淺析自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

申藝方 ，聶超超 ，趙會(huì)娟

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐步創(chuàng)新優(yōu)化，自動(dòng)化控制技術(shù)融入農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)智能化、自動(dòng)化發(fā)展，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、配置簡單、應(yīng)用靈活等多重優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)管理及自主診斷，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，極大地提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平[1]。因此，為推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，需要在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域科學(xué)應(yīng)用與全面推廣自動(dòng)控制技術(shù)。

1 自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)狀

在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步的影響下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)逐步更新優(yōu)化，然而從總體來看，我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)的時(shí)間并不長，目前尚未實(shí)現(xiàn)全面普及農(nóng)業(yè)機(jī)械化。部分經(jīng)濟(jì)條件較差的地區(qū)，不僅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度不高，農(nóng)業(yè)機(jī)械與自動(dòng)控制技術(shù)融合率也較低。與此同時(shí)，自動(dòng)化控制技術(shù)的創(chuàng)新速度較慢。技術(shù)更新是推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提升的重要?jiǎng)恿Γ欢覈r(nóng)業(yè)機(jī)械在自動(dòng)化控制方面仍然以傳統(tǒng)控制技術(shù)應(yīng)用為主，即便農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正在向機(jī)械化、自動(dòng)化控制的方向發(fā)展，但由于技術(shù)相對(duì)陳舊，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率未能得到大幅提升，限制了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展步伐。部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)為實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，會(huì)引進(jìn)具有自動(dòng)化控制功能的機(jī)械設(shè)備，但會(huì)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本[2]。因此，自動(dòng)化控制技術(shù)更新及其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的有效應(yīng)用，已成為農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。

2 自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用分析

2.1 自動(dòng)節(jié)水灌溉控制技術(shù)的應(yīng)用

自動(dòng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)是基于傳感器、控制器與執(zhí)行器等多種裝置研發(fā)而成的智能化灌溉設(shè)備，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的土壤條件、天氣變化以及作物長勢(shì)，實(shí)施科學(xué)灌溉，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約水量、提高農(nóng)作物長勢(shì)的目的。傳感器可實(shí)時(shí)獲取土壤含水量、溫度、濕度等相關(guān)參數(shù)，并將這些參數(shù)傳至控制器；控制器則可根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)分析植物的需水量，決定灌溉與否，以及控制灌溉時(shí)長和水量。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)程控制，可為控制器與傳感器、執(zhí)行器、上位機(jī)間的通信提供支持[3]。

自動(dòng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)以人力為主的灌溉方式，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉自動(dòng)化，能夠自主完成農(nóng)田缺水情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)監(jiān)控農(nóng)作物生長態(tài)勢(shì)，以數(shù)字化形式分析農(nóng)作物生長指標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。自動(dòng)化節(jié)水灌溉系統(tǒng)支持根據(jù)農(nóng)作物生長狀態(tài)并結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)選用最為適合的灌溉方式，并可自動(dòng)設(shè)置合理的灌溉時(shí)長，自主調(diào)控灌水量及灌水頻次，降低人工灌溉壓力、節(jié)約人力資源，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增收具有重要的促進(jìn)作用。

2.2 自動(dòng)施肥控制技術(shù)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化以自動(dòng)化控制、智能化管理作為主要目標(biāo)，除了自動(dòng)化灌溉之外，自動(dòng)化施肥也是重要的發(fā)展方向。施肥自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)施肥，確保肥料施加的及時(shí)性與合理性，減少肥料資源浪費(fèi)，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

在自動(dòng)控制技術(shù)支持下，施肥可與灌溉結(jié)合開展，利用水壓控制肥料輸出，在灌溉的同時(shí)完成肥料施加。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)合理對(duì)接自動(dòng)化節(jié)水灌溉系統(tǒng)與自動(dòng)施肥系統(tǒng)，在傳感器裝置支持下，自動(dòng)獲取農(nóng)作物生長階段、營養(yǎng)供應(yīng)狀況、營養(yǎng)成分需求情況，進(jìn)而根據(jù)植物所處生長階段針對(duì)性施加對(duì)應(yīng)的營養(yǎng)元素。在灌溉前，可將所需數(shù)量的肥料溶于水，然后將肥料溶液通過灌溉管道輸送至植物，實(shí)現(xiàn)肥料施加自動(dòng)化、準(zhǔn)確化，在低成本、高效率施肥的基礎(chǔ)上，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量，從而驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化、規(guī)范化發(fā)展[4]。

2.3 自動(dòng)化溫室控制技術(shù)的應(yīng)用

自動(dòng)化溫室控制技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械融合，能夠解決天氣因素對(duì)農(nóng)作物生長產(chǎn)生的影響。在溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的支持下，應(yīng)用通風(fēng)降溫系統(tǒng)、太陽能儲(chǔ)能系統(tǒng)、燃油熱風(fēng)加熱系統(tǒng)等，有效調(diào)控溫室大棚的溫度、濕度、光照等相關(guān)指標(biāo)。溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)可結(jié)合農(nóng)作物的生長需求，自動(dòng)開合卷膜、棚窗或風(fēng)機(jī)濕簾，或是控制生物背光裝置，對(duì)溫室大棚內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，營造出利于農(nóng)作物生長的環(huán)境[5]，還可以自動(dòng)完成幾十項(xiàng)環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)的收集與存儲(chǔ)，并具備多條繼電器輸出路徑，能夠同時(shí)控制多臺(tái)設(shè)備，數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)容量也較大，其液晶顯示器以圖形、文字展示環(huán)境要素信息。此外，通過安裝CO2傳感器監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)CO2的濃度，經(jīng)過系統(tǒng)分析，發(fā)出參數(shù)控制指令，通過開啟通風(fēng)窗、空氣循環(huán)裝置科學(xué)調(diào)控溫室大棚內(nèi)的相關(guān)參數(shù)。

2.4 視覺識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用

視覺識(shí)別是利用攝像頭采集目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，再借助計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提取目標(biāo)圖像的特征，并與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)而識(shí)別出目標(biāo)的技術(shù)方法[6]。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)象是多種類型的農(nóng)作物，農(nóng)作物類型不同，其對(duì)光照的需求存在差異。通過自動(dòng)控制系統(tǒng)與視覺識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合運(yùn)用，對(duì)溫室大棚中所栽培農(nóng)作物的品種進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，根據(jù)不同類型作物的生長周期，結(jié)合農(nóng)作物外觀變化情況，自動(dòng)化調(diào)控大棚內(nèi)的自動(dòng)遮光系統(tǒng)。此外，在遮光設(shè)備的基礎(chǔ)上，可改變光照強(qiáng)度，以便需光度不同的農(nóng)作物均可得到適量、適宜的光照強(qiáng)度。在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用視覺識(shí)別技術(shù)，能夠減少人工觀察農(nóng)作物長勢(shì)及生長周期分析所需的人員數(shù)量，從而降低人工成本。

視覺識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的價(jià)值較高，但需要投入較高成本，目前主要應(yīng)用于附加值較高的蔬菜作物栽培。未來，在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化持續(xù)發(fā)展的過程中，此技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步深入，可通過技術(shù)更新、設(shè)備改造，有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合實(shí)力。

2.5 自動(dòng)采摘技術(shù)的應(yīng)用

自動(dòng)采摘技術(shù)是指利用自動(dòng)采摘機(jī)器人等設(shè)備替代人工采摘成熟農(nóng)作物，并在采摘完成后通過運(yùn)輸通道進(jìn)行收獲物的傳送與分裝[7]。此技術(shù)的應(yīng)用需要以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)上設(shè)置好采摘方式及路徑后，由計(jì)算機(jī)傳送相應(yīng)指令操控自動(dòng)采摘機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作。自動(dòng)采摘機(jī)器人需要根據(jù)事前設(shè)定的路徑行進(jìn)，并接收傳感器所反饋的信息，對(duì)農(nóng)作物生長情況和其他影響因素展開綜合分析，確認(rèn)農(nóng)作物達(dá)到采摘條件后，進(jìn)而做出采摘農(nóng)作物的決策。此類農(nóng)業(yè)機(jī)械具備較高的自動(dòng)化水平，例如，自動(dòng)采摘機(jī)器人具備由機(jī)械臂、機(jī)械手共同構(gòu)成的采摘結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂上還裝有圖像傳感器，圖像傳感器拍攝的農(nóng)作物圖像經(jīng)過人工智能技術(shù)分析，從而識(shí)別出農(nóng)作物的成熟度，對(duì)于已經(jīng)成熟的農(nóng)產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)將下達(dá)采摘指令給機(jī)械手臂，由其執(zhí)行采摘?jiǎng)幼?。機(jī)械手上裝有柔性夾爪，可自動(dòng)調(diào)控農(nóng)作物采摘力度，防止夾取時(shí)因力度過大導(dǎo)致農(nóng)作物損壞。

此外，自動(dòng)采摘農(nóng)業(yè)機(jī)械還能夠自動(dòng)完成采摘后的操作，將夾取的成熟農(nóng)產(chǎn)品依次放入箱子中，并自動(dòng)進(jìn)行箱體碼垛。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)采摘技術(shù)支持下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加高效化，有利于驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化快速發(fā)展。

2.6 自動(dòng)化地理信息技術(shù)的應(yīng)用

地理信息技術(shù)是由地理信息系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)構(gòu)建而成的技術(shù)集合，將其與自動(dòng)控制技術(shù)相融合，可促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，可利用地理信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤、土地、農(nóng)作物生長周期等信息，綜合評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，進(jìn)而自動(dòng)完成信息管理調(diào)控等任務(wù)。例如，在農(nóng)作物病蟲害防控過程中，可應(yīng)用地理信息系統(tǒng)確定受災(zāi)范圍、分析嚴(yán)重程度，并進(jìn)一步給出病蟲害預(yù)防、控制策略，從而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害防治成本，降低病蟲害防控的人力資源以及物力資源的浪費(fèi)率。同時(shí)，可利用全球定位系統(tǒng)采集農(nóng)田數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)定位病蟲害發(fā)生區(qū)[8]。之后，可利用遙感設(shè)備搭載航空攝像裝置獲取農(nóng)田影像，了解農(nóng)作物生長態(tài)勢(shì)及病蟲害影響程度，并可通過無人機(jī)噴灑農(nóng)藥，以提高病蟲害防控效率及質(zhì)量，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的時(shí)間及人力成本。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)的保障策略

3.1 加強(qiáng)政策扶持

為推動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)有效應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械，政府部門需要提供政策引導(dǎo)，并給予相應(yīng)的扶持。政府部門需要給予農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)一定的資金及政策支持，科研部門需要為其提供先進(jìn)的科研技術(shù)指導(dǎo)，驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化控制技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新活動(dòng)開展，從而逐步降低智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)成本，為自動(dòng)控制類農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用普及提供基礎(chǔ)條件。各級(jí)地方政府需要落實(shí)好農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼政策，充分發(fā)揮自身引導(dǎo)扶持作用，對(duì)引進(jìn)自動(dòng)化控制農(nóng)業(yè)機(jī)械的農(nóng)戶給予相應(yīng)的補(bǔ)貼，以此激發(fā)農(nóng)戶應(yīng)用智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械的積極性，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)的深入應(yīng)用。

3.2 強(qiáng)化農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用指導(dǎo)

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)的規(guī)范化、科學(xué)化應(yīng)用目標(biāo)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量及質(zhì)量，要重點(diǎn)強(qiáng)化農(nóng)業(yè)操作技術(shù)人員的技術(shù)水平。各地區(qū)農(nóng)業(yè)管理部門要對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)操控人員的培訓(xùn)服務(wù)給予高度關(guān)注，定期組織現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)活動(dòng)，采取集中化、主題化培訓(xùn)方式，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)操作技術(shù)人員的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化控制能力[9]。同時(shí)，政府部門需要在宏觀政策調(diào)控的同時(shí)，協(xié)調(diào)好農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)單位，規(guī)范專業(yè)操作技術(shù)人員的工作行為，梳理自動(dòng)化農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的操作流程，以便降低自動(dòng)控制類農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的故障發(fā)生率，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)智能化、自動(dòng)化與長效化發(fā)展。

3.3 加大農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化研發(fā)力度

由于當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展尚不成熟，需要進(jìn)一步加大農(nóng)業(yè)智能化、自動(dòng)化技術(shù)的研究深度。例如，需要深入研究農(nóng)業(yè)機(jī)械駕駛室方向動(dòng)力控制技術(shù)，從而降低農(nóng)業(yè)機(jī)械方向控制難度，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的便利性。與此同時(shí)，外在環(huán)境因素對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行的影響較大，因而需要對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，并加大傳感器研究力度，研發(fā)出性能優(yōu)越、運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)傳送快捷的先進(jìn)傳感器，以此實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)監(jiān)測(cè)高效化、精準(zhǔn)化，得出準(zhǔn)確的農(nóng)作物生長態(tài)勢(shì)分析結(jié)論。

3.4 選用適合的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化模式

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化在我國的發(fā)展時(shí)間還不長，自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用成效并未完全展現(xiàn)。因此，在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化控制實(shí)施過程中，需要加大應(yīng)用效果分析研究力度。要遵循安全性、高效性、經(jīng)濟(jì)性三個(gè)原則，保障農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化控制技術(shù)科學(xué)應(yīng)用，定期組織農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用成效評(píng)估分析活動(dòng)，根據(jù)不同農(nóng)業(yè)區(qū)域選擇適合的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效、安全的目標(biāo)[10]。通過分析當(dāng)前農(nóng)業(yè)市場(chǎng)發(fā)展情況發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移已成趨勢(shì)，因而運(yùn)用具備自動(dòng)控制功能的農(nóng)業(yè)機(jī)械替代人工是農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，選擇契合不同地區(qū)發(fā)展實(shí)際的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化模式，則能驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化應(yīng)用轉(zhuǎn)型，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化發(fā)展。

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)機(jī)械與自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合，可實(shí)時(shí)控制農(nóng)業(yè)機(jī)械，并能提升信號(hào)傳送及時(shí)性，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用的安全性、可操作性。此外，還可以在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用光電隔離技術(shù)、濾波器等技術(shù)，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行的可靠性；基于傳感裝置自動(dòng)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理農(nóng)業(yè)機(jī)械故障問題。

自動(dòng)控制技術(shù)在不斷發(fā)展，自動(dòng)節(jié)水灌溉控制技術(shù)、自動(dòng)施肥控制技術(shù)、自動(dòng)化溫室控制技術(shù)、視覺識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)采摘技術(shù)、自動(dòng)化地理信息技術(shù)以及未來更先進(jìn)的技術(shù)，均可與農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)合，通過有效控制水分、肥料、溫濕度等因素以及對(duì)農(nóng)作物實(shí)施自動(dòng)操作，在農(nóng)作物生長管理、農(nóng)產(chǎn)品收獲、病蟲害防治等方面發(fā)揮作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效，并有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。