农业物联网导论课件 第5章 农业无人化生产

农业无人化生产第5章5.1农业无人机5.2无人农场5.1农业无人机5.1.1无人机的农业应用无人机（UnmannedAerialVehicle，UAV）是一种装备了推进系统、GPS或北斗导航系统、传感器、照相机、可编程控制器的用于自动飞行的设备。农业无人机可以采集精准的农业数据，其功能实现过程包含以下四个环节：（1）指示飞行参数。确定所需监视的区域，把相应的定位信息传输至无人机导航系统。（2）飞行执行。无人机依照先前输入的参数，执行飞行任务，采集所需的农业数据。（3）数据上传。无人机上传其采集的全部数据，进行处理和分析。（4）信息输出。数据经过处理、分析后，传输给农业生产人员，用作管理决策时的参考依据。5.1农业无人机无人机广泛应用于农业领域，具有高精准度、强适应性、灵活操作和高安全性等优势。主要应用包括：（1）农作物播种：无人机大面积、均匀播种，提高播种效率和均匀度，不受地形限制。（2）土壤湿度监测：无人机搭载平台长时间、大范围监测土壤湿度动态变化。（3）农产品生长状况监测：无人机采集农产品照片和光谱数据，分析农产品健康状况和病虫害类型。（4）农药喷洒、施肥：无人机喷洒农药、施肥速度快，覆盖均匀，结合GPS和北斗技术远程操控。（5）农业管理：无人机勘察受灾面积和损害程度，准确测量土地面积，进行农业用地规划。5.1农业无人机5.1.2典型的农业无人机产品大疆创新科技公司于2016年推出精准农业无人机套装，包含经纬M100飞行器、遥控器、可见光和近红外相机等12种产品。该无人机适用于农场经营者、农业研究机构、农业服务单位等，可替代人工巡视农田、水塘、农产品，观察健康指数，并配备农业数据分析平台。图5-1大疆经纬M100飞行器5.1农业无人机大疆MG-1农业植保机配备了八轴动力系统，如图5-2所示，在载荷10kg的情况下其推重比可以达到1:2.2，可防尘、防水、防腐蚀。MG-1农业植保机田间喷洒每小时作业量在40至60亩之间，效率高，大概是人工作业的40倍。图5-2大疆MG-1农业植保机5.1农业无人机守护者-Z10无人机属于零度智控守护者系列，如图5-3所示，其采用了四轴动力系统，设计了多个模块，最高载荷为10kg，单次田间作业面积可达15亩，单次续航时间在15分钟以上。图5-3零度智控守护者-Z105.1农业无人机5.1.3无人机无线传感网络系统（UAV-WSN）无人机无线传感网络系统通过无人机与无线传感网络通信，获取实时监测数据并处理分析。实现方式是在农场应用ZigBee、LoRa或NB-IoT技术构建无线传感网络，并与无人机中的无线传感模块通信。相比常规的4G方案，无人机传输数据更高效且成本更低。图5-4基于ZigBee的无线传感器网络5.1农业无人机无人机获取的数据还可以被保存在SD卡上，以便通过串行端口进行传输，图5-5所示为无人机获取的数据。图5-5无人机获取的数据5.1农业无人机图5-6是无人机无线传感器网络系统示意图。无线传感器网络组合了几十个分别连接到传感器模块的无线传感节点，与配备了一个无线传感节点的无人机进行通信。每个无线传感节点可以覆盖半径为200米～500米的区域，因此几十个节点可以覆盖上千亩的农场。每个传感器模块最多包含10个用于监测土壤和气象信息的传感器，可以监测土壤温度、土壤湿度、土壤肥力、土壤pH、光照、CO2、降雨量、风力等参数。图5-6无人机无线传感器网络系统示意图5.1农业无人机无线传感器网络收集的信息被传输到无人机，接着传输到控制中心进行进一步处理。控制中心的数据平台界面如图5-7所示。图5-7控制中心数据平台界面5.1农业无人机控制中心接收、处理无人机传输的数据后，参照数据合理控制农场的设备完成浇水、施肥等生产作业，图5-8为数据采集与设备控制示意图。图5-8数据采集与设备控制示意图使用无人机无线传感网络系统可以在基站不可用的情况下实现低成本、大范围通信和实时、可靠的数据采集，从而大大提高农业生产效率。当然，此系统也面临着一定的挑战，包括无人机性能的提高、成本与性能之间的平衡、无线通信干扰因素的排除等，在技术尚未成熟的情况下，还需要投入更多的研发工作。5.2无人农场我国农业劳动力紧缺，需改进农业生产模式。物联网、大数据、云计算、人工智能等技术为无人化生产创造条件。无人农场是无人化生产的具体应用，以智能设备取代人力劳作，包括大田、温室、果园、牧场、渔场等应用场景。5.2无人农场5.2.1无人农场生产应用的关键技术1.物联网物联网通过传感器等设备获取信息，运用无线传感器网络传输信息，应用于无人农场实现实时感知、通信等功能。2.大数据与云计算大数据与云计算处理、存储、调用农业数据，驱动装备自主作业，实现对农场的精准管控。3.人工智能人工智能自主判断生产情况，实施生产操作。4.智能装备智能装备通过传感器等技术实现信息感知和自动控制，保障生产活动有序、高效进行。无人农场是农业生产水平提高的产物，将促进农业生产发展，最大程度解放劳动力，推动农业生产方式变革。未来农业将朝着智慧农业、精准农业方向发展，生产无人化趋势会日益明显。5.2无人农场5.2.2物联网与无人农场无人农场通过物联网技术实现生产对象、装备与云管控平台的实时通信，实现农业生产无人化管理。利用传感器、机器视觉、遥感等技术感知动植物生长环境、生命状态、农机运行状态等信息，通过北斗/GPS定位技术获取生产装备的位置信息，实现农业机械装备自行走定位导航服务，同时应用无线传感器网络技术、4G/5G移动通信技术实现信息的实时传输。5.2无人农场1.传感器传感器获取物体信息并将其转换成电信号供后续处理和应用。在无人农场的生产过程中，传感器监测的信息主要包括生产环境信息、生物生长体征信息和农机运行状态信息。（1）环境监测。无人农场涵盖种植、养殖和水产养殖，传感器监测土壤、大气和水环境，数据实时传输至云平台处理，结果指导环境调节装备作业。（2）生物生长体征监测。传感器监测农作物生长过程中的水分含量、叶片厚度和茎秆直径，以及畜禽的脉搏、血压、体温和呼吸等指标。这些数据用于判断农作物的生长状态和畜禽的健康状况，指导无人农场生产。（3）农机运行状态监测。传感器安装在农机关键部位，用于监测农机的运行状态，提高作业精度和效率，延长农机使用寿命。常用的传感器包括应变式、光电式和电感式传感器，检测参数包括牵引力、振动频率、转速等。5.2无人农场2.机器视觉技术机器视觉技术通过智能机器识别外界物体、环境等信息，应用于无人农场生产，提高安全性和智能化水平。在农产品采摘、农作物病虫害监测与防治、农产品质量分级等方面应用机器视觉技术，实现果实的分离、病虫害远程自动识别、农药喷洒以及农产品准确分级。5.2无人农场3.遥感技术遥感技术无需接触物体，远距离监测电磁波信息成像化，具有监测范围广、效率高、无损害、适应性强、结果客观准确等特征。在无人农场中，遥感技术用于监测农作物、病虫害、土壤环境等信息源，获取长势、病虫害情况、土壤墒情等相关信息。根据农作物光谱反射率及其变化规律，判断类型、幼苗发育情况、植株生长形势。遥感技术监测农作物病虫害的光谱特征，但还需考虑地表条件。构建农作物生长模型间接得出土壤含水率，但模型原理复杂，有待优化。遥感技术还可获取杂草的空间位置及其密度信息，区分杂草和农作物，开展除草工作。5.2无人农场4.无线宽带及窄带通信技术无线宽带及窄带通信技术的信息传输媒介是电磁波信号，具有网络建设维护成本低、抗干扰能力强、扩展方便等优点。使用RFID、Wi-Fi、ZigBee、NB-IoT、LoRa、