大數(shù)據(jù)處理下的精準噴灑系統(tǒng)設計

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摘要：基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效，環(huán)保的要求，無人機大面積噴灑已成為農(nóng)業(yè)植保的重點發(fā)展方向。為解決植保機大面積粗放噴灑作業(yè)中施藥不精準、不環(huán)保，現(xiàn)設計基于大數(shù)據(jù)處理的精準噴灑系統(tǒng)。根據(jù)光譜和雷達系統(tǒng)獲取實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機對數(shù)據(jù)分塊處理后，由兩級調(diào)節(jié)噴灑系統(tǒng)進行噴灑農(nóng)藥。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)處理；植保機械；精準噴灑；實時調(diào)控

引言

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

1研究現(xiàn)狀

在我國精準農(nóng)業(yè)起步較晚，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)獲取的基礎設施不夠完善。航空植保，精準變量噴施經(jīng)過幾年醞釀已有長足發(fā)展。植保無人機在空中作業(yè)時，若對病蟲草害密度能夠進行實時數(shù)據(jù)獲取，即可采用空中精準噴灑技術(shù)，進行對特定區(qū)域的“靶向給藥”提高對農(nóng)藥的利用率減少環(huán)境污染。整個無人機系統(tǒng)，對傳感器、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

精準噴施系統(tǒng)主要由四旋翼無人機、光譜及雷達系統(tǒng)、兩級調(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飛機整體平面結(jié)構(gòu)圖。平面利用5G低延時技術(shù)將各獨立系統(tǒng)串聯(lián)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)互通互享，從而實現(xiàn)精準化農(nóng)藥噴灑。1.地形掃描雷達2.載物臺3.藥筒4.離心噴頭5.5G數(shù)傳系統(tǒng)6.光譜相機

2.1四旋翼無人機系統(tǒng)

機翼對稱分布在機體前后，左右四個方向，4個旋翼處于同一高度平面，且4個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，4個電機對稱安裝在飛行器的機架端，電機下方裝有離心噴頭，機架中間空間安放飛控、電子調(diào)速器、動力電池、5G實時通訊模塊和高光譜及可見光相機，機架中間下方掛一個載重7kg級的藥箱，在藥箱上掛有環(huán)形載物平臺，在平臺上掛有一部地形全景掃描雷達、裝有一部變頻調(diào)水泵以及精準閥門系統(tǒng)。無人機除起落架外所有承力結(jié)構(gòu)都采用高強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機載農(nóng)作物可見近紅外反射光譜測試系統(tǒng)。植物中的葉綠素含有豐富的光合信息，通過對農(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)（機載光譜系統(tǒng)實時測定），可判斷病蟲草害不同環(huán)境下作物的葉綠素熒光指標與其他參數(shù)及熒光光譜特征（對冠層溫度、表面的輻照度、葉綠素含量測量）之間的關(guān)系，選用該系統(tǒng)獲取病蟲草害數(shù)據(jù)。雷達系統(tǒng)采用北京金景科技有限公司的BrisightV-Mini系統(tǒng)，該系統(tǒng)設備全重1.6kg，采用16線30°*360°脈沖式掃描以30萬點/秒獲取地形作物數(shù)據(jù)。

2.3兩級調(diào)節(jié)噴灑系統(tǒng)

調(diào)控系統(tǒng)采用兩級。第一級調(diào)控系統(tǒng)由51單片機控制器、壓力傳感器、變頻水泵組成。第一級調(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。第二級精準閥門控制系統(tǒng)如圖2所示，由先導式溢流閥、數(shù)字調(diào)速閥、等量分流閥組成，如圖3。流體經(jīng)過先導式溢流閥后，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，由步進電機控制閥口進行調(diào)速，最后由離心噴頭進行精準噴灑。離心噴頭流量范圍是0.2～0.5L/min，設計流管內(nèi)徑為8mm，各閥門之間管路較短且均圓角過渡，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)速閥進行精準調(diào)控。1.出水口2.等量分流閥3.數(shù)字調(diào)速閥4.先導式溢流閥5.回流口植保機進行噴灑農(nóng)藥時不可避免對同一塊地域進行重復噴灑，造成農(nóng)藥浪費、環(huán)境污染。雙泵雙閥系統(tǒng)可以精準調(diào)節(jié)同向兩噴頭（1、5；7、11）農(nóng)藥流量，對農(nóng)作物進行兩次等量霧化噴灑同時提高農(nóng)作物吸收利用率。與傳統(tǒng)植保機載重10kg藥物完成噴灑作業(yè)的效率進行比較，使用該精準噴灑系統(tǒng)會將噴灑效率提高35%左右，這就使得使用該系統(tǒng)的植保無人機將減下至少30%的藥物攜帶重量，用于精準噴灑系統(tǒng)自身重量。同時農(nóng)作物對農(nóng)藥的利用率也會提高。1.1號噴頭2.1號出水口3.2號出水口4.1號精準閥門系統(tǒng)5.2號噴頭6.1號變頻水泵7.3號噴頭8.3號出水口9.4號出水口10.2號精準閥門系統(tǒng)11.4號噴頭12.2號變頻水泵圖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人機實時回傳的圖像地形數(shù)據(jù)后，用地面基于Hadoop平臺協(xié)同過濾推薦算法，進行實時快速數(shù)據(jù)處理，并且實時反饋到飛機精準噴灑系統(tǒng)中。3結(jié)語精準農(nóng)業(yè)航空包括圖像實時處理技術(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)將成為未來精準施藥農(nóng)業(yè)的研究重點和研究方向。精準施藥是中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設的重要組成部分，隨著相關(guān)制度及配套核心技術(shù)不斷完善發(fā)展，精準施藥必將得到健康、有序和高速發(fā)展。通過航空獲取的大量農(nóng)作物生長信息輔之地面設備將建立起農(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，實現(xiàn)精細化管理。

參考文獻

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作者：張成茂 張立煒 左家樂 單位：臨沂大學