基于物联网的农田喷洒自动控制系统研究

张晴晴 齐国红 徐庚

摘  要：随着物联网信息技术的发展，物联网技术成为现代化农业生产的主要驱动力，农田农药喷洒又是提高作物产量的重要方式。为提高工作效率，本文提出了以物联网的基本原理和体系结构为基础的采用节能型思维方式解决当前大面积喷洒农药的自动控制体系，重点研究物联网架构和自动控制系统的实现过程，取得了很好的效果。

关键词：物联网;农田喷洒;自动控制

中图分类号：S275                                             文献标识码：A                                              DOI：10.11974/nyyjs.20180932005

1     研究背景和意义

物联网（Internet of things）这一概念早在20世纪初就被提出，它是借助计算机互联网技术，参照互联网、RFID技术和EPC标准，并利用射频识别技术和无线数据通信技术构造出实现全球物品信息实时共享的实物物联网[1，2]。作为信息产业发展的第3次浪潮，物联网在我国也受到了极为广泛的关注。物联网技术在农业中的应用也很广泛，已成为加快农业现代化的重要途径。基于物联网的农田喷洒农业技术可以代替人来进行农药喷洒，从而节省人力物力，大大提高效率，增加农田产量[3，4]。

当前，大部分农田喷洒农药采用无人机大面积的遍喷作业，这样做既浪费农药又浪费飞机燃油[5]。如果能准确找到病虫害的发生部位，将信息传递给无人机，无人机接到信号后直接飞到病虫害的中心定点喷洒，这样可以及时消灭病虫并将农药喷洒区间控制在最小范围以内，防止未发生病虫害区域沾上不该有的农药，同时避免大面积作业带来的不必要的农药和飞机燃油的浪费[6，7]。

2     系统的总体方案

本文以物联网技术为基础，提出了无人机喷洒农田的自动控制系统。整体方案以物联网架构为基础，先通过检测系统检测到病虫害信号，再将信号通过网络传递给控制中心和执行任务的无人飞机，无人机按信号巡航有目的地完成预先设好的农药量的喷洒，构成一个完整的自动控制系统[9]。整个系统如图1所示。

2.1     具体實现过程

要到病虫害的可能发生地布放传感器，传感器主要是检测地质的酸碱度的pH值。有病害和虫害发生的地方会表现出土质的酸碱度的不同。土壤的pH值过低，会使土壤阳离子交换量变低，容易造成作物缺钙缺镁，增加生理性病害的发生几率，此外，也会使土壤滋生真菌、细菌和病菌，易造成根肿病、黄萎病和青枯病等病害的发生。传感器和微波发生器做成一体，按照网格状分布在根据经验容易发生病害和虫害的地方。

当有病害和虫害发生时，传感器会检测到超出正常范围的pH值，就会有信号产生，此信号经过处理放大并驱动一体盒子中的信号发生器工作，发出了微波信号（或无线信号），这个信号包含了发出地的标号（坐标），病害和虫害的种类，以及严重的程度等级（N级），图2显示了传感器信号到发生器信号的过程。

无人机管理站接收到这个信号，经过判断接收到的相关信息，指挥带有相针对相应病害和虫害农药的无人机抵达目的地开始喷洒农药，喷洒的范围是以此监测点为中心，以相邻2个监测点为半径，喷洒完毕返回站内。无人机的飞行轨迹可以预先设定，也可参考遥控，其所装载的农药量和喷洒量是预先经过计算好的，图3显示了无人机喷洒农药的过程。

2.2     控制算法的选取

从接到信号到确定喷洒方案的控制算法，采用模糊算法，其实现过程：设定模糊状态及其描述词汇，模糊控制器包括4部分。

2.2.1     模糊化

将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，根据适合的语言值（linguistic value）求该值相对的隶属度，此口语化变量称为模糊子集合（fuzzy subsets）。具体来讲就是将从农田里获得的pH值分成若干个等级，其中，精确一点的分为5个等级，粗略一点的分为3个等级，因此其模糊子集合可以有5个或3个来表示病虫害的程度和危害度。如：U={甲，乙，丙，丁，戊}或U={A，B，C}。

2.2.2     规则库

根据人类专家的经验建立模糊规则库。模糊规则库包含众多控制规则，是从实际控制经验过渡到模糊控制器的关键步骤。这里要用到病虫害专家得出的经验库，pH值在什么范围应该是什么样的危害，会带来什么样的后果。

2.2.3     模糊推理

主要实现基于知识的推理决策。基于前面所测得的pH值，根据专家的经验应该采取什么样的措施，采用何种药物以及剂量选择。

2.2.4     解模糊化（defuzzify）

将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，主要作用是将推理得到的控制量转化为控制输出。按照专家的推断和建议，将应该加的农药种类和浓度以及用量添加到将要执行任务的无人机上。根据指令飞往目的地进行喷洒操作。根据专家库的推论，当其pH值很大的时候，意味着病虫害很严峻，喷药量要很大，具体的数字要有专家库给出，然后依次随着pH值得减小，减小喷药量。其软件流程图如4所示。

3     总结和展望

本文研究了基于物联网技术实现无人机对农田的定点农药喷洒，实现过程中仍存一些问题有待优化。目前待优化主要表现在2个方面：专家库的优化问题，需提供多样化种类。这样可以在病虫害的种类和用药量方面做得更为多样和精准;机器人的定点喷洒技术需要进一步提高，无人飞机的准确定位借助辅助的遥控以确保定位的准确性，但要更准确定位则需要GPS通讯系统的介入，这2方面将是近阶段研究的重点。

参考文献

[1]王连胜，夏冬艳，汪源，等.物联网技术在现代农业节水灌溉中的应用研究[J].科技与创新，2018（3）：48-51.

[2]田宏武，郑文刚，李寒.大田农业节水物联网技术应用现状与发展趋势[J].农业工程学报，2016（21）：1-12.

[3]赵静，喻晓红，黄波，等.物联网的结构体系与发展[J].通信技术，2010（9）：106-108.

[4]黄伟，宋良图，武民民，等.面向农业的无线传感器网络应用及相关问题[J].自动化与仪器仪表，2008（6）：52-54.

[5]李德旺，许春雨，宋建成.现代农业智能灌溉技术的研究现状与展望[J].江苏农业科学，2017（17）：27-31.

[6]宋艳，黄留锁.农业土壤含水率监测及灌溉系统研究——基于物联网模式[J].农机化研究，2017（4）：237-240.

[7]林玉丽.基于物联网数据的冬小麦精确灌溉决策系统研发[D].山东农业大学，2016.

[8]史超.物联网技术在农业信息化建设中的应用[J].信息化建设，2016（4）：87.