基于4G網絡的新型農業植保機系統設計

王汝清　徐楠　陳誕瑋　周鐳　吳有龍　金強　談家斌　郭波

摘要 由于傳統半機械化的農業裝備不能滿足農業種植現代化和自動化的需求，因此開發出了基于4G網絡的新型農業植保機系統。介紹了該系統的總體設計、硬件和軟件系統，最后分析了該系統的應用及其制約因素。 該系統采用B/S模式，用戶通過手機等設備訪問 Web站點，規劃無人機的航線和農藥等的噴灑量，從而提高農業種植、養護的效率和農肥及農藥的使用效率，同時為農作物溯源提供了系統支持。

關鍵詞 農業植保機;4G網絡;B/S模式;嵌入式系統

中圖分類號 S220.2文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）21-0234-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.21.070

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of New Agricultural Plant Protection Machine System Based on 4G Network

WANG Ruqing，XU Nan，CHEN Danwei et al

（School of Intelligent Science and Control Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，Jiangsu 210000）

Abstract Traditional semimechanized agricultural equipment could not meet the demands of the modernization of agricultural planting，so that we developed a new agricultural plant protection machine system based on 4G Network.We introduced the overall design，hardware and software systems.Finally，its application and restricting factors were analyzed.This system adopted B/S mode，users accessed Web sites from devices such as mobile phones，planed the flight path of unmanned aerial vehicle and the spraying amount of pesticide，so as to enhance the efficiency of plant cultivation and conservation，and the service efficiency of farm manure and pesticides，and to provide system support for crop tracing.

Key words Agricultural Plant Protection Machine;4G Network;B/S mode;Embedded system

基金項目 2018年江蘇省大學生創新訓練計劃立項（04001）;金陵科技學院工業智能應用“創客”虛擬班（2017ck002）。

作者簡介 王汝清（1999—），女，江蘇常州人，從事物聯網研究。

收稿日期 2019-02-25

中國每年需要進行大量農業植保作業，而每年農藥中毒致死率高達20%[1]，農藥殘留和污染導致的病死人數更驚人。目前國內農業植保以人工手動、電動噴霧機等半機械化裝備為主，占比超過90%，而航空植保比例小于2%[2]。

傳統的半機械化裝備存在諸多問題，例如操作人員缺乏、農藥浪費導致有效利用率低、噴灑技術落后導致農藥殘留超標、植保作業技術落后導致生產性中毒等[3]。利用農業航空植保機械進行噴霧施藥省時省力省藥，還可以在短時間內對植物實施群體控制，特別是在連片規模農場中應用時，可以及時高效地防治蟲害。同時在使用無人機噴灑作業時，當藥液霧滴從噴灑器噴出時被旋翼的向下氣流加速形成氣霧流，直接增加了藥液霧滴對作物的滲透，減少了農藥的損失[4-5]。提高藥液在目標作物上的沉積和覆蓋范圍，降低“藥”和“水”含量，提高有效利用率。由于采用遠程操控，減少了人工接觸農藥所造成的中毒[4]。

農業植保無人機是用于保護農業和林業植物的無人駕駛飛機，通過地面遙控或GPS飛控來實現噴灑作業，可以噴灑藥劑、種子、粉劑等，是現代化農業生產的關鍵設備[6-7]。植保無人機最初出現在美國、日本等國家。1990年，日本山葉公司率先推出第一架無人機。近年來，農業植保無人機在我國迅速發展[8]，各地陸續出現使用無人機用于植保的案例。國家也大力支持農業發展，“十三五”計劃提出，大力推進農業現代化，促進新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化同步發展。地方補貼政策也相繼出臺，根據我國對農業發展的規劃，未來各地方乃至中央層面大概率將農業植保無人機納入農機補貼范圍。

在現有的農業植保機的基礎上，筆者對基于4G網絡的新型農業植保機進行系統設計，利用4G網絡使原本需要現場操縱無人機的用戶能夠隨時隨地通過手機創建任務啟動無人機進行作業，大大降低了對使用者操作無人機能力的要求。闡述該系統的總體設計及各主要模塊實現功能、介紹設計中運用的相關技術、分析該系統的應用前景。

1 系統總體設計

基于4G網絡的新型農業植保機系統由硬件和軟件兩大部分構成，硬件部分是裝有噴頭的無人機，負責根據用戶通過網絡下達的任務進行植保作業;軟件部分主要為用戶對植保機實施飛控任務提供操作平臺，同時存貯了對農作物作業的相關數據。為實現此功能，軟件部分由前端和后臺2個部分組成，前端運用SSM架構、jQuery、Bootstrap、Html5等技術構建，后臺運用MyBatis、Spring、SpringMVC等框架構建，從前端到后臺用AJAX來連接，使用JSON 進行數據傳遞。

基于4G網絡的新型農業植保機系統涉及的業務模塊主要有無人機線路規劃模塊、無人機狀態模塊、實時天氣監測模塊、藥物管理模塊、植物生長狀態模塊、通信模塊、農藥噴灑等相關內容。

1.1 系統的工作模式

該系統的工作流程包括后臺用戶部分和前端無人機部分。工作流程如圖1所示：①用戶在手機等設備上利用4G網絡上網，當用戶發現當前作物有作業需求時，查看對應數據庫中的飛機列表、藥品列表、區域列表等，然后在任務模塊創建無人機噴灑任務，任務內容包括開始時間、飛機編號、藥水種類、噴灑區域等，從而控制無人機在規定區域內進行植保作業。②前端無人機每隔一段時間查詢任務模塊是否創建了新的任務，若檢測到有新任務，則對應編號的無人機根據任務模塊中的開始作業時間、藥水種類、噴灑區域等數據執行噴灑任務，全部執行完畢后，按規定路線返航。

1.2 系統的特點 基于4G網絡的新型農業植保機系統具有通信速度快、通信距離長、便于人機交互和數據獲取方便等特點。

①運用了4G 蜂窩網絡，改造了原有的2.4 GHz通信模塊，提高了通信的速度，延長了通信的距離。用戶可以打破原來實地手動操控無人機的方式，在手機等設備上通過聯網創建任務，遠程完成農作物的灌溉，更加方便了用戶操作，也降低了對操作用戶的技術要求。

②運用簡潔的B/S模式代替C/S模式，管理者和用戶可以在任何時間任何地方進行操作和瀏覽，并且不用安裝任何專門的軟件，為管理者、用戶等多方提供便捷有效的獲取數據和人機交互的手段。B/S模式還具有維護方便、開發簡單、共享性強等優點，方便用戶對系統進行升級維護。

2 硬件系統

多旋翼無人機是由電機的旋轉，使螺旋槳產生升力而飛起來。無人機可以被分為以下幾大系統：飛控系統、遙控系統、動力系統、圖傳系統、云臺等[9]。飛控系統可以看作無人機的大腦，該系統的功能是下達指令控制飛機的飛行狀態和飛行方向。遙控系統包含地面的遙控器和飛機端的接收模塊。切換飛行模式、控制云臺轉動、控制相機拍照等功能指令都會通過遙控器的發射系統，用無線信號傳遞給飛機，由飛機上的接收模塊接收信號[10]。動力系統包括無人機的電調、電機、槳葉、動力電池。一般植保機有2種方式實現其動力系統：一種是用電池，另一種是用系留。圖傳系統把飛機上看到的圖像及飛機的飛行數據傳輸到使用者面前的屏幕上，使用者可在顯示屏、APP上看到飛機實時的圖像和高度、速度信息，圖傳通常使用5.8、2.4 G 頻段。

2.1 無人機的數據傳輸系統 該系統的數據傳輸流程如圖2所示。首先，樹莓派通過網絡連接到服務器上，每隔一段固定時間查看數據庫的任務列表，當發現有任務指令時，向飛控系統傳遞無人機的控制信息，飛控通過向電調模塊傳PWM波，讓電調驅動電機，從而帶動無人機起飛，實現后續各項操作。

2.2 無人機噴頭的設計

該無人機噴灑系統的設計如圖3所示。系統選用的噴頭為縫隙式噴頭，噴水系統由噴頭、水泵、液位傳感器等組成。液位傳感器將測得的液位深度傳輸給樹莓派，樹莓派每隔一段固定時間查看數據庫中的任務列表，當發現有任務時，傳遞控制信息給單片機，單片機向電調傳PWM波，讓電調驅動水泵，從而控制噴頭噴出的水流或藥流的速度。

3 軟件系統

軟件部分主要介紹基于4G網絡的新型農業植保機系統的信息管理系統組成及功能，并闡述了該系統所具有的技術特點。

3.1 信息管理系統

為實現用戶能夠隨時隨地了解作物生長情況，該系統的軟件部分分為五大管理模塊：飛機管理、區域管理、藥品管理、區域點管理、任務管理。每個模塊完成相對獨立的功能，為了管理和使用各模塊的操作記錄，我們利用數據庫記錄各模塊相關作業信息，進行作業管理。作業管理系統的表總體關系如圖4所示。

數據庫中有每個模塊的每一條記錄，對于這些記錄具有相應權限的用戶可以進行添加、刪除、修改、查詢操作。

（1）飛機管理。記錄飛機的編號、名稱，使每一架無人機具有唯一標識，保證調用無人機時不會錯調、重復調。

（2）區域管理。記錄區域的編號、名稱，使每一個區域具有唯一標識，讓無人機可以明確、精準地在指定區域進行作業，實現精準灌溉農業。

（3）藥品管理。記錄藥品的編號、名稱及用量，保證指定藥品的定量噴灑，減少浪費，提高利用率，并且該藥品列表中記錄有每種藥品的詳細信息和對應用量，方便用戶創建任務。

（4）區域點管理。在每塊區域上設置若干區域點，記錄區域點編號、經度、緯度，以確定每個區域點的位置，從而可具體確定無人機的最短航行路線，確保飛行效率。

（5）任務管理。任務表模塊是為了讓用戶創建并記錄每一次植保任務的，與其他四個模塊都有關，用戶設置每一次任務的任務名稱、區域編號、飛機編號、藥品編號、開始時間等數據，向無人機下達任務指令，也方便用戶對數據進行研究，修整噴灑方案、飛行方案等。

3.2 系統技術特點

3.2.1 突破傳統C/S模式，采用B/S模式。突破傳統Client—Server模式，采用Browser—Server模式。打破傳統客戶端到服務器模式，避免多平臺多客戶端的局限，以Web瀏覽器的方式提供服務，實現了無論什么平臺，只要用瀏覽器登錄訪問即可達到像客戶端一樣的操作體驗，方便了用戶操作。

3.2.2 基于Linux嵌入式系統底層硬件開發系統的使用。

嵌入式Linux既繼承了Internet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統的特性[11]。它的版權費免費而且性能優異，軟件易于移植，代碼開放，安全性高，有大量應用程序支持，具有良好的實時性和穩定性。由于涉及到對無人機的通信模塊進行改進，因此在實際開發過程中會應用到嵌入式系統的開發。

3.2.3 4G蜂窩網絡的通信相關技術。

4G移動通信系統的核心網是一個基于全 IP的網絡，可以實現不同網絡間的無縫互聯，能提供端到端的IP 業務，能同已有的核心網和PSTN兼容，核心網能把業務、控制和傳輸等分開。該系統中，數據庫中的數據需要上傳到云端;用戶需要通過瀏覽器上網，根據農作物的實時狀況在任務模塊中創建植保任務，以便無人機每隔相應的時間進行查看。

3.2.4 數據庫及其應用技術。

在使用新型農業植保機時會涉及到農田相關參數、無人機相關參數、無人機飛行路線、農藥噴灑量及剩余量、植保任務開始時間等數據的存儲和訪問等。開發過程中運用UUID技術，生成32個十六進制數，為各無人機、區域、不同藥品等生成唯一編號，無需考慮名稱重復問題，方便用戶操作和使用。

3.2.5 全球定位技術。

該系統運用GPS技術對區域點進行定位與尋址，用戶通過網頁創建任務，對問題作物進行精準定位，從而噴灑農藥治療。由于涉及到農藥的精準噴灑，需要記錄每個區域中區域點的經度和緯度，以及制定最短航行路線，避免農藥少噴漏噴和過度噴灑等問題，在開發過程中會用到全球定位技術。

3.2.6 JAVA EE工程的開發以及 Web 工程的發布。

在項目確定立項后，要進行需求分析，然后進行總體設計和詳細設計，接著進行代碼開發、測試與完善，最后在服務器上正確配置環境，安裝數據庫，并將數據導入數據庫，將工程打包發送到服務器。

安徽農業科學 2019年

4 應用與制約因素

農業航空技術是國家農業生產的重要組成部分，在農業生產中的應用比重不斷增加。基于4G網絡的新型植保無人機可廣泛應用于農林業，可用于施肥、施藥、授粉、土地測量、航拍等，不僅具備現有植保機高效安全、省時省力、防治效果顯著等優勢外，還可以讓用戶在最短時間內得到無人機的運行狀態，隨時規劃無人機的飛行軌跡、藥物的噴灑量和藥物濃度，從而使用戶更加全面地控制現場狀況。盡管目前國內無人機市場逐漸升溫，但是新型農業植保機在發展中仍會存在一些制約因素。

（1）國家扶持政策不完善。植保無人機的售價和后期的使用、維護，對農民來說是一筆不小的數目，而目前只有幾個省份把植保無人機納入了購機補貼范圍[12]，因而農民購機的積極性不足，影響了農業植保機的廣泛應用。

（2）存在一些安全隱患。由于農用航空法規、制度不夠，以及無人機技術尚未完全成熟，民用無人機在發展過程中不可避免地會存在著一些安全問題。目前，大部分的無人機沒有配備“防撞系統”，當無人機在空中飛行時，有可能與其他飛行物和地面高山、建筑發生碰撞。另外，部分無人機對配套施藥設備的性能和核心技術研究不夠深入、全面，存在設備使用效果差、飛行速度與作業需要不匹配、對靶性能不佳，以及藥液沉積難以控制等問題[13]。該系統通過設置區域點的經度、緯度來規劃無人機的飛行航線，并且用戶可以通過對比每一次植保任務的完成效果來修整后面的任務方案，從而改善了這一類安全問題。

（3）操作難度大，學習成本高。我國農業植保機起步晚，發展快，無人機專業操作人員缺乏，這在一定程度上阻礙了農用無人機的市場化、規模化發展。無人機駕駛員需要經過嚴格培訓，學習無人機相關的理論知識，對突發情況具備處理能力[14]。而該系統的用戶只需在瀏覽器通過任務列表間接對無人機進行操作，無需手動操控無人機，從而降級了對用戶的技術要求，使得該系統可以面向更多缺乏無人機操控技術的用戶。

5 結語

通過對新型農業植保機的功能闡述、結構分析、軟硬件相關技術介紹，旨在設計一種更精確、更高效、更便于用戶進行植保作業的系統，同時激發我國無人機產業的潛能，進一步推動我國農業向智能化現代化發展。該系統可以為農作物溯源系統提供數據支持。

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