害和蟲害發生時，傳感器會檢測到超出正常范圍的pH值，就會有信號產生，此信號經過處理放大并驅動一體盒子中的信號發生器工作，發出了微波信號（或無線信號），這個信號包含了發出地的標號（坐標），病害和蟲害的種類，以及嚴重的程度等級（N級），圖2顯示了傳感器信號到發生器信號的過程。

無人機管理站接收到這個信號，經過判斷接收到的相關信息，指揮帶有相針對相應病害和蟲害農藥的無人機抵達目的地開始噴灑農藥，噴灑的范圍是以此監測點為中心，以相鄰2個監測點為半徑，噴灑完畢返回站內。無人機的飛行軌跡可以預先設定，也可參考遙控，其所裝載的農藥量和噴灑量是預先經過計算好的，圖3顯示了無人機噴灑農藥的過程。

2.2? ? ?控制算法的選取

從接到信號到確定噴灑方案的控制算法，采用模糊算法，其實現過程：設定模糊狀態及其描述詞匯，模糊控制器包括4部分。

2.2.1? ? ?模糊化

將輸入值以適當的比例轉換到論域的數值，利用口語化變量來描述測量物理量的過程，根據適合的語言值（linguistic value）求該值相對的隸屬度，此口語化變量稱為模糊子集合（fuzzy subsets）。具體來講就是將從農田里獲得的pH值分成若干個等級，其中，精確一點的分為5個等級，粗略一點的分為3個等級，因此其模糊子集合可以有5個或3個來表示病蟲害的程度和危害度。如：U={甲，乙，丙，丁，戊}或U={A，B，C}。

2.2.2? ? ?規則庫

根據人類專家的經驗建立模糊規則庫。模糊規則庫包含眾多控制規則，是從實際控制經驗過渡到模糊控制器的關鍵步驟。這里要用到病蟲害專家得出的經驗庫，pH值在什么范圍應該是什么樣的危害，會帶來什么樣的后果。

2.2.3? ? ?模糊推理

主要實現基于知識的推理決策。基于前面所測得的pH值，根據專家的經驗應該采取什么樣的措施，采用何種藥物以及劑量選擇。

2.2.4? ? ?解模糊化（defuzzify）

將推論所得到的模糊值轉換為明確的控制訊號，主要作用是將推理得到的控制量轉化為控制輸出。按照專家的推斷和建議，將應該加的農藥種類和濃度以及用量添加到將要執行任務的無人機上。根據指令飛往目的地進行噴灑操作。根據專家庫的推論，當其pH值很大的時候，意味著病蟲害很嚴峻，噴藥量要很大，具體的數字要有專家庫給出，然后依次隨著pH值得減小，減小噴藥量。其軟件流程圖如4所示。

3? ? ?總結和展望

本文研究了基于物聯網技術實現無人機對農田的定點農藥噴灑，實現過程中仍存一些問題有待優化。目前待優化主要表現在2個方面：專家庫的優化問題，需提供多樣化種類。這樣可以在病蟲害的種類和用藥量方面做得更為多樣和精準;機器人的定點噴灑技術需要進一步提高，無人飛機的準確定位借助輔助的遙控以確保定位的準確性，但要更準確定位則需要GPS通訊系統的介入，這2方面將是近階段研究的重點。

參考文獻

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