大數(shù)據(jù)處理下的精準(zhǔn)噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效，環(huán)保的要求，無(wú)人機(jī)大面積噴灑已成為農(nóng)業(yè)植保的重點(diǎn)發(fā)展方向。為解決植保機(jī)大面積粗放噴灑作業(yè)中施藥不精準(zhǔn)、不環(huán)保，現(xiàn)設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)處理的精準(zhǔn)噴灑系統(tǒng)。根據(jù)光譜和雷達(dá)系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分塊處理后，由兩級(jí)調(diào)節(jié)噴灑系統(tǒng)進(jìn)行噴灑農(nóng)藥。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)處理；植保機(jī)械；精準(zhǔn)噴灑；實(shí)時(shí)調(diào)控

引言

我國(guó)地形多樣，疆域廣闊，病蟲(chóng)草害作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要影響因素，目前采用藥物噴灑進(jìn)行防治仍是主流。植保機(jī)的出現(xiàn)給現(xiàn)代農(nóng)藥噴灑帶來(lái)便捷，提高效率，但研究表明，利用植保機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑有效率僅為30%。為此研究新型植保設(shè)備成為當(dāng)前重點(diǎn)。

1研究現(xiàn)狀

在我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)起步較晚，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善。航空植保，精準(zhǔn)變量噴施經(jīng)過(guò)幾年醞釀已有長(zhǎng)足發(fā)展。植保無(wú)人機(jī)在空中作業(yè)時(shí)，若對(duì)病蟲(chóng)草害密度能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取，即可采用空中精準(zhǔn)噴灑技術(shù)，進(jìn)行對(duì)特定區(qū)域的“靶向給藥”提高對(duì)農(nóng)藥的利用率減少環(huán)境污染。整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，對(duì)傳感器、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、處理器性能，都提出了較高的要求。在作業(yè)中，病蟲(chóng)草害密度數(shù)據(jù)鏈的傳輸與處理成為關(guān)鍵。

2系統(tǒng)組成

精準(zhǔn)噴施系統(tǒng)主要由四旋翼無(wú)人機(jī)、光譜及雷達(dá)系統(tǒng)、兩級(jí)調(diào)節(jié)噴灑系統(tǒng)、圖像地形大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四大部分組成。如圖1飛機(jī)整體平面結(jié)構(gòu)圖。平面利用5G低延時(shí)技術(shù)將各獨(dú)立系統(tǒng)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)互通互享，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化農(nóng)藥噴灑。1.地形掃描雷達(dá)2.載物臺(tái)3.藥筒4.離心噴頭5.5G數(shù)傳系統(tǒng)6.光譜相機(jī)

2.1四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

機(jī)翼對(duì)稱(chēng)分布在機(jī)體前后，左右四個(gè)方向，4個(gè)旋翼處于同一高度平面，且4個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，4個(gè)電機(jī)對(duì)稱(chēng)安裝在飛行器的機(jī)架端，電機(jī)下方裝有離心噴頭，機(jī)架中間空間安放飛控、電子調(diào)速器、動(dòng)力電池、5G實(shí)時(shí)通訊模塊和高光譜及可見(jiàn)光相機(jī)，機(jī)架中間下方掛一個(gè)載重7kg級(jí)的藥箱，在藥箱上掛有環(huán)形載物平臺(tái)，在平臺(tái)上掛有一部地形全景掃描雷達(dá)、裝有一部變頻調(diào)水泵以及精準(zhǔn)閥門(mén)系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)除起落架外所有承力結(jié)構(gòu)都采用高強(qiáng)度碳纖維作為制造材料。起落架采用4mm空心鋁合金管為材料。

2.2光譜及雷達(dá)系統(tǒng)

光譜系統(tǒng)為四川雙利合譜科技有限公司的GaiaSky-Vis&Nir機(jī)載農(nóng)作物可見(jiàn)近紅外反射光譜測(cè)試系統(tǒng)。植物中的葉綠素含有豐富的光合信息，通過(guò)對(duì)農(nóng)作物內(nèi)葉綠素信息的提取，再結(jié)合葉綠素的生化參數(shù)、熒光參數(shù)（機(jī)載光譜系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)定），可判斷病蟲(chóng)草害不同環(huán)境下作物的葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)與其他參數(shù)及熒光光譜特征（對(duì)冠層溫度、表面的輻照度、葉綠素含量測(cè)量）之間的關(guān)系，選用該系統(tǒng)獲取病蟲(chóng)草害數(shù)據(jù)。雷達(dá)系統(tǒng)采用北京金景科技有限公司的BrisightV-Mini系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)備全重1.6kg，采用16線(xiàn)30°*360°脈沖式掃描以30萬(wàn)點(diǎn)/秒獲取地形作物數(shù)據(jù)。

2.3兩級(jí)調(diào)節(jié)噴灑系統(tǒng)

調(diào)控系統(tǒng)采用兩級(jí)。第一級(jí)調(diào)控系統(tǒng)由51單片機(jī)控制器、壓力傳感器、變頻水泵組成。第一級(jí)調(diào)控系統(tǒng)主要是利用壓力傳感器獲取數(shù)據(jù)，由控制器調(diào)節(jié)變頻水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證流入數(shù)字調(diào)速閥的壓力恒定，以穩(wěn)定管路液體壓力。第二級(jí)精準(zhǔn)閥門(mén)控制系統(tǒng)如圖2所示，由先導(dǎo)式溢流閥、數(shù)字調(diào)速閥、等量分流閥組成，如圖3。流體經(jīng)過(guò)先導(dǎo)式溢流閥后，管路壓力恒定輸出到數(shù)字調(diào)速閥，經(jīng)地面大數(shù)據(jù)處理后得到噴頭所需流量，由步進(jìn)電機(jī)控制閥口進(jìn)行調(diào)速，最后由離心噴頭進(jìn)行精準(zhǔn)噴灑。離心噴頭流量范圍是0.2～0.5L/min，設(shè)計(jì)流管內(nèi)徑為8mm，各閥門(mén)之間管路較短且均圓角過(guò)渡，忽略沿程損失和局部損失，根據(jù)連續(xù)性方程A1*V1=A2*V2=Q，求得主管管路內(nèi)流速范圍為1.326～3.316dm/s。能夠由由調(diào)速閥進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。1.出水口2.等量分流閥3.數(shù)字調(diào)速閥4.先導(dǎo)式溢流閥5.回流口植保機(jī)進(jìn)行噴灑農(nóng)藥時(shí)不可避免對(duì)同一塊地域進(jìn)行重復(fù)噴灑，造成農(nóng)藥浪費(fèi)、環(huán)境污染。雙泵雙閥系統(tǒng)可以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)同向兩噴頭（1、5；7、11）農(nóng)藥流量，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行兩次等量霧化噴灑同時(shí)提高農(nóng)作物吸收利用率。與傳統(tǒng)植保機(jī)載重10kg藥物完成噴灑作業(yè)的效率進(jìn)行比較，使用該精準(zhǔn)噴灑系統(tǒng)會(huì)將噴灑效率提高35%左右，這就使得使用該系統(tǒng)的植保無(wú)人機(jī)將減下至少30%的藥物攜帶重量，用于精準(zhǔn)噴灑系統(tǒng)自身重量。同時(shí)農(nóng)作物對(duì)農(nóng)藥的利用率也會(huì)提高。1.1號(hào)噴頭2.1號(hào)出水口3.2號(hào)出水口4.1號(hào)精準(zhǔn)閥門(mén)系統(tǒng)5.2號(hào)噴頭6.1號(hào)變頻水泵7.3號(hào)噴頭8.3號(hào)出水口9.4號(hào)出水口10.2號(hào)精準(zhǔn)閥門(mén)系統(tǒng)11.4號(hào)噴頭12.2號(hào)變頻水泵圖3噴灑結(jié)構(gòu)分布圖

2.4圖像地形大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

地面基站接收到植保無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)回傳的圖像地形數(shù)據(jù)后，用地面基于Hadoop平臺(tái)協(xié)同過(guò)濾推薦算法，進(jìn)行實(shí)時(shí)快速數(shù)據(jù)處理，并且實(shí)時(shí)反饋到飛機(jī)精準(zhǔn)噴灑系統(tǒng)中。3結(jié)語(yǔ)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空包括圖像實(shí)時(shí)處理技術(shù)、變量噴施技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、空間遙感定位技術(shù)。這四大技術(shù)將成為未來(lái)精準(zhǔn)施藥農(nóng)業(yè)的研究重點(diǎn)和研究方向。精準(zhǔn)施藥是中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的重要組成部分，隨著相關(guān)制度及配套核心技術(shù)不斷完善發(fā)展，精準(zhǔn)施藥必將得到健康、有序和高速發(fā)展。通過(guò)航空獲取的大量農(nóng)作物生長(zhǎng)信息輔之地面設(shè)備將建立起農(nóng)業(yè)數(shù)字化體系，智慧農(nóng)業(yè)管理將有數(shù)據(jù)作為依靠，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

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作者：張成茂 張立煒 左家樂(lè) 單位：臨沂大學(xué)