智能控制與精確識別在精準農業中的應用

孫會芳

[摘要]農業是第一產業，是國民經濟建設的基礎，在我國農業的現代化過程中，機械化與精確化是農業發展的主要方向。一方面通過機械自動化技術提高農業生產的效率;另外一方面通過智能控制技術，實現對農藥與水資源的精確噴灑與灌溉，從而實現農業的精確化，提高農業生產的經濟效益。本文通過對精準農業的介紹，設計一種智能化農藥噴灑與灌溉系統，實現對農作物定時、定量、定位的噴灑與澆灌。

[關鍵詞]精準農業;智能控制;精確噴灑

中圖分類號：S127 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202001

1 精準農業介紹

1.1 精準農業的概念

精準農業也被稱為精細農業，是信息技術、智能控制技術在農業現代化生產中的應用。通過衛星定位系統、網絡系統、精確識別系統以及自動控制系統等先進的科學技術，實現對農作物的定時、定量、定位澆灌與農藥的精確施加，從而提高農作物的效益[1-2]。精準農業以一定的經濟投入，獲得最大收益的效果，可以實現農業現代化生產，提高農業經濟效益，減少農民工作量，避免過量農藥對環境的污染，是現代化農業發展的必由之路。

1.2 精準農業對農業經濟的影響

我國是傳統的農業大國，幅員遼闊，資源豐富，然而我國的農業現代化遠遠不及發達國家。以色列是中東一個國土面積僅2.5萬km2的小國，但其農業現代化程度全世界領先。以色列地處于沙漠地區，沙漠占一半的國土，水資源稀缺，在資源極度匱乏的情況下，既不能靠天又不能靠地，只有靠精準農業，智能灌溉，珍惜每一滴水，提高水資源利用率。據統計，以色列依靠精準農業水資源利用率可以達到90%以上，相比之下我國卻只有30%～40%，通過農業現代化，以色列其不僅滿足了農產品的自給自足，同時大量對外出口，是名副其實的農業出口大國，可以可見精準農業對農業經濟的作用與意義。

1.3 精準農業的實施方法

精準農業無論對于農業的產量還是經濟效益都有重要的作用，精細化、精準化，不浪費一滴水，不多施一滴肥，精確把握農作物的生長過程，以保證農作物產量的最大化是精準農業的主要思想。以藍莓的生產為例，藍莓是營養成分十分豐富的水果，然而其對生長環境卻十分挑剔，藍莓適宜生長的土壤酸堿度為4.0～5.2，對土壤中的含鹽量十分敏感，按傳統的生產方式進行灌溉，水的電導率如果超標即會導致嚴重減產，在這樣的情況下通過傳感器，對土壤的酸堿度、灌溉水的數量以及電導率進行精確控制，即可實現藍莓產量的最大化[3-4]。

2 智能灌溉在精準農業中的應用

2.1 項目介紹

煙臺某地區約66.67hm2蘋果園以及若干蔬菜大棚，該地區原農業生產采用渠罐與手工施加農藥的方式，水資源利用率不足45%，農藥過度浪費。該地區蘋果產業的覆蓋面積為60%以上，因此擬定設計智能化灌溉與智能農藥噴灑系統，以實現節水灌溉與農藥的精確噴灑，提高農業生產的自動化程度，提高當地的農業化生產效率。

2.2 智能灌溉系統構成

如圖1所示，灌溉系統分為硬件部分與軟件部分，硬件系統的構成由中央處理器、監控器、水系統過濾器、肥料混合器、控制器以及滴灌系統構成，是信息技術、自動控制系統、傳感系統以及精確定位與精確識別系統的組合。系統軟件部分由STM32單片機作為主控制MCU加以傳感器實現對溫度、土壤水量、蒸發量的識別，并實現對果樹以及蔬菜大棚中農作物的精確灌溉。

本系統帶有土壤狀況與環境質量傳感器，可以探測土壤的含水量、環境的溫度濕度、地下水情況以及收集氣象信息，根據數據采集信息由處理器進行控制，實現對農作物的節水灌溉以及智能化控制[5]。

2.3 灌溉系統

本系統采用滴灌方式作為農作物的灌溉方式，滴灌系統管路設計如圖2所示，該項目水源主要來自周圍的水庫，通過水泵將水輸送到灌溉區域，管路同時配備水過濾系統，以提高系統的長期可靠性，避免因長期使用管路而產生水垢，導致系統的堵塞影響灌溉效果，以此提高灌溉效率。水庫位于灌溉區域的上方，可以為系統提供足夠的壓力，起到降低能耗，節能減排的目的[6]。

2.4 系統控制設計

2.4.1 硬件設計

本智能控制系統通過STM32單片機控制系統實現對果樹與農作物的精確灌溉以及農藥的精確噴灑[7-8]。單片機硬件設計框架如圖3所示。硬件控制系統STC15主控芯片用于對土壤狀況信息進行收集與處理，監控土壤的溫度與濕度、地下水情況以及氣候等環境信息，為灌溉的時間與數量提供數據上的依據。STC89C52是系統的田間控制器，用于接收來自主控芯片STC15的指令，從而驅動電磁閥對于果樹以及蔬菜大棚中的農作物進行定時定量灌溉。

2.4.2 軟件系統設計

單片機系統軟件控制的部分框架如圖4所示，系統使用C程序進行軟件開發，由田間控制器，無線接收控制，土壤墑情控制等部分構成，數據指令通過無線接收模塊進行接收，并控制電磁閥的工作狀態。

2.5 農藥精確噴灑

本系統在實現節水灌溉的同時增加了視覺識別系統，以此實現對蔬菜大棚中農作物的農藥的精確噴灑，從而提高農藥噴灑效率，能夠避免多余農藥對環境的污染，降低成本，提高蔬菜大棚的總體收益。

2.5.1 機械結構

農藥噴灑系統機械結構組成如圖5所示。

2.5.2 工作原理

液壓缸與液壓泵通過頂升機構傳動動力，頂升機構負責可移動支架的X、Y、Z三方向移動，攝像頭可以360°無死角旋轉，系統中每個機械手臂都可以根據攝像頭識別的物體位置自動調整機械臂的噴嘴位置，讓噴嘴位置能夠與被噴射物體的位置一致。在對農作物的噴灑過程中，場景攝像頭初步定位農作物的坐標，并將農作物進行的信息傳遞給中央處理器，機械臂根據處理器發出的位置信息以及指令，將每個機械手臂移動到農作物上方，當農作物進入機械臂攝像傳感器的視覺范圍內時，攝像傳感器通過自身的軟件算法進行精確的定位，并識別農作物的大小，計算噴灑劑量，實現農藥的精確噴灑。

2.5.3 系統的功能測試

為了保證灌溉系統的可靠性，該智能控制系統完成后，本研究團隊進行了相應的可靠性測試。

2.5.4 智能灌溉測試

2.5.4.1 手動控制測試

以手動控制為主，通過人工方式向電磁閥發送指令，測試次數100次，滴灌電磁閥動作次數為98次，系統控制可靠度為98%。

2.5.4.2 土壤墑情測試

對主控系統溫濕度進行測試，通過人工方式對溫濕度測試，并與液晶顯示器上讀數進行比較。測試結果為：溫度偏差±3度，濕度偏差±5%（見表1）。

2.5.4.3 農藥精確噴灑測試

噴灑實驗的設計方案如圖6所示。實驗5組作物為噴灑對象，結果表明，噴灑位置精度為±6mm，噴灑時間精度為±0.17s。

3 結 論

精準農業是農業現代化的主要發展趨勢，利用自動控制、信息技術實現對農作物的灌溉和農藥噴灑是降低投入、避免農藥污染、提高農業經濟效益的主要方式。本文設計了一套自動灌溉與農藥的自動噴灑系統，并介紹了設計的原理、組成結構與實時流程，最后通過灌溉與噴灑農藥實驗對系統進行了可靠性驗證，結果表明系統能夠實現設計的預期效果，希望本設計能夠對農業現代化生產提供幫助。

參考文獻

[1] 孫士嬌，燕明偉，張亞珠，等.物聯網農業智能控制系統概述[J].電腦迷，2017（11）.

[2] 單昕，甘守飛.無線傳感器網絡在精準農業中的能效分析[J].宿州學院學報，2018，180（2）：117-121.

[3] 阿馬力，古麗米拉·克孜爾別克，馬健云.基于STM32的滴灌系統的設計實現[J].計算機時代，2018，312（6）：61-63.

[4] 祝朝坤，張凌燕.基于STM32和Android手機的農業物聯網大棚的設計與實現[J].電子產品世界，2017，24（12）：52-55.

[5] 陸嘯天，王欽若.基于HALCON的機械手視覺定位的軟件設計[J].電子世界，2016（15）：97.

[6] 徐振軒，張紅英，朱恩弘，等.一種基于天空區域分割的單幅圖像去霧方法[J].數碼世界，2017（4）：35-36.

[8] 時恩早，張壘.無線通信技術在精準農業中的應用[J].計算機產品與流通，2019（12）：70.