基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田噴灑自動控制系統(tǒng)研究

張晴晴 齊國紅 徐庚

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要驅(qū)動力，農(nóng)田農(nóng)藥噴灑又是提高作物產(chǎn)量的重要方式。為提高工作效率，本文提出了以物聯(lián)網(wǎng)的基本原理和體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的采用節(jié)能型思維方式解決當(dāng)前大面積噴灑農(nóng)藥的自動控制體系，重點研究物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);農(nóng)田噴灑;自動控制

中圖分類號：S275? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.11974/nyyjs.20180932005

1? ? ?研究背景和意義

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）這一概念早在20世紀(jì)初就被提出，它是借助計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，參照互聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)和EPC標(biāo)準(zhǔn)，并利用射頻識別技術(shù)和無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)構(gòu)造出實現(xiàn)全球物品信息實時共享的實物物聯(lián)網(wǎng)[1，2]。作為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第3次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)在我國也受到了極為廣泛的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也很廣泛，已成為加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑?；谖锫?lián)網(wǎng)的農(nóng)田噴灑農(nóng)業(yè)技術(shù)可以代替人來進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，從而節(jié)省人力物力，大大提高效率，增加農(nóng)田產(chǎn)量[3，4]。

當(dāng)前，大部分農(nóng)田噴灑農(nóng)藥采用無人機(jī)大面積的遍噴作業(yè)，這樣做既浪費農(nóng)藥又浪費飛機(jī)燃油[5]。如果能準(zhǔn)確找到病蟲害的發(fā)生部位，將信息傳遞給無人機(jī)，無人機(jī)接到信號后直接飛到病蟲害的中心定點噴灑，這樣可以及時消滅病蟲并將農(nóng)藥噴灑區(qū)間控制在最小范圍以內(nèi)，防止未發(fā)生病蟲害區(qū)域沾上不該有的農(nóng)藥，同時避免大面積作業(yè)帶來的不必要的農(nóng)藥和飛機(jī)燃油的浪費[6，7]。

2? ? ?系統(tǒng)的總體方案

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了無人機(jī)噴灑農(nóng)田的自動控制系統(tǒng)。整體方案以物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，先通過檢測系統(tǒng)檢測到病蟲害信號，再將信號通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給控制中心和執(zhí)行任務(wù)的無人飛機(jī)，無人機(jī)按信號巡航有目的地完成預(yù)先設(shè)好的農(nóng)藥量的噴灑，構(gòu)成一個完整的自動控制系統(tǒng)[9]。整個系統(tǒng)如圖1所示。

2.1? ? ?具體實現(xiàn)過程

要到病蟲害的可能發(fā)生地布放傳感器，傳感器主要是檢測地質(zhì)的酸堿度的pH值。有病害和蟲害發(fā)生的地方會表現(xiàn)出土質(zhì)的酸堿度的不同。土壤的pH值過低，會使土壤陽離子交換量變低，容易造成作物缺鈣缺鎂，增加生理性病害的發(fā)生幾率，此外，也會使土壤滋生真菌、細(xì)菌和病菌，易造成根腫病、黃萎病和青枯病等病害的發(fā)生。傳感器和微波發(fā)生器做成一體，按照網(wǎng)格狀分布在根據(jù)經(jīng)驗容易發(fā)生病害和蟲害的地方。

當(dāng)有病害和蟲害發(fā)生時，傳感器會檢測到超出正常范圍的pH值，就會有信號產(chǎn)生，此信號經(jīng)過處理放大并驅(qū)動一體盒子中的信號發(fā)生器工作，發(fā)出了微波信號（或無線信號），這個信號包含了發(fā)出地的標(biāo)號（坐標(biāo)），病害和蟲害的種類，以及嚴(yán)重的程度等級（N級），圖2顯示了傳感器信號到發(fā)生器信號的過程。

無人機(jī)管理站接收到這個信號，經(jīng)過判斷接收到的相關(guān)信息，指揮帶有相針對相應(yīng)病害和蟲害農(nóng)藥的無人機(jī)抵達(dá)目的地開始噴灑農(nóng)藥，噴灑的范圍是以此監(jiān)測點為中心，以相鄰2個監(jiān)測點為半徑，噴灑完畢返回站內(nèi)。無人機(jī)的飛行軌跡可以預(yù)先設(shè)定，也可參考遙控，其所裝載的農(nóng)藥量和噴灑量是預(yù)先經(jīng)過計算好的，圖3顯示了無人機(jī)噴灑農(nóng)藥的過程。

2.2? ? ?控制算法的選取

從接到信號到確定噴灑方案的控制算法，采用模糊算法，其實現(xiàn)過程：設(shè)定模糊狀態(tài)及其描述詞匯，模糊控制器包括4部分。

2.2.1? ? ?模糊化

將輸入值以適當(dāng)?shù)谋壤D(zhuǎn)換到論域的數(shù)值，利用口語化變量來描述測量物理量的過程，根據(jù)適合的語言值（linguistic value）求該值相對的隸屬度，此口語化變量稱為模糊子集合（fuzzy subsets）。具體來講就是將從農(nóng)田里獲得的pH值分成若干個等級，其中，精確一點的分為5個等級，粗略一點的分為3個等級，因此其模糊子集合可以有5個或3個來表示病蟲害的程度和危害度。如：U={甲，乙，丙，丁，戊}或U={A，B，C}。

2.2.2? ? ?規(guī)則庫

根據(jù)人類專家的經(jīng)驗建立模糊規(guī)則庫。模糊規(guī)則庫包含眾多控制規(guī)則，是從實際控制經(jīng)驗過渡到模糊控制器的關(guān)鍵步驟。這里要用到病蟲害專家得出的經(jīng)驗庫，pH值在什么范圍應(yīng)該是什么樣的危害，會帶來什么樣的后果。

2.2.3? ? ?模糊推理

主要實現(xiàn)基于知識的推理決策?；谇懊嫠鶞y得的pH值，根據(jù)專家的經(jīng)驗應(yīng)該采取什么樣的措施，采用何種藥物以及劑量選擇。

2.2.4? ? ?解模糊化（defuzzify）

將推論所得到的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制訊號，主要作用是將推理得到的控制量轉(zhuǎn)化為控制輸出。按照專家的推斷和建議，將應(yīng)該加的農(nóng)藥種類和濃度以及用量添加到將要執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)上。根據(jù)指令飛往目的地進(jìn)行噴灑操作。根據(jù)專家?guī)斓耐普?，?dāng)其pH值很大的時候，意味著病蟲害很嚴(yán)峻，噴藥量要很大，具體的數(shù)字要有專家?guī)旖o出，然后依次隨著pH值得減小，減小噴藥量。其軟件流程圖如4所示。

3? ? ?總結(jié)和展望

本文研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)無人機(jī)對農(nóng)田的定點農(nóng)藥噴灑，實現(xiàn)過程中仍存一些問題有待優(yōu)化。目前待優(yōu)化主要表現(xiàn)在2個方面：專家?guī)斓膬?yōu)化問題，需提供多樣化種類。這樣可以在病蟲害的種類和用藥量方面做得更為多樣和精準(zhǔn);機(jī)器人的定點噴灑技術(shù)需要進(jìn)一步提高，無人飛機(jī)的準(zhǔn)確定位借助輔助的遙控以確保定位的準(zhǔn)確性，但要更準(zhǔn)確定位則需要GPS通訊系統(tǒng)的介入，這2方面將是近階段研究的重點。

參考文獻(xiàn)

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