智能控制与精确识别在精准农业中的应用

　　[摘要]农业是第一产业，是国民经济建设的基础，在我国农业的现代化过程中，机械化与精确化是农业发展的主要方向。一方面通过机械自动化技术提高农业生产的效率；另外一方面通过智能控制技术，实现对农药与水资源的精确喷洒与灌溉，从而实现农业的精确化，提高农业生产的经济效益。本文通过对精准农业的介绍，设计一种智能化农药喷洒与灌溉系统，实现对农作物定时、定量、定位的喷洒与浇灌。

　　[关键词]精准农业；智能控制；精确喷洒

　　1精准农业介绍

　　1.1精准农业的概念

　　精准农业也被称为精细农业，是信息技术、智能控制技术在农业现代化生产中的应用。通过卫星定位系统、网络系统、精确识别系统以及自动控制系统等先进的科学技术，实现对农作物的定时、定量、定位浇灌与农药的精确施加，从而提高农作物的效益[1-2]。精准农业以一定的经济投入，获得最大收益的效果，可以实现农业现代化生产，提高农业经济效益，减少农民工作量，避免过量农药对环境的污染，是现代化农业发展的必由之路。

　　1.2精准农业对农业经济的影响

　　我国是传统的农业大国，幅员辽阔，资源丰富，然而我国的农业现代化远远不及发达。以色列是中东一个国土面积仅2.5万km2的小国，但其农业现代化程度全世界领先。以色列地处于沙漠地区，沙漠占一半的国土，水资源稀缺，在资源极度匮乏的情况下，既不能靠天又不能靠地，只有靠精准农业，智能灌溉，珍惜每一滴水，提高水资源利用率。据统计，以色列依靠精准农业水资源利用率可以达到90%以上，相比之下我国却只有30%～40%，通过农业现代化，以色列其不仅满足了农产品的自给自足，同时大量对外出口，是名副其实的农业出口大国，可以可见精准农业对农业经济的作用与意义。

　　1.3精准农业的实施方法

　　精准农业无论对于农业的产量还是经济效益都有重要的作用，精细化、精准化，不浪费一滴水，不多施一滴肥，精确把握农作物的生长过程，以保证农作物产量的最大化是精准农业的主要思想。以蓝莓的生产为例，蓝莓是营养成分十分丰富的水果，然而其对生长环境却十分挑剔，蓝莓适宜生长的土壤酸碱度为4.0～5.2，对土壤中的含盐量十分敏感，按传统的生产方式进行灌溉，水的电导率如果超标即会导致严重减产，在这样的情况下通过传感器，对土壤的酸碱度、灌溉水的数量以及电导率进行精确控制，即可实现蓝莓产量的最大化[3-4]。

　　2智能灌溉在精准农业中的应用

　　2.1项目介绍

　　烟台某地区约66.67hm2苹果园以及若干蔬菜大棚，该地区原农业生产采用渠罐与手工施加农药的方式，水资源利用率不足45%，农药过度浪费。该地区苹果产业的覆盖面积为60%以上，因此拟定设计智能化灌溉与智能农药喷洒系统，以实现节水灌溉与农药的精确喷洒，提高农业生产的自动化程度，提高当地的农业化生产效率。

　　2.2智能灌溉系统构成

　　如图1所示，灌溉系统分为硬件部分与软件部分，硬件系统的构成由处理器、监控器、水系统过滤器、肥料混合器、控制器以及滴灌系统构成，是信息技术、自动控制系统、传感系统以及精确定位与精确识别系统的组合。系统软件部分由STM32单片机作为主控制MCU加以传感器实现对温度、土壤水量、蒸发量的识别，并实现对果树以及蔬菜大棚中农作物的精确灌溉。本系统带有土壤状况与环境质量传感器，可以探测土壤的含水量、环境的温度湿度、地下水情况以及收集气象信息，根据数据采集信息由处理器进行控制，实现对农作物的节水灌溉以及智能化控制[5]。

　　2.3灌溉系统

　　本系统采用滴灌方式作为农作物的灌溉方式，滴灌系统管路设计如图2所示，该项目水源主要来自周围的水库，通过水泵将水输送到灌溉区域，管路同时配备水过滤系统，以提高系统的长期可靠性，避免因长期使用管路而产生水垢，导致系统的堵塞影响灌溉效果，以此提高灌溉效率。水库位于灌溉区域的上方，可以为系统提供足够的压力，起到降低能耗，节能减排的目的[6]。

　　2.4系统控制设计

　　2.4.1硬件设计

　　本智能控制系统通过STM32单片机控制系统实现对果树与农作物的精确灌溉以及农药的精确喷洒[7-8]。单片机硬件设计框架如图3所示。硬件控制系统STC15主控芯片用于对土壤状况信息进行收集与处理，监控土壤的温度与湿度、地下水情况以及气候等环境信息，为灌溉的时间与数量提供数据上的依据。STC89C52是系统的田间控制器，用于接收来自主控芯片STC15的指令，从而驱动电磁阀对于果树以及蔬菜大棚中的农作物进行定时定量灌溉。

　　2.4.2软件系统设计

　　单片机系统软件控制的部分框架如图4所示，系统使用C程序进行软件开发，由田间控制器，无线接收控制，土壤墒情控制等部分构成，数据指令通过无线接收模块进行接收，并控制电磁阀的工作状态。

　　2.5农药精确喷洒

　　本系统在实现节水灌溉的同时增加了视觉识别系统，以此实现对蔬菜大棚中农作物的农药的精确喷洒，从而提高农药喷洒效率，能够避免多余农药对环境的污染，降低成本，提高蔬菜大棚的总体收益。

　　2.5.1机械结构

　　农药喷洒系统机械结构组成如图5所示。

　　2.5.2工作原理

　　液压缸与液压泵通过顶升机构传动动力，顶升机构负责可移动支架的X、Y、Z三方向移动，摄像头可以360°无死角旋转，系统中每个机械手臂都可以根据摄像头识别的物体位置自动调整机械臂的喷嘴位置，让喷嘴位置能够与被喷射物体的位置一致。在对农作物的喷洒过程中，场景摄像头初步定位农作物的坐标，并将农作物进行的信息传递给处理器，机械臂根据处理器发出的位置信息以及指令，将每个机械手臂移动到农作物上方，当农作物进入机械臂摄像传感器的视觉范围内时，摄像传感器通过自身的软件算法进行精确的定位，并识别农作物的大小，计算喷洒剂量，实现农药的精确喷洒。

　　2.5.3系统的功能测试

　　为了保证灌溉系统的可靠性，该智能控制系统完成后，本研究团队进行了相应的可靠性测试。

　　2.5.4智能灌溉测试

　　2.5.4.1手动控制测试

　　以手动控制为主，通过人工方式向电磁阀发送指令，测试次数100次，滴灌电磁阀动作次数为98次，系统控制可靠度为98%。

　　2.5.4.2土壤墒情测试

　　对主控系统温湿度进行测试，通过人工方式对温湿度测试，并与液晶显示器上读数进行比较。测试结果为：温度偏差±3度，湿度偏差±5%（见表1）。

　　2.5.4.3农药精确喷洒测试

　　喷洒实验的设计方案如图6所示。实验5组作物为喷洒对象，结果表明，喷洒位置精度为±6mm，喷洒时间精度为±0.17s。

　　3结论

　　精准农业是农业现代化的主要发展趋势，利用自动控制、信息技术实现对农作物的灌溉和农药喷洒是降低投入、避免农药污染、提高农业经济效益的主要方式。本文设计了一套自动灌溉与农药的自动喷洒系统，并介绍了设计的原理、组成结构与实时流程，最后通过灌溉与喷洒农药实验对系统进行了可靠性验证，结果表明系统能够实现设计的预期效果，希望本设计能够对农业现代化生产提供帮助。

　　参考文献

　　[1]孙士娇,燕明伟,张亚珠,等.物联网农业智能控制系统概述[J].电脑迷,2017(11).

　　[2]单昕,甘守飞.无线传感器网络在精准农业中的能效分析[J].宿州学院学报,2018,180(2):117-121.

　　[3]阿马力,古丽米拉·克孜尔别克,马健云.基于STM32的滴灌系统的设计实现[J].计算机时代,2018,312(6):61-63.

　　[4]祝朝坤,张凌燕.基于STM32和Android手机的农业物联网大棚的设计与实现[J].电子产品世界,2017,24(12):52-55.

　　[5]陆啸天,王钦若.基于HALCON的机械手视觉定位的软件设计[J].电子世界,2016(15):97.

　　[6]徐振轩,张红英,朱恩弘,等.一种基于天空区域分割的单幅图像去雾方法[J].数码世界,2017(4):35-36.

　　[8]时恩早,张垒.无线通信技术在精准农业中的应用[J].计算机产品与流通,2019(12):70.

　　孙会芳

《智能控制与精确识别在精准农业中的应用》

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