農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)與設(shè)計

劉禹博

(大連理工大學(xué),遼寧 大連 116024)

0 引言

傳統(tǒng)人力勞動在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在勞動強(qiáng)度大、效率低下以及對人力資源產(chǎn)生依賴性等問題。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展和科技不斷進(jìn)步,農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)系統(tǒng)集成與優(yōu)化技術(shù)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要發(fā)展方向,此項技術(shù)可以顯著提高農(nóng)作物的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)系統(tǒng)集成與優(yōu)化旨在將各種農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備、傳感器、監(jiān)測系統(tǒng)以及信息技術(shù)相互融合,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)作業(yè)的智能化和自動化[1-3]。通過傳感器技術(shù)的應(yīng)用,農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠?qū)崟r感知農(nóng)田的土壤狀態(tài)、氣象信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù),從而精確地進(jìn)行施肥、灌溉、植保等作業(yè)操作[4-5]。農(nóng)業(yè)機(jī)械基于監(jiān)測系統(tǒng)可以保證其根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)和算法進(jìn)行自主決策和調(diào)整,實(shí)現(xiàn)高效的作業(yè)控制和資源利用。綜上所述,信息技術(shù)的應(yīng)用則提供了數(shù)據(jù)收集、存儲和分析能力,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)。

本文重點(diǎn)探討農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)系統(tǒng)的集成與優(yōu)化,全面探討關(guān)鍵技術(shù)和方法,通過實(shí)際案例展示其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。通過對農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)系統(tǒng)的深入研究和推廣應(yīng)用有望推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)中的應(yīng)用

傳感器技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)的基礎(chǔ),同時也是農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)及決策系統(tǒng)的基本條件,主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)組成。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常被部署在農(nóng)田中,用于收集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù),如土壤濕度、溫度、光照強(qiáng)度等,匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)的聚合、壓縮和存儲,最后任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)的分配和管理,調(diào)度傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時間和工作方式,最大化數(shù)據(jù)采集效率和準(zhǔn)確性[6]。本章節(jié)將系統(tǒng)闡明傳感器網(wǎng)絡(luò)特性及需求,探討傳感器網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計與構(gòu)建,在此基礎(chǔ)上以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建為例,詳細(xì)分析其架構(gòu)和功能。

1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)特性與需求

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)對傳感器網(wǎng)絡(luò)有特定的特性和需求,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)低功耗和長壽命。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)通常需要長時間運(yùn)行,因此傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有低功耗的設(shè)計,以延長電池壽命,減少更換電池的頻率,從而減少維護(hù)成本。

2)大規(guī)模部署和自組織性。傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備自組織性,能夠自動配置和重新組織網(wǎng)絡(luò),適應(yīng)農(nóng)田中不斷變化的環(huán)境條件,保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

3)高傳輸速率和實(shí)時性。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)需要實(shí)時獲取傳感器數(shù)據(jù),以支持決策和監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時調(diào)整。因此,傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備較高的傳輸速率,能夠快速、可靠地傳輸大量數(shù)據(jù),并保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。

4)數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有商業(yè)價值和隱私性,傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備可靠的數(shù)據(jù)加密和訪問控制機(jī)制,確保農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性,防止數(shù)據(jù)泄露和惡意攻擊[7]。

5)抗干擾和可靠性。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)往往發(fā)生在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中,存在各種干擾源,如電磁干擾、多徑衰落等,因此,傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備抗干擾能力,能夠在復(fù)雜的環(huán)境條件下可靠地傳輸數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計

假設(shè)傳感器由N個無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成,被部署在一個有限的作業(yè)區(qū)域進(jìn)行周期性采集參數(shù),其網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計主要包括以下流程。

1.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)的規(guī)模應(yīng)該保持在較小范圍內(nèi),通常建議不超過300個節(jié)點(diǎn)[8]。為了確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸和及時處理,數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在監(jiān)測區(qū)域中進(jìn)行部署,縮短數(shù)據(jù)傳輸距離,減少數(shù)據(jù)傳輸延遲,有助于提高數(shù)據(jù)的傳輸效率和可靠性,減少中間節(jié)點(diǎn)的依賴。

1.2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)通信成功率

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信時,通信成功率可以服從公式(1),若網(wǎng)絡(luò)中存在一條路徑為h跳,第i跳的距離為di,節(jié)點(diǎn)通信半徑為r

(1)

1.2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)耗能模型

無線通信過程中的耗能模型服從自由空間模型和多路衰減模型,即當(dāng)收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的距離d

(2)

Erx(k)=kEelec

(3)

式中,Etr表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量,J;Eelec表示網(wǎng)絡(luò)平均能量,J;εfs表示加權(quán)因子,可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行在線調(diào)整d0表示參考距離或參考距離常數(shù),m。

1.3 農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是獲取田間信息的設(shè)備依托,同時也是實(shí)現(xiàn)各類農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)的基礎(chǔ)條件,傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,主要包括傳感器硬件平臺、軟件系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件平臺、SQLite數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)關(guān)管理平臺。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1)傳感器硬件平臺。傳感器硬件平臺是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備,用于感知和采集田間環(huán)境信息。這些傳感器節(jié)點(diǎn)通常包含各種傳感器模塊,如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等,用于測量田間的各種參數(shù)。

2)軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心部分,用于管理和控制傳感器節(jié)點(diǎn)的工作,主要包括嵌入式軟件和上層應(yīng)用軟件。嵌入式軟件運(yùn)行在傳感器節(jié)點(diǎn)上,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理和通信等任務(wù)。上層應(yīng)用軟件用于數(shù)據(jù)分析、決策支持和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

3)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件平臺。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)(如互聯(lián)網(wǎng))進(jìn)行連接的橋梁,負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù),通過無線通信或有線連接將數(shù)據(jù)傳輸給上層系統(tǒng),支持更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)。

4)SQLite數(shù)據(jù)庫。SQLite數(shù)據(jù)庫用于存儲和管理傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù),為用戶提供數(shù)據(jù)存儲、查詢和分析等功能,可以支持對歷史數(shù)據(jù)的回溯和對實(shí)時數(shù)據(jù)的監(jiān)測。數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)需要選擇不同的類型,如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或時序數(shù)據(jù)庫,以滿足數(shù)據(jù)存儲和查詢的需求。

5)網(wǎng)關(guān)管理平臺。用于監(jiān)控和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸情況和能量消耗等信息。網(wǎng)關(guān)管理平臺可以提供對網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的配置、調(diào)度和故障診斷等功能,以確保傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

2 農(nóng)業(yè)信息技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計完成后,為了實(shí)現(xiàn)對田間傳感器信息的實(shí)時監(jiān)測,需要設(shè)計一個農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)。本章節(jié)將重點(diǎn)探討農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計,通過有效的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,可實(shí)現(xiàn)對田間傳感器信息準(zhǔn)確、及時的監(jiān)測和分析,為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)提供重要決策支持。

2.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)是農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)的中樞部分,起著連接田間傳感器網(wǎng)絡(luò)和上層系統(tǒng)的重要作用。

2.1.1 開發(fā)環(huán)境

為了方便快速地搭建開發(fā)環(huán)境,本文選擇使用開源的Linux系統(tǒng),并從網(wǎng)上下載適用于ARM架構(gòu)的Linux版本(ARM-Linux)[9]。同時,為了進(jìn)行交叉編譯,本文還下載了版本為gcc-4.4.3的交叉編譯工具。通過使用開源的Linux系統(tǒng),可以充分利用其豐富的軟件資源和開發(fā)工具,提高開發(fā)效率和靈活性。基本流程如下。

1)下載交叉編譯工具鏈。使用以下命令從官方網(wǎng)站下載適用于ARM架構(gòu)的交叉編譯工具鏈

$ wget http://www.example.com/arm-linux-gcc.tar.gz

$ tar -zxvf arm-linux-gcc.tar.gz

2)設(shè)置環(huán)境變量。將交叉編譯工具鏈的路徑添加到系統(tǒng)的環(huán)境變量中。在～/.bashrc文件中添加以下行

export PATH=$PATH:/path/to/arm-linux-gcc/bin

3)配置交叉編譯工具鏈。進(jìn)入交叉編譯工具鏈的目錄,并進(jìn)行配置

$ cd /path/to/arm-linux-gcc/bin

$ ./configure --target=arm-linux --prefix=/path/to/install

$ make

$ make install

4)測試編譯環(huán)境。創(chuàng)建一個C程序,如hello.c

#include

int main() {

printf("Hello, World!n");

return 0;

}

$ arm-linux-gcc hello.c -o hello

2.1.2 建立Linux系統(tǒng)平臺

建立Linux系統(tǒng)平臺的步驟包括選擇合適的Linux發(fā)行版,下載相應(yīng)的鏡像文件并創(chuàng)建安裝媒介,通過安裝向?qū)нM(jìn)行系統(tǒng)安裝,配置和更新系統(tǒng),安裝所需軟件包進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)優(yōu)和安全性配置,以及定期進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。

2.1.3 加載配置文件

加載配置文件的過程包括確定配置文件位置、選擇配置文件格式,加載配置文件,解析配置文件,存儲配置參數(shù),應(yīng)用配置參數(shù),以及處理錯誤和容錯機(jī)制。通過此過程,應(yīng)用程序能夠讀取和解析配置文件,提取出配置參數(shù)(圖2),并將其應(yīng)用到適當(dāng)?shù)墓δ芎湍K中,以滿足應(yīng)用程序的需求。同時考慮異常情況和錯誤處理,確保應(yīng)用程序能夠正常運(yùn)行并給出適當(dāng)?shù)姆答乕10]。

圖2 加載配置文件部分程序代碼

2.2 服務(wù)器端設(shè)計

服務(wù)器端總體設(shè)計,主要包括圖形界面層、控制層、服務(wù)層和底層。

1)圖形界面層。圖形界面層負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互,提供友好的用戶界面,主要包括網(wǎng)頁前端、桌面應(yīng)用程序或移動應(yīng)用程序,用于顯示數(shù)據(jù)、接收用戶輸入并向控制層發(fā)送請求。

2)控制層。控制層是服務(wù)器端的核心模塊,負(fù)責(zé)處理用戶請求、協(xié)調(diào)各個模塊之間的交互和控制流程,通過接收來自圖形界面層的請求,并根據(jù)請求的類型進(jìn)行相應(yīng)的處理和響應(yīng)。控制層可以包括路由器、控制器、中間件等組件,用于處理請求、驗(yàn)證用戶身份、調(diào)用服務(wù)層提供的功能等。

3)服務(wù)層。提供業(yè)務(wù)邏輯的處理、數(shù)據(jù)操作、算法計算等功能,負(fù)責(zé)對接控制層的請求、執(zhí)行相應(yīng)操作、返回處理結(jié)果。服務(wù)層可以包括業(yè)務(wù)邏輯組件、數(shù)據(jù)訪問對象、服務(wù)接口等[11]。

4)底層。底層是服務(wù)器端的基礎(chǔ)設(shè)施層,提供底層支持和資源管理,主要包括數(shù)據(jù)庫管理、文件系統(tǒng)操作、網(wǎng)絡(luò)通信等,提供必要的資源和服務(wù)給上層模塊使用。

2.3 客戶端的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

客戶端主要實(shí)現(xiàn)用戶身份登錄,進(jìn)而進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測。用戶通過客戶端登錄可以方便地進(jìn)行身份驗(yàn)證并進(jìn)入實(shí)時監(jiān)測服務(wù),以獲取和展示相關(guān)的田間信息,并根據(jù)需要進(jìn)行操作和分析。基于人機(jī)交互原理開展客戶端登錄界面的設(shè)計如圖3所示。

圖3 基于人機(jī)交互下客戶端登錄界面的設(shè)計

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

3.1 多機(jī)器協(xié)作與協(xié)同作業(yè)

多臺農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備通過相互傳遞信息進(jìn)行任務(wù)分配,不同設(shè)備可以明確其他設(shè)備的位置和任務(wù),避免產(chǎn)生沖突或重復(fù)作業(yè)[12]。例如,在田間作業(yè)中,設(shè)備可以通過通信系統(tǒng)相互交流位置信息,避免相互碰撞,并根據(jù)當(dāng)前任務(wù)情況進(jìn)行作業(yè)路徑規(guī)劃,通過互相傳遞信息和任務(wù)分配,實(shí)現(xiàn)更高效的作業(yè)效果[13-14]。

3.2 機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步,農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)系統(tǒng)中機(jī)器人的應(yīng)用將逐漸增多[15]。機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的農(nóng)業(yè)作業(yè)任務(wù),機(jī)器人系統(tǒng)通過視覺識別和智能算法,準(zhǔn)確識別并開展田間任務(wù),如果實(shí)采摘、剪枝、病蟲害監(jiān)測等,減輕人力勞動壓力,提高作業(yè)效率和精度。

3.3 環(huán)境友好與可持續(xù)發(fā)展

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)系統(tǒng)將越來越注重環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展,減少農(nóng)藥和化肥使用量,采用更加環(huán)保的作業(yè)方式與技術(shù),降低對土壤、水源和生態(tài)環(huán)境的影響[16-17]。同時,系統(tǒng)還將積極采用可再生能源和能源節(jié)約技術(shù),降低能源消耗和碳排放,實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)的目標(biāo)。

4 結(jié)論

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)系統(tǒng)的集成與優(yōu)化是推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要方向。本文從傳感器網(wǎng)絡(luò)、農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了探討,主要得到以下結(jié)論。

1)傳感器網(wǎng)絡(luò)是農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)的基礎(chǔ),通過傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理的組合,實(shí)現(xiàn)對田間信息的采集和監(jiān)測。同時,傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模應(yīng)保持在較小范圍內(nèi),以確保通信的成功率。

2)農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,通過嵌入式網(wǎng)關(guān)和相應(yīng)的操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對傳感器信息的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理。通過配置文件的加載和管理,靈活地對系統(tǒng)進(jìn)行配置和調(diào)整。

3)未來農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化作業(yè)應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè),將機(jī)器人技術(shù)引進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的農(nóng)業(yè)作業(yè)任務(wù),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、高效化和可持續(xù)發(fā)展。