智能化技術在農業機械工程自動化中的應用

張學勇

（德州市農業機械服務中心，山東 德州 253000）

機械工程的自動化設計是一個多方面設計問題，在運行中，以控制系統、計算機技術、系統工程為核心，實現了對機械工程的全面控制。因此，在機械工程的自動化運作中，必須有一套強有力的理論與實踐系統來支持，以充分發揮其優越性，提高設備的質量與效益，節約人力物力[1]。因此，在信息化大環境下，機械工程在進行大規模變革時，一定要把自動化技術作為重點，從機器設備到人員，要努力實現自動化，以達到更好的經濟效益。但是，我國機械自動化體系還存在許多不足之處，因此，為了使我國機械事業能夠更長遠地發展，為了適應我國機械行業發展需求，必須根據我國實際情況構建機械工程自動化管理體系。當前，我國工業、農業等領域已逐漸實現了機械化，改變了傳統的作業模式[2]。農業是國家發展的基礎，傳統的農業生產主要依靠人力，而且勞動強度大，效率低下。科學技術的快速發展促進了農業機械的自動化，農業機械化極大地提高了生產效率，降低了勞動強度，推動了農業的轉型升級。基于此，筆者就智能化技術在農業機械工程自動化中的應用展開研究。

1 農業機械工程智能化技術應用

我國的農業機械化發展已普遍采用了自動化技術，使其工作狀態更為平穩，工作時無需手動，延長了機器的使用壽命，降低了農民勞動強度，提高了農業生產效率和經濟效益[3]。

1.1 施肥、灌溉自動化

近年來，隨著我國農業機械裝備的廣泛使用，智能化技術逐漸向農業領域滲透。智能農業就是農業先進設施與露地相配套、具有高度的技術規范和高效益的集約化規模經營的生產方式[4]。隨著自動化和智能化技術的應用，農業灌溉、施肥的自動化和智能化程度越來越高，智能化技術既能有效地實現節水灌溉，又能有效地防止水資源浪費，提高了灌溉效益。灌溉、施肥是農業生產的關鍵，對農作物的生長有直接的影響。將自動化、智能化技術應用到農業灌溉、施肥中，可以使灌溉用水得到合理利用，又可以運用智能化技術實現灌溉與施肥的有機統一，為了達到上述目的，廣大科研人員采用了基于PLC控制技術，該技術選用nTouch觸摸屏為人機界面進行灌溉、施肥的自動化。通過nTouch觸摸屏的自動化檢測技術，充分利用Windows的圖形編輯功能構成灌溉、施肥監控畫面，以動畫方式直觀顯示灌溉、施肥全過程。

1.2 光照調節自動化

在農業生產中，不同的作物對光照的要求是不同的，所以，必須針對不同作物的生長環境進行管理。比如，由于某些植物對生長周期和環境的需求不同，在溫室內栽培時要根據生長需求調節光照，以保證適宜生長。若按常規的溫室栽培技術調整栽培環境，不僅操作困難，而且需要大量的人力物力[5]。因此，就可以利用光敏元件來感應光線的信息，光敏元件是一種隨外界光輻射變化而發生改變的敏感元件，其工作原理是光電二極管，利用半導體的光敏特性制造光接受器件。當光強度增加時，半導體PN結構兩側區域因本征激發產生了少數載流。如果二極管反偏，那么反向電流也隨之增大。為此，隨著光電二極管反向電流增加，光照強度也隨之增加。如果入射光線十分微弱，那么普通光電管產生的光電流也十分小，容易出現漏測問題。針對該情況，使用光電倍增管對電流進行放大處理，獲取強大光電流。在農業生產過程中，需要在作物生長的各個時期設置不同的光敏元件，利用光敏元件來調整光線的變化，自動調整光線的環境。通過在大棚內設置光敏元件，可使大棚根據檢測到的實時光照強度進行自動光照調節。

1.3 機械除草自動化

自動化機械除草機包括主控制單元、驅動單元和測試單元，其中控制單元負責實現對機器的控制。它的作用是實現機床與工作地點之間的自動控制與協同操作。該系統主要由電機控制裝置、電機電流控制裝置、刮刀控制裝置構成，其主要作用是完成自動旋轉作業點，設置作業參數等。通常在控制裝置的電機控制裝置中增加一個電-液結合裝置，通過電-液接觸器來進行電源開關控制。此外，該系統還包括電機速度傳感器、驅動器速度傳感器、磁力傳感器、位置傳感器等，它的主要功能是把所測到的數據輸入控制裝置中，然后對每個輸入數據進行相應的編碼[6]。控制信號由變頻器輸入到繼電器組件中，它的主要作用是對除草機馬達的旋轉進行控制。傳動裝置是機械與刀片之間的一個重要環節，它是保證機器正常運轉、提高生產效率的關鍵。傳動裝置的質量對機械的工作效率有很大的影響，針對農業生產中的作物種類，結合農機除草技術，研制了一種特殊的機械除草設備，其中機械除草有手工機械除草和自動機械除草兩種。自動機械除草是由計算機控制自動轉動的機械除草機轉動，帶動機械葉片工作，利用機械葉片的力量碾碎或粉碎雜草，用鏟子刮除雜草。同時，自動旋轉式除草器可在很短的時間內將雜草從堆場中清除。

2 基于農業機械工程自動化數據智能處理的分揀自動化

高速智能分揀遠程控制系統是一種分布式的監控網絡，它主要包括兩個模塊：遠程數據中心分析模塊和本地控制模塊；按照功能邏輯可分為遠程數據處理、本地分揀系統兩個模塊。

2.1 遠程數據處理

在農業機械工程自動化應用過程中，由于機械設備使用過程中會產生大量數據，因此必須采用智能化算法來對其進行分析、處理，并利用數據挖掘方法發現數據之間的關聯性，從而構建出一個經驗數據庫。當經驗數據庫規模足夠大時，可將該經驗數據直接應用于同類新產品的自動化生產，因此，需要遠程數據處理[7]。

基于大數據挖掘的農業機械工程自動化數據智能處理步驟，在對農業機械產品生產過程數據進行分析時，利用智能挖掘算法，可以合理地確定權重和可信度。對于故障問題結合聚類中心進行故障類型判斷，首先選擇a個生產數據，根據特定的規則，對需要進行分類的數據進行聚類。

利用大數據挖掘算法和聚類分析方法，能夠快速地判斷出分揀自動化系統的工作狀態，從而判斷出分揀自動化系統部件的失效類型。大數據存儲技術能夠將不同傳感器收集到的數據進行存儲，并通過聚類算法進行數據挖掘。若在自動化分揀工藝中判斷出存在失效狀況，則該智能決策系統能夠調節分揀自動化系統的工作狀態；在自動化分揀過程中，若有必要進行全過程的調整，則可以在適當的時間內暫時停機，以確保自動化分揀的質量[8]。

2.2 本地分揀系統

遠程數據處理主要是將檢測到的農作物品質參數進行實時存儲，并通過運行服務器實現對分類數據的快速處理，在此基礎上實現對模型動態建模，并對用戶的控制行為進行實時監測。將互聯網與PLC分揀系統、農作物參數檢測單元（例如糖含量檢測單元、品質檢測單元）相結合，對農作物參數和遠程分級模式進行對比，根據預先設定的等級分類，將分類結果傳送至本地分揀系統[9]。

在本地分揀系統中，通過對參數的遠程分析[10]，由伺服控制系統來驅動分揀機構進行分類。將被分揀的作物樣本經傳送設備依次傳送至糖含量、品質等檢測單元，并將樣本的數據經網絡傳送至遠程監控中心進行比對、分類；同時，通過實時調節傳送速率和控制邏輯，使要分種的作物及時準確地分布到各個生產環節。可根據產地、成本、農作物品種，選用適當的運輸方式。比如，可以將農作物糖含量和品質歸類。因為大多數作物的紅外線探測都比較薄，所以可以根據現場情況，采用橫向循環或單向帶狀逆向輸送，從而達到更好的控制效果。基于這一思想，可以將農作物的自動進給和包裝機構延伸到多個階段。

3 實驗

3.1 實驗概況

針對我國的節水灌溉工程，目前主要以噴灌、滴灌為主，而在稻田灌溉中，則多使用改進型的電磁閥或蝶閥控制的開溝式灌溉。在農業中節水灌溉技術是一項關鍵技術，節水灌溉是以作物的生長需要為基礎，對灌溉用水進行調控。

利用液位傳感器對田間水位進行監測，并依據水稻生長周期的需要，實現對水稻的智能化灌溉作業。液位傳感器是一套由多個傳感器構成的系統，通過分析所收集到的數據，并將其實時反饋至數據處理中心，從而達到對水稻水層的監測與控制。

3.2 灌溉面積實驗分析

以灌溉面積為實驗對象，采用人工灌溉和智能化技術對比分析灌溉面積，在長為80 m，寬為45 m的水稻田內，采用人工灌溉方法的灌溉面積不規整，且灌溉不全面，出現了灌溉不均勻等問題；采用智能化技術對灌溉面積規整后，灌溉面積可達到98%。

3.3 灌溉水位實驗分析

假設水稻田內都被水灌溉，以灌溉水位為實驗對象，采用人工灌溉和智能化技術對比分析灌溉水位。使用人工灌溉技術時的水位與理想數值只有在灌溉面積為2 250 m2時一致，其余均不一致；使用智能化技術在所有灌溉面積下水位與理想數值均一致，由此可知，使用智能化技術具有精準灌溉效果。

4 結語

綜上所述，經濟的發展推動了智能技術的進步，人們對農業生產的要求越來越高，推動了農業機械自動化水平的不斷提升。實踐證明，通過提升機械自動化水平，能夠改善農業的生產條件，促進農業的可持續發展。智能化技術的應用推進了農業機械工程自動化進程，提高了農業生產工作效率，保障了農業生產安全性，極大地降低了農民勞動強度，增加了農民收益，助力農業農村現代化。