农村农业自动化发展研究

刘书艳　罗仁全

摘要

该文阐述了国际农业机械化自动化设施的发展历程和取得的技术成果，以及在目前的技术条件下农业发展的状况，阐述了当今国际雾霾、全球变暖等环境污染对农作物的严重影响，分析了当今国际农业种植的发展方向。认为室内农作物的种植，运用现代科学技术的种植方法，发展设施农业应是今后中国农业主攻方向。将工业生产线运用到农业上，实现农业的自动控制和远程作业发展高效农业，是减轻不断增长的人口压力的有效手段。

关键词 农业机械化；自动控制；远程作业；工业机器人；生产线

中图分类号 S22 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）11-03440-04

Abstract The development process of international agricultural mechanization and automation facilities and technological achievements were described， as well as the situation in the current technical conditions for agricultural development. The serious impact of today's international haze， global warming and other environmental pollution on crops were elaborated. The development direction of the current international indoor farming is growing crops， the use of cultivation methods of modern science and technology and developing facility agriculture is the main direction for China. Industrial production lines applied to the agriculture， the full realization of agriculture automatic control， remote operations are the effective means for reducing the increasing population pressure.

Key words Agricultural mechanization； Automatic control； Remote job； Industrial robots； Production line

近年来全球气温不断变暖，导致常出现极端恶劣的气候的频率升高，这不仅给人类的生存环境带来极大的伤害，而且导致了整个农业生态系统发生了极大的波动。全球森林砍伐，导致土地退化和荒漠化，生态退化，植被带迁移等等。天气变暖在全世界呈不均匀性，使得十分恶劣的气候事件（干旱、风暴、霜冻等等）的频发、涌现，同时持续时间和分布带也发生了转变，导致气象灾害的频率和强度不断加大；温度升高，尤其是温暖和潮湿的气候有利于一些细菌、害虫和疾病的发生、发展和传播，造成大面积灾害的发生，直接影响主要农作物的产量，从而对各地物价上涨起到了推动的作用。

目前国内各地均有各种类型的室内农作物种植，最主要最常见的就是以塑料大棚的方式。由于塑料大棚支架普遍使用竹子、木材或钢结构制作，在特定的温度和湿度的环境中容易腐蚀，从而导致温室的使用寿命严重下降，一般情况下这些支架2～3年就需要重新更新一次。另外这种竹木支架大棚的内部操作环境十分不便，因为这种支架的制作十分的随意，在大棚内部需要增加很多支撑柱，严重阻碍了机械化操作，所以就需采用人工种植、培养等，从而增加了劳动强度和劳动成本。同时这种大棚采光性能较差，农作物在阳光不足的情况下难以获得高产。可见设施农业生产必须实现生产机械化和自动化，温室农作物种植要实现智能化管理，才能获得最大经济效益[1]。

笔者对目前农村农业机械化自动化发展状况进行了分析，从而提出了自己对实现农业自动化的见解。

1 农业机械化、自动化的发展历程

1.1 农业机械化的发展历程

农业的起源是原始的农业时代，人类已经有两百多年的历史，是运用石材和木材进行工作的。史学家认为，农业的发展是在距现在有一万年左右的新石器时代开始的。农业的生产改变了人们的生活状态，在人类的历史上是一个极大的转折点。它更是人类文明进步的体现，是人类历史上的第一次，也是最伟大的革新。

每一个突破性的技术和工具的革新，将推动农业进入一个新台阶、进入一个新的历史时代。在大约五千年前，青铜的冶炼以及青铜器的出现，其后还有铁的冶炼和使用，使金属农具得以大面积的应用，由此引发的种植制度的发展与变革。劳动工具、土地加工、水利浇灌、施肥和土壤的处理方式等历史性的前进，逐渐形成的精耕细作的劳动制度，使得原始农业进一步发展成了传统农业时代。

18世纪种子条播机、脱谷机、收割机等农业机械产品被成功研发并实现了农业作业局部机械化，从此人们开始了解、认识和使用机械产品；19世纪内燃机拖拉机的出现，使得机械动力代替了畜力牵引力，至此农业机械进入快速发展的阶段。

新的农业科技推动了近代农业的快速发展，使现代农业生产方式迅速传播到了世界各地。由于现代的科技信息技术以及先进的工业装备，使现代农业的机械产品出现了多样性和多元化的特点，一批产品结构优越、技术含量高、综合性能强的新产品不断地涌现，从而改变了人们的生产方式。农业机械更好地被人们认识并熟知，也促进了农业机械化的发展以及技术的创新[2-3]。

1.2 农业自动化发展历程

由于历史、技术等等各方面的原因，我国农业机械起步比较晚，技术较为落后，在机械化、自动化等方面远远落后于欧美等发达国家[4]。但是农业科技的进步也推动着我国机械技术的发展。

20世纪70年代中后期，我国技术人员开始对国外农业机械的自动化技术进行研究，其中谷物联合收割机以及拖拉机是最先展开研究的。但由于当时生产能力十分落后，这些关键性技术并没有实际的应用到我国农业机械化生产中去。根据当时国内生产状况，部分技术在小型机械中得到了应用和发展[5]，从而激起了农业管理者对农业自动化更进一步的了解。在这个时期农业机械自动化得到了快速的发展。

20世纪80年代中后期，机电一体化产品首先在我国茶叶机械上研制成功。计算机控制、可编程序控制、在茶叶揉捻机及茶叶烘干机等方面得到了进一步的发展研究。

之后随着改革进程的不断加快，促进了农业经济生产极大地发展。农业经营开始向集团化、规模化、专业化的模式快速的发展，涌现出了各类各样的专业户[6]。这时的农业已经变成了一个新的行业。为了提高产量，降低劳动强度，经营者开始在养殖、耕地、施肥、除草、收获和脱粒等的各个环节使用农业机械。这一转变极大地促进了农业的发展，促进了农用机械向更高的水平迈进[7]。

在1998年我国农业机械制造企业总共有1 641家，其中员工有1 091万人，具有58 822亿元的固定资产原始价值，净资产38 107亿元，工业总产值74 122亿元。其中大中型拖拉机的产台量约为总量的1/10，小型拖拉机约占1/4，农用运输车辆约为3/8，联合收割机产量最少约为1/320，泵约为1/4。这个时期农业机械在农业生产中占有了重要的地位，农民也跟随农业机械的发展走上了致富的道路。

近年来，自动化的研究逐步被人们了解并熟知，自动控制技术在农业机械上的使用也愈来愈多，如计算机技术、微细加工技术、传感器与检测技术、信息处理技术等等在传统的农业机械上得到应用。我国农业部门吸纳了世界各地的农业自动化先进经验，同时也吸取了国外一些国家的先进机械化与自动化技术。有了这些技术，我国农业自动化的装备得到了大幅度的提升和更进一步的发展，逐步形成了一整套适合我国基本国情的具有农业特色的自动化控制技术。

1999年我国黑龙江省农垦总局引进了国外的谷物联合收割机，而且安装了一套精确的农业系统。它是中国第一套精确的农业体系在农机中的使用，其标志着精准农业在中国正式开始实施。

2 中国农业机械化自动化的装备与技术

2.1 自动控制技术及应用

自动控制技术是当前发展最快、影响最大的技术之一，同时也是当今最重要的高技术之一，在农业上主要体现在精准农业的应用中。精准农业是一种最新的农业生产管理模式，它将最新的科学技术运用到传统农业与农业机械装备上，从而更好地展现出了精准农业的优势。新技术包括计算机控制技术、监测技术、定位技术、地理信息技术、传感器技术、专家和决策知识系统等等。[8]相反，传统农业在进行生产信息采集时，就会出现信息传输速度慢，精度差，管理不便的缺点。将现代先进技术与传统农业相结合，把电子技术、通讯技术以及微电子技术应用到传统农业中，从而实现自动化监控和自动化管理。

农业机械自动化向农业智能化的方向不断发展，重心是发展节水、节肥的农业生产模式，更进一步发展精准农业技术体制的自动控制， 实行精准施肥、 精准浇灌，提高水资源和化肥资源的利用率。

发展精准农业就必须重视精准农业设施的发展。精准农业设施主要是对自动控制系统智能化的研究，主要以温室为主，目的是提高农作物的产量和农产品的品质，同样降低生产成本[9]。发展精准农业对农业资源的高效利用和农业环境保护具有十分重要的意义，同样更是农业持续发展的重要途径。在农业自动化的研究领域发展十分迅速的计算机视觉技术是发展精准农业设施的核心。在一些欧美等发达国家在农业计算机视觉方面已经进行多年的研究，农业土质、种质资源的治理、农作物生长状态信息的获得、自动收获农产品、农产品品质的自动判定等技术都已取得了不同程度的进展，如蘑菇采摘机器人的发展，在蘑菇采摘点上，计算机视觉和图像处理和测量技术都得到了应用[10]。

我国对计算机视觉技术的研究也已取得了一定的进展[11]，已经在农业生产和农业现代化方面开始实施应用，但仍处于初级阶段，在一些技术领域仍然落后于欧美发达国家。因此应进一步加强和加快该领域的发展和研究。

我国农业自动化已在设施农业中得到一定的发展，例如温室的自动化控制、机械排灌自动化、农业机械装置自动化等，特别是精准农业设施的发展越来越得到人们的重视。由于计算机技术和机电一体化技术的迅速发展，促使农业机械逐步向自动化、智能化的方向发展。随着智能化技术的研究和发展， 智能机器人将是农业工程发展的重点。农业自动化控制将会不断涌现各种农业机器人和智能化系统，并进一步促进农业自动化控制技术向智能化技术的不断发展。

2.2 远程作业

由于公共网络的普及和认知度的提高，远程控制，远程监控技术基于互联网的平台得到了快速发展，从而形成了从传统的手工方式逐渐向现代远程自动控制的方式过渡的农业管理模式。

农业智能化管理新模式是综合计算机技术、传感器技术、控制技术、通讯技术等一体的一种现代化农业管理系统，它通过运行于监控中心的智能系统，收集、分析农业设施现场有关的信息，如控制水、营养液等重要影响因子，根据农作物生长过程当中的这些关键性的数据，对农作物采取自动化浇灌、排水等的措施[12]，彻底实现足不出户就能对农作物做出实质性的管理；它还可以进行本地监控管理、远程浏览、专家在线视频指导等多项服务，让农业和农业企业的行政部门通过远程视频监控的对农作物或农业产品进行信息统计和动态调配[13]。

2.3 补光灯技术

植物补光灯技术是一种最新的关于促进植物光合作用的科研成果，它是按照植物孕育生长的自然规律，使用灯光取代阳光来提供植物生长发育所需光元素的一种新技术。植物生长灯用于温室中，增补了冬季或阴雨天及日照不够时植物生长所需的光照，帮助蔬果正常生长，可提升产量﹑提高植物抗病防病能力。

种植叶菜利用植物生长灯，可以缩短作物的孕育生长的周期，提升作物的产量，提高作物抗病能力，避免农药的过量使用，并改善叶菜的品质，可以让作物提前5%～15%上市，并增加40%～80%的产量。果菜利用植物生长灯，可提升植株的光合作用利用率，促进作物开花结果，并加快果菜内部干物质的积累，从而进一步改善果菜的品质，并可提前10%～15%上市，增加20%～50%的产量。瓜果设施栽培应用植物生长灯，可提早大约25 d开花、结果，减少病虫害发生，提高坐果率，降低畸形果的比率，并增加瓜果10%～20%的产量，灯光的光线中有丰富的紫外线等瓜果必须的光元素，能够大幅度促进果实成熟，更进一步的提瓜果的品质。花卉利用植物生长灯，可以有效调节花期，使其能够在合适的时间开放；通过稀土光源照射更可以使植株更好地吸收土壤的养分，使其茁壮成长，从而为鲜花增艳，使花农都有更好的收成。在水稻育苗上上的专用植物生长灯，采用稀土三基色荧光粉独特配比的方法，可有效促进水稻根系的茁壮成长，缩短育苗的时间等功效。3 农业自动化新领域的探索

农作物与生长环境等信息的收集以及农业设施的自动化、智能化管理，是设施农业有和传统农业的主要区别之一。农业数据采集与监控系统的核心是通信设施，它将相互连接分散的子系统或具有拥有功能的设备等，最终达成分布式的系统硬件和软件资源的综合管理与控制[14]。根据需要，通信网络采用不同的通讯技术。目前较为常见的有现场总线技术和以太网技术。成为施设农业领域的主要的有线通信技术。亚洲的四国电力集团开发的“Open PLANET”是一个远程控制系统[15]。该系统主要由检测控制部分、数据记录部分、信息收集部分、分散控制器等组成，并可以实现室内的群管理。

此外，日本JICA中心开发的Field Server（现场服务器）系统，可以连接多种传感器。他是基于嵌入式体系的多传感器数据收集设备，微型摄像机的内部整合可以在同一时间采集温度、湿度、辐射和其他环境信息及视频信息，通过TCP/IP协议发送数据到一个中央服务器。Field Server同时集成了web服务平台，用户登录后可以通过IP域服务器查看实时的环境信息和实时图像、视频，服务器可以使用电池供电，具有体积小，低功耗、功能强大的优势，现场安装方便，是目前国际上的精典技术产品之一。

英国开发的一系列的无线通讯设备，适用于分布比较广泛的花园温室种植系统，储藏室的无线霜冻系统和室内入侵自动警报系统，便于携带的无线电视系统，远程洒水系统和室内温度控制调节系统等等。

希腊研发的由计算机系统、气象站系统和营养液控制系统等部分构成温室控制单元系统。该系统与计算机及控制软件相连，可以进行数据采集和处理，还可以用于远程控制。由电气和机械设备，确保环境参数准确、有效地控制温室单元。

美国生产的一种GHC100模型温室控制器，运用低成本通风控制系统实现全方位的温室控制，能够为植物提供一个最佳的生长环境，从而为用户提供了全方位的控制功能。该温室控制器其在前面板的数字设置键，可以让用户进行命令的设置，以及对温室的监控等，并允许用户进行远程监测，数据记录或控制。

4 农业自动化的发展趋势与展望

目前，随着大气污染、全球变暖的逐渐严重化，未来农作物种植、培养将会更加趋于工业模式，将工业生产线的原理应用到农作物的种植、培养上，将会是未来农业的发展趋势。室内农作物的种植面积的不断扩大，更加促进了室内设施的开发和研究，室内环境的精确控制也得到了不同程度的完善，各种技术正在趋于成熟。计算机网络技术由于其信息量大、更新传递速度快、遍及面广等特点将在农业领域越来越广泛地被应用，农作物的培养日益趋于智能化的管理。未来的技术将提供全方位的控制能力，可以实现简单的低成本设施，提供最佳的植物生长环境。远程监测， 数据记录或控制将时刻呈现在电脑或者手机上，人们可以更加方便、更加明了地关注室内作物的实时生长动态，并随时随地对农作物实施各方面的管理。温室远程监控系统将发送一个信号到具有大量传感器的监控管理系统，管理软件将自动完成所有程序，并继续读取传感器的数据，与标准值比较，出现任何异常，系统将会自动的、迅速的呈现在人们的PC机或手机上，便于马上采取措施。远程终端用户系统将自动编程的各种功能，如加热、灌溉、遮光、天窗或施肥等；如果要改变这些参数， 就会测量一些参数， 如风向、风速、空气、温度以及土壤湿度、光照和雨量等；然后系统将存储这些数据，根据变化的数据绘图，并校验监控系统的行为。各种传感器完成湿度和通风温室温度数据的采集，通过控制器来完成自动调整换气扇、湿度控制系统和加热系统实现定时通风、灌溉、补光等农事活动全面自动化。

在未来农业生产的过程中，可以不受外界恶劣环境的影响进行作物的种植，同时将工业生产线的模式贯穿到室内作物的种植上，最大限度地实现智能培育，将农业生产效率提高到最大化。

5 总结

当前现代科学技术发展十分的迅速，自动控制技术正愈来愈被世界大多技术人员所注意，并在农业上广泛应用。未来的农业生产将会是高效率和高精度的机械化、自动化的农业。设施农业和精准农业管理模式必定是农业生产的发展方向，工业生产模式必将取代传统农业的生产方式，同时也将更进一步推进农业机械自动化、智能化的深入研究。

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