光电技术在农业工程中的应用与展望

　　摘要：我国是农业生产大国，农业种植面积和多种农产品产量居世界前列，但是我国农业生产自动化程度相对较低，农业效益提升潜力大。光电技术在提升农业效益方面大有可为。概述了光电技术在农业工程中的应用现状，并展望了光电技术在农业工程中的发展趋势。

　　关键词：光电技术；农业工程；光电传感器；光源

　　０引言

　　是农业生产大国，农业种植面积和多种农产品总产量居世界前列。然而，相对于很多发达而言，并非农业强国。如北欧的丹麦，单个农民的年产值可以供给近２００普通人的生活和消费；荷兰温室产品单位面积的产量全球第一，其西红柿单位面积产量是我国的５倍以上。农业工程涉及面广，除了传统的生物技术、土壤改良技术以外，还涉及机械、电子、能源和规划等诸多领域的关键技术。光电技术主要包括光的产生与控制技术、光传输与波导技术、光探测与显示技术及光与物质相互作用的应用技术［１］。光电技术产业也是２１世纪的朝阳科技产业，光电技术广泛应用于工业生产、农业工程、国防科技、环保建设、航空航天和生物医药等领域。光电技术与农业工程结合，极大地促进了农业工程的发展。本文从３个方面阐述光电技术在农业工程中的应用与发展情况。

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　　１农业机械和农用传感器

　　光电传感器广泛应用在播种、喷雾和移栽等多种农业机械中。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件３部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号［２］。光电传感器一般以内光电效应为原理的光敏电阻、光敏晶体管等和以光生伏特效应为原理的光电池等器件为主。

　　１.１光电传感器在排种、播种中的应用

　　播种是农业增收的第１环节。快速、可靠及高自动化的播种装备检测系统是我国农业检测装备中亟需完善的部分。目前，国内外的种子粒距检测均以光电传感器检测为主，属于间接测量，不能直接反映播种机运行情况及播种速度［３］。精密播种机的广泛应用已成为现代播种技术的主要特征，是播种技术的主要发展方向。其中一类是将发红外光二极管作为点光源放在凸透镜焦点上，在透镜的另一面产生平行光束均匀地照在硅光电池上，当有种子下落时就会由硅光电池产生相应的脉冲。脉冲再经过放大电路整形后送入单片机系统，单片机系统经过计算模块计算后输出所需要的信息［４］。另一类发射元件采用激光二极管，受光元件使用光敏二极管。利用发光器件ＬＥＤ的直径、受光器件光敏二极管受光面直径、排种管直径与农作物种子直径的差异，半导体光源发射的光线经反光镜反射覆盖整个排种管，从而进行监测工作［５］。上述两种基于光电传感器的精密播种机，可以监测和计算农作物播种时的重播率、漏播率与合格率等数据。赵军等［６］设计的评估排种器下落种距的光电系统信号接收器如图１所示。其采用的光电传感器为反应速度较快的光敏管，另一端放置ＬＥＤ光源。当光线被阻挡即种子通过时，光电传感器输出一个高电平。计算机通过计算种子下落的时间间距，可以对播种种距进行评估。

　　１.２光电传感器在节水灌溉中的应用

　　我国传统农业灌溉以大水漫灌为主，不仅导致水资源浪费、降低水的利用率，且容易导致土地退化，生产力下降。节水灌溉技术的推广及应用，不仅可以减少水资源浪费，还可以提高水的利用率，有利于我国经济发展。以滴灌、微喷灌、涌泉灌和地下渗灌为代表的微灌技术是诸多节水技术中省水率最高的一种先进节水灌溉技术［７］。光电传感器在微灌系统中的作用主要是利用光敏特性，对微灌系统输水管道的水流量、灌水器液位等进行检测。魏玲等［８］设计的灌溉管道监测系统的流量检测电路如图２所示。其采用红外光电二极管和高灵敏度光敏晶体管组成的光电传感器ＳＴ１４５。遮光盘在水流推动下转动，当边缘小孔经过ＳＴ１４５的凹槽时，ＳＴ１４５输出较大的电流，反之无电流输出。最终信号由微处理器计算得到水流量。整个输水管道中有多个监测节点，当发生泄漏，各节点水流量的代数关系会被打破，以此达到监测目的。

　　１.３光电传感器在移栽机械中的应用

　　在传统农作物移栽作业中，转移、筛选工作由人工完成，连续工作会使人疲劳，降低生产效率。目前已有移栽机器人有２条传送带，一条用于传送插盘，另一条用于传送盆状容器，其他主要部件还包括插入式拔苗器、杯状容器传送带、漏插分选器和插入式栽培器。该类型移栽机在开发时，采用了光电传感器、发射机和接收机。当杯中的植物从发射器与接收器之间经过时，如果光线被茎或叶子挡住，就可以断定苗在杯中，传感器可以上下调整以改变拒绝低于标准的劣苗的阀门，通过杯传送带的转动将劣苗抛在废料箱中［３］。

　　２植物工厂农业工程技术依托

　　３次工业革命的发展，逐渐向自动化、智能化和信息化发展。第３次工业革命（信息技术）催生了光机电一体化技术，并正在农业领域得到广泛利用，“光”不仅作为信息，而且作为“能量”输入到农业生物与生产系统［１３］。２０世纪５０年代以来，一种高度自动控制的植物栽培系统———植物工厂兴起。植物工厂是一种可通过计算机对设施内作物生产过程中的温度、湿度、光照和水肥等生产要素进行自动控制，使植物不受或很少受自然条件影响，从而实现作物周年生产的高效植物生产方式［１４］。荷兰在太阳光及其与人工光并用型植物工厂技术领域居世界领先地位，荷兰植物工厂最高产量可高达９０ｋｇ∕ｍ２［１５］。

　　植物光合作用在可见光光谱（３８０～７６０ｎｍ）范围内所吸收的光能，约占接收照射光能的６０％～６５％，其中主要是波长为６１０～７２０ｎｍ的红、橙光和波长为４００～５１０ｎｍ的蓝、紫光［１６］。早期在植物补光照明领域使用的人工光源大都存在光效低、能耗大等缺点，能耗费用约占系统运行成本的２０％～４０％，如高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯和白炽灯等［１７］。随着ＬＥＤ技术的发展和制造成本的下降，ＬＥＤ光源在现代农业中已成为世界各国农业补光照明的主流光源［１８］。

　　３害虫防治及畜牧业

　　农业害虫是影响农作物产量的重要因素。害虫防治、虫情监测也是农业科研的一个重要方向。传统害虫捕杀主要通过化学药剂防治，但是药剂防治会使害虫抗药性越来越强，最终会导致正常用药剂量无法杀灭害虫［２４］。

　　昆虫趋光性是昆虫固有的行为学特性之一，影响昆虫取食、交配和繁殖，可以利用昆虫趋光行为进行害虫防治［２５］。ＬＥＤ灯具有波长范围窄、光色单一、亮度高、能耗低和寿命长的特点，是最佳的诱虫光源。波长单一的ＬＥＤ光源不仅能够解决传统光源光谱范围广、害虫针对性差等缺点，而且在同样能耗情况下，ＬＥＤ光强较其他光源更强，灯光的覆盖面积更大，控害范围更广，大大提高了靶标害虫的诱集率，降低了对天敌和中性昆虫的潜在伤害［２５?２６］。在公园或动物放养区放置的太阳能灭蝇灯如图８所示，一方面可以有效杀灭蝇虫，提升相应区域动物或人类活动的舒适度，另一方面还可

　　４展望

　　４.１发展专用光电智能配件

　　光电技术作为２１世纪的高新产业，在农业工程中的应用还属于起步阶段。虽然大量研究与实践证明，光电技术作为信息化技术的重要一环，在农业工程中的应用范围广、应用结合度高，但由于光电器件与农机器械的研发与生产尚处在探索、研究阶段，光电技术在农业工程中的普及度还不够高。如激光平地机的核心元件（激光器、接收器、水平及高度传感器等）研制水平虽然相对完善，但供给农业专用平地机的元件还很少，不能完全适应农用平地机的使用要求［１１］。虽然有助于产蛋和促进进食的灯光系统已成为养鸡场的标配，但这种标配还有很大的提升空间。目前，多数肉鸡养殖场采用高色温灯光系统定时照明，蛋鸡养殖场采用暖色（色温约２７００Ｋ）灯光系统定时照明。养殖场希望能采用更智能化的灯光控制器，如控制器可以在鸡进食期起用红光，进食结束红光关闭，适当补充绿光照明，促进钙质吸收。但市场上类似的专用智能控制器还并不成熟。针对不同的养殖禽、畜需用不同的灯光系统及相应的智能控制系统。同样的，对于植物工厂的照明补光系统，不同的作物对光照的需求不同，因此对应的灯光控制系统也不同。智能灯光控制系统需要光电技术人才与农业技术有机结合才能研发出好的成熟产品。

　　４.２光电技术和人工智能有机结合

　　光电技术和人工智能有机结合是未来农业工程的发展趋势之一。未来农业工程要向高度自动化、智能化方向发展。我国是农业大国，降低农业人力、物力成本和提高农产品产量是基本需求。虽然一些大型农场的播种、施肥甚至采摘等都实现了机械化和自动化，但对于一些较为分散的种植区域，机械化和自动化程度还相对较低，需要较大的人力成本。如南方的马铃薯种植，虽然在很多环节已基本实现机械化，但仍有不少过程需要人力参与，如在收获过程中，马铃薯被翻至地面后，还需要人工捡拾［２９］。另外，在一些果树的果实采摘过程中，人工采摘可能存在一定风险，有必要研发具有识别功能的机器人，能自动识别成熟果实并完成采摘。国外已有自动采摘机器人相关研究，能自动识别成熟的西红柿并完成采摘（图１０）。虽然当前采摘机器人和人工相比还不够完善，但后续产品升级可能实现红枣、苹果等水果精准采摘，相比人力的优势将逐渐显现。通过机器视觉识别与自动化技术相结合做成可替代人工的机器人，是光电技术应用于农业工程的发展趋势之一。

　　５结束语

　　随着光电技术的发展和人力成本的提高，光电技术在农业工程中的应用会更加广泛。光电技术已渗透到农业机械及其传感器、植物工厂和畜牧养殖的方方面面。农业工程发展需要光电技术工作者与其他技术人员一起，研发更多能够应用于农业工程的有针对性的专用智能化器件和产品。光电技术也要与人工智能等相结合，开发出更多能替代人力的产品。

　　参考文献

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　　叶瑞涛，熊正烨，李永强，师文庆

《光电技术在农业工程中的应用与展望》

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