農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論課件 第5章 農(nóng)業(yè)無人化生產(chǎn)

農(nóng)業(yè)無人化生產(chǎn)第5章5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)5.2無人農(nóng)場5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)5.1.1無人機(jī)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用無人機(jī)（UnmannedAerialVehicle，UAV）是一種裝備了推進(jìn)系統(tǒng)、GPS或北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器、照相機(jī)、可編程控制器的用于自動飛行的設(shè)備。農(nóng)業(yè)無人機(jī)可以采集精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，其功能實(shí)現(xiàn)過程包含以下四個環(huán)節(jié)：（1）指示飛行參數(shù)。確定所需監(jiān)視的區(qū)域，把相應(yīng)的定位信息傳輸至無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。（2）飛行執(zhí)行。無人機(jī)依照先前輸入的參數(shù)，執(zhí)行飛行任務(wù)，采集所需的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)上傳。無人機(jī)上傳其采集的全部數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和分析。（4）信息輸出。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、分析后，傳輸給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員，用作管理決策時的參考依據(jù)。5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)無人機(jī)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，具有高精準(zhǔn)度、強(qiáng)適應(yīng)性、靈活操作和高安全性等優(yōu)勢。主要應(yīng)用包括：（1）農(nóng)作物播種：無人機(jī)大面積、均勻播種，提高播種效率和均勻度，不受地形限制。（2）土壤濕度監(jiān)測：無人機(jī)搭載平臺長時間、大范圍監(jiān)測土壤濕度動態(tài)變化。（3）農(nóng)產(chǎn)品生長狀況監(jiān)測：無人機(jī)采集農(nóng)產(chǎn)品照片和光譜數(shù)據(jù)，分析農(nóng)產(chǎn)品健康狀況和病蟲害類型。（4）農(nóng)藥噴灑、施肥：無人機(jī)噴灑農(nóng)藥、施肥速度快，覆蓋均勻，結(jié)合GPS和北斗技術(shù)遠(yuǎn)程操控。（5）農(nóng)業(yè)管理：無人機(jī)勘察受災(zāi)面積和損害程度，準(zhǔn)確測量土地面積，進(jìn)行農(nóng)業(yè)用地規(guī)劃。5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)5.1.2典型的農(nóng)業(yè)無人機(jī)產(chǎn)品大疆創(chuàng)新科技公司于2016年推出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)無人機(jī)套裝，包含經(jīng)緯M100飛行器、遙控器、可見光和近紅外相機(jī)等12種產(chǎn)品。該無人機(jī)適用于農(nóng)場經(jīng)營者、農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)、農(nóng)業(yè)服務(wù)單位等，可替代人工巡視農(nóng)田、水塘、農(nóng)產(chǎn)品，觀察健康指數(shù)，并配備農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析平臺。圖5-1大疆經(jīng)緯M100飛行器5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)大疆MG-1農(nóng)業(yè)植保機(jī)配備了八軸動力系統(tǒng)，如圖5-2所示，在載荷10kg的情況下其推重比可以達(dá)到1:2.2，可防塵、防水、防腐蝕。MG-1農(nóng)業(yè)植保機(jī)田間噴灑每小時作業(yè)量在40至60畝之間，效率高，大概是人工作業(yè)的40倍。圖5-2大疆MG-1農(nóng)業(yè)植保機(jī)5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)守護(hù)者-Z10無人機(jī)屬于零度智控守護(hù)者系列，如圖5-3所示，其采用了四軸動力系統(tǒng)，設(shè)計了多個模塊，最高載荷為10kg，單次田間作業(yè)面積可達(dá)15畝，單次續(xù)航時間在15分鐘以上。圖5-3零度智控守護(hù)者-Z105.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)5.1.3無人機(jī)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（UAV-WSN）無人機(jī)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過無人機(jī)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信，獲取實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)并處理分析。實(shí)現(xiàn)方式是在農(nóng)場應(yīng)用ZigBee、LoRa或NB-IoT技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并與無人機(jī)中的無線傳感模塊通信。相比常規(guī)的4G方案，無人機(jī)傳輸數(shù)據(jù)更高效且成本更低。圖5-4基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)還可以被保存在SD卡上，以便通過串行端口進(jìn)行傳輸，圖5-5所示為無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)。圖5-5無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)圖5-6是無人機(jī)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組合了幾十個分別連接到傳感器模塊的無線傳感節(jié)點(diǎn)，與配備了一個無線傳感節(jié)點(diǎn)的無人機(jī)進(jìn)行通信。每個無線傳感節(jié)點(diǎn)可以覆蓋半徑為200米～500米的區(qū)域，因此幾十個節(jié)點(diǎn)可以覆蓋上千畝的農(nóng)場。每個傳感器模塊最多包含10個用于監(jiān)測土壤和氣象信息的傳感器，可以監(jiān)測土壤溫度、土壤濕度、土壤肥力、土壤pH、光照、CO2、降雨量、風(fēng)力等參數(shù)。圖5-6無人機(jī)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信息被傳輸?shù)綗o人機(jī)，接著傳輸?shù)娇刂浦行倪M(jìn)行進(jìn)一步處理?？刂浦行牡臄?shù)據(jù)平臺界面如圖5-7所示。圖5-7控制中心數(shù)據(jù)平臺界面5.1農(nóng)業(yè)無人機(jī)控制中心接收、處理無人機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，參照數(shù)據(jù)合理控制農(nóng)場的設(shè)備完成澆水、施肥等生產(chǎn)作業(yè)，圖5-8為數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制示意圖。圖5-8數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制示意圖使用無人機(jī)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在基站不可用的情況下實(shí)現(xiàn)低成本、大范圍通信和實(shí)時、可靠的數(shù)據(jù)采集，從而大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。當(dāng)然，此系統(tǒng)也面臨著一定的挑戰(zhàn)，包括無人機(jī)性能的提高、成本與性能之間的平衡、無線通信干擾因素的排除等，在技術(shù)尚未成熟的情況下，還需要投入更多的研發(fā)工作。5.2無人農(nóng)場我國農(nóng)業(yè)勞動力緊缺，需改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)為無人化生產(chǎn)創(chuàng)造條件。無人農(nóng)場是無人化生產(chǎn)的具體應(yīng)用，以智能設(shè)備取代人力勞作，包括大田、溫室、果園、牧場、漁場等應(yīng)用場景。5.2無人農(nóng)場5.2.1無人農(nóng)場生產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)1.物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器等設(shè)備獲取信息，運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，應(yīng)用于無人農(nóng)場實(shí)現(xiàn)實(shí)時感知、通信等功能。2.大數(shù)據(jù)與云計算大數(shù)據(jù)與云計算處理、存儲、調(diào)用農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，驅(qū)動裝備自主作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)場的精準(zhǔn)管控。3.人工智能人工智能自主判斷生產(chǎn)情況，實(shí)施生產(chǎn)操作。4.智能裝備智能裝備通過傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息感知和自動控制，保障生產(chǎn)活動有序、高效進(jìn)行。無人農(nóng)場是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平提高的產(chǎn)物，將促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，最大程度解放勞動力，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式變革。未來農(nóng)業(yè)將朝著智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，生產(chǎn)無人化趨勢會日益明顯。5.2無人農(nóng)場5.2.2物聯(lián)網(wǎng)與無人農(nóng)場無人農(nóng)場通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)對象、裝備與云管控平臺的實(shí)時通信，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無人化管理。利用傳感器、機(jī)器視覺、遙感等技術(shù)感知動植物生長環(huán)境、生命狀態(tài)、農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息，通過北斗/GPS定位技術(shù)獲取生產(chǎn)裝備的位置信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備自行走定位導(dǎo)航服務(wù)，同時應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、4G/5G移動通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時傳輸。5.2無人農(nóng)場1.傳感器傳感器獲取物體信息并將其轉(zhuǎn)換成電信號供后續(xù)處理和應(yīng)用。在無人農(nóng)場的生產(chǎn)過程中，傳感器監(jiān)測的信息主要包括生產(chǎn)環(huán)境信息、生物生長體征信息和農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息。（1）環(huán)境監(jiān)測。無人農(nóng)場涵蓋種植、養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖，傳感器監(jiān)測土壤、大氣和水環(huán)境，數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至云平臺處理，結(jié)果指導(dǎo)環(huán)境調(diào)節(jié)裝備作業(yè)。（2）生物生長體征監(jiān)測。傳感器監(jiān)測農(nóng)作物生長過程中的水分含量、葉片厚度和莖稈直徑，以及畜禽的脈搏、血壓、體溫和呼吸等指標(biāo)。這些數(shù)據(jù)用于判斷農(nóng)作物的生長狀態(tài)和畜禽的健康狀況，指導(dǎo)無人農(nóng)場生產(chǎn)。（3）農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。傳感器安裝在農(nóng)機(jī)關(guān)鍵部位，用于監(jiān)測農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提高作業(yè)精度和效率，延長農(nóng)機(jī)使用壽命。常用的傳感器包括應(yīng)變式、光電式和電感式傳感器，檢測參數(shù)包括牽引力、振動頻率、轉(zhuǎn)速等。5.2無人農(nóng)場2.機(jī)器視覺技術(shù)機(jī)器視覺技術(shù)通過智能機(jī)器識別外界物體、環(huán)境等信息，應(yīng)用于無人農(nóng)場生產(chǎn)，提高安全性和智能化水平。在農(nóng)產(chǎn)品采摘、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測與防治、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量分級等方面應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的分離、病蟲害遠(yuǎn)程自動識別、農(nóng)藥噴灑以及農(nóng)產(chǎn)品準(zhǔn)確分級。5.2無人農(nóng)場3.遙感技術(shù)遙感技術(shù)無需接觸物體，遠(yuǎn)距離監(jiān)測電磁波信息成像化，具有監(jiān)測范圍廣、效率高、無損害、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)果客觀準(zhǔn)確等特征。在無人農(nóng)場中，遙感技術(shù)用于監(jiān)測農(nóng)作物、病蟲害、土壤環(huán)境等信息源，獲取長勢、病蟲害情況、土壤墑情等相關(guān)信息。根據(jù)農(nóng)作物光譜反射率及其變化規(guī)律，判斷類型、幼苗發(fā)育情況、植株生長形勢。遙感技術(shù)監(jiān)測農(nóng)作物病蟲害的光譜特征，但還需考慮地表?xiàng)l件。構(gòu)建農(nóng)作物生長模型間接得出土壤含水率，但模型原理復(fù)雜，有待優(yōu)化。遙感技術(shù)還可獲取雜草的空間位置及其密度信息，區(qū)分雜草和農(nóng)作物，開展除草工作。5.2無人農(nóng)場4.無線寬帶及窄帶通信技術(shù)無線寬帶及窄帶通信技術(shù)的信息傳輸媒介是電磁波信號，具有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護(hù)成本低、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。使用RFID、Wi-Fi、ZigBee、NB-IoT、LoRa、