智慧果园养护系统及机械装备设计实践研究_韩吉林.pdf

6 2023 年 8 期摘 要：随着智慧果园的推广，智能机器人替代人工参与到果园的生产全过程也变得日益紧迫，并且现在的大数据、人工智能等技术对智慧果园系统的构建提供了强大的支持。智慧果园系统可以实现精准施肥、喷洒农药等技术，既能减少环境污染的危害，又能节约成本。本文重点讨论智慧果园信息管理平台和多功能的智能作业系统设计和应用实践研究。关键词：智慧果园智能农业；装备系统；智能果园管理平台；智能仿形喷雾机智慧果园养护系统及机械装备设计实践研究韩吉林1 李海涛1 韩令华21、潍坊职业学院 2、峡山正能量培训学校传统的果园在生产过程中需要比较多的劳动力，目前我国的果农老龄化比较严重，劳动力短缺，管理经验不足、生产效率相对低下。智慧果园养护系统及机械装备设计系统提供的是物联网大数据支撑下的解决方案。在果园和桃园设计应用果园养护机械，用全程的智能化机械化管理，比如关键技术是水肥一体化科学管理和病虫害的智慧管理，常用机械包括智能割草机智能变形喷雾机、多功能的采摘机、修剪机。通过智慧果园养护机械设计，提高中国果业生产水平，为振兴农村农业发展奠定了科学基础。经过对比研究发现，应用智慧果园养护生产系统，减少人力成本的48.5%以上，减少农药使用量35%左右，科学减少30%左右肥料，灌溉用水减少65%左右，经济效益出现大幅提升，可以达到30%。智慧果园养护和作业系统大大提高了果农生产技术水平，缓解了劳动力老龄化带来的一系列问题，生态环境得到改善，对于建设美丽农村、大美中国有着非常重要的意义。智慧果园养护系统及机械装备设计实践研究将进一步提高各级果业生产水平，促进我国智慧农业发展走向新高度。大量的人力物力投入是传统果园生产的一大特点，果农的作业强度高、任务繁重复杂。随着老龄化的到来，现在经营果园的农民多数年龄在50周岁以上，其中大部分是初中学历，果园的经验生产面临断层，雇佣人力费用也非常高，生产成本达到了500元/日以上，这些都是迫切需要解决的问题。1智慧果园的关键设计技术智慧果园系统重点包括获取信息部分和数据储存部分，以及执行决策部分，获取信息的重要部件一般有敏感机器人、空天地传感器，实现获取果树信息、土壤信息和气象信息，经过后台大数据人工智能的处理，产生科学的施肥施药决策模型，指导果农完成果树的养护管理和监控作业。智慧果园系统的执行系统设计，主要包括有植物智能机、智能喷药剂、施肥水肥一体化系统，通过智慧果园系统下达作业指令，同时用实时监控系统将作业状态反馈到在线监控系统。笔者根据经验设计了一套智慧果园养护系统及机械装备系统，果树智慧化、标准化作业，这套系统简称沂源红智慧果园，共设十多种病虫害、水肥药肥、要系统传感器与装备，装备了26种机械化能技术支撑的果园智慧农机作业设备，沂源红智慧果园系统主要有前台系统和后台系统两部分组成，后台系统包括智能获取信息系统，水肥一体化监控管理系统、虫害智能监控管理系、智能作业装备系统、智能果园管理平台等。前台系统主要是集成化的作业设备，比如无人机喷洒系统、智能割草系统等，基本实现了果农生产作业过程中的无人化管理的效果。1.1智能果园信息获取系统设计多传感器系统是智慧果园管理作业决策信息获取系统，是前台数据的重要来源。智慧果园系统通过多元信息感应设备获取系统性空-地协同的信息，比传统的单一方法来源的数据要更系统、更科学，避免了错误决策情况的出现。通过植被数据、虫害信息、风向、风速土壤成分等综合信息来决策，建立精准科学的决策模型，是智慧果园智慧系统获取信息的科学保证。本文所提到的智能多源信息获取渠道包括多光谱无人机、地面系统和物联网传感器系统。（1）多光谱无人机的使用。在不同时段进行多光谱无人机的信息获取，形成不同波段航拍图像的数据结果图，重点观测果树植被的生长环境和长势、果树基金项目：本文系潍坊市2021年科学技术发展计划项目“智慧型生态果园生产与管理模式研究”（课题编号：2021ZJ1289）研究成果。DOI:10.15989/ki.hbnjzzs.2023.08.0242023 年 8 期 7营养健康状况、水胁迫等情况。（2）地面系统主要应用情况。通过建设地面站杆系统，实现观测田间信息采集，主要有固定在果园植被的摄像头和智能互联网传感器、通过带光学变焦、夜光的监控探头，观测果树的生长状态，代替人工观察每一株果树的生长和病虫害情况，及时识别和预警。可以设置多元素气象传感系统，24小时不间断地获取天气信息，观测风向、湿度、气压、降温、降水等情况，将系统数据及时传送到智慧果园后台系统，融合其他传感器采集到的信息，为果园的水肥一体化和植被实时保护作业提供科学的数据支撑。（3）设计地面作业信息获取机器人，通过无地面无人机加摄像定位系统和激光雷达系统，实现果园地面无缝隙巡逻和采集信息，激光雷达可以对果树进行识别且能够自主导航，通过摄像头获取树体体积、树冠密度等信息，为植物喷洒农药、果树修剪等提供科学的图像信息支撑。果园地面仰视观察果树树叶、树体，为果树病虫害提供远程和诊断依据。（4）科学利用物联网传感器。在的物联网传感器内容非常的丰富，可以传导、颜色、水分、温度，可以传递土壤营养成分信息，果树的树体和树干间设置可观的物联网传感器，可以实时获取植被信息以及土壤的肥料含量信息，减少人工经验误判，提高果树管理的科学和时效性。1.2施水施肥一体化智能管理系统水肥一体化智能管理系统，实现智慧果园实现水的管理肥的管理自动化，减少人力成本投入，节约用水、科学施肥，降低了果园经营成本。水肥一体化智慧管理系统可以在上述智能信息获取系统的帮助下，收集果树土壤的水肥信息，经过后台数据处理，结合农时和季节状况，为果树提供实时科学的施水和施肥作业。例如，结合物联网数据传感器获得的土壤湿度和水势信息，智慧果园后台系统做出判断，对土壤含水量不足的果树进行精准灌溉。要结合天气数据对未来降雨情况进行科学预测，结合互联网天气预报等情况，实现滴灌和降雨时间相错峰，避免水的浪费。同时考虑到高温天气，避开午间高温滴灌，进一步节约用水和避免高温烫伤，统计综合节约用水可以达到68.5%。1.3果树病虫害智能预判和防治管理系统预防为主、综合防治是我国植物保护的总体方针。智慧果园着重以果树生长状况为核心，通过科学预判和科学防治，实现降低成本和减少污染，提高果树的治愈率，增强果树的寿命和结果坐果能力。在笔者实验中，运用了智能病虫害情报灯、病虫害杀虫灯和虫害信息采集分析系统等设备，能够帮助完成病虫害情况、孢子信息采集和处理，经过传感进行识别与计算，能通过电脑和手机客户端查看病虫害情况。应用天气传感器、多光谱影像灯对病虫害的发生进行提前预测，提前喷洒农药。2智慧果园操作装备系统设计2.1智慧果园操作装备系统概述智慧果园操作装备系统是智慧果园执行果园管理操作的基础，智能果园操作系统的典型特征是现代化远程操作，实现无人化、数学化。网络及无人驾驶技术的发展，为远程调控操作带来了可能，人机分离比传统农机提升了操作者的安全性，一是减少了割草机受伤的可能，二是避免了中暑、中毒的风险。本文研究的智慧果园智能操作装备有自动割草机、智能防冻机器、枝向对靶无人驾驶飞机等。果园需要定期对行间草进行修剪以减少病虫害滋生，起到更好的调节地位温、改善土壤环境等作用，自动驾驶可套机可以自主完成果树间除草作业任务，同时具有直接将草打碎的功能。自动驾驶草机采用油电混合双动力，作业行走动力和续航时间，比纯电动机型有更强的连续性、除草作业效果更好。2.2智能防冻设备花期倒春寒如果持续时间过长会造成花絮冻伤甚至冻死，花期冻害会极大地影响水果产量。智慧果园的防冻设备能够与智能热雾务机相连，通过电热风促进地表空气流通，起到保温的作用，有效减轻倒春寒的危害。2.3枝向对靶无人机该自动驾驶无人机可实现果树的飞行防护作业，对靶飞行模式改变机体结构，更好地调整方向穿透进树林体，和配套的智慧果园平台实现一个后台控制多台飞机，飞机前后装有视频探头，连接后台管理平台，实时远程飞行监控，保证作业质量与安全。2.4智能驾驶的履带喷雾机智能驾驶的履带喷雾机与激光雷达定位系统相互连接，实现了自主规划作业路径，智能识别与自动绕过障碍的功能，同时采用油电驱动，喷头加装电磁阀门，数字化控制农药使用量，及时上传机具的作业操作信息数据，后台操作人员根据作业面积效果进行评估，调整作业方案保证喷雾质量。2.5多功能采摘平台电动升降多功能履带作业平台具有体积小底盘稳定的特点，能实现一台平台多种使用，能够在不同的复杂地形中进行操作，升降伸缩可以调整不同的距离，在疏花、疏果、采摘运输等不同作业操作阶段使用。2.6自动开沟施肥机器在传统果园的管理过程中，人工施肥需要大量的开挖土沟，在灌溉和施肥、追肥时，劳动强度非常大需要人力非常多。同时大水漫灌、开沟施肥周期都非8 2023 年 8 期常的短，每次都需要重新地开挖水土沟，对人力来说是一个非常大的考验，不但耗时还耗费体力。智能自动开沟施肥机器通过远程驾驶和辅助施肥，开沟施肥重心低，操作灵活，实时上传机器的位置等信息，便于后台监控评估作业，减轻劳动力提高效率。3智慧果园后台管理平台果园后台管理平台与前端的物联网传感器、智能农机系统和水肥一体系统等设备相连，平台通过应用接口获取数据，数据进行可视化转换，在管理后台可以随时查看和调整摄像设备，调查传感器历史数据，设置杀虫灯、水肥一体等智能化系统的应用策略，根据历史数据进行科学决策，减少人工决策的偏差。智慧果园后台管理平台可以获取果树生产的信息，通过大数据的可视化平台进行汇总，整合前台农机管理平台数据，实现依据数据自动调度指挥作业机器。例如在果树病虫害预测系统发现病虫害概率较大时，系统会自动调度相应机器进行预防喷药，提前预防大面积的病虫害危害，较好地减少人工投入。智慧果园管理后台与农产品质量溯源系统相连，通过果品质量二维码对果品的生产销售进行追踪。4智能果园养护久作业系统设计应用成果本文谈智慧果园养护机械设备，应用5G支持的物联网大数据等智能化技术，解决果农劳动力短缺、果园生产效率不高的问题，通过构建数字化、全程智能机械化和生态绿色化的果园操作系统，探索出了一条可以复制的智慧果园设计的经验，经过对比研究发现，应用智慧果园养护生产系统，减少人力成本的48.5%以上，减少农药使用量35%左右，科学减少30%左右肥料，灌溉用水减少65%左右，经济效益出现大幅提升，可以达到30%。智慧果园养护和作业系统大大提高了果农生产技术水平，缓解了劳动力老龄化带来的一系列问题，生态环境得到改善，对于建设美丽农村、大美中国有着非常重要的意义。5智慧果园养护系统及机械装备设计的未来尽管本文研究的智慧果园养护和作业系统取得了一定的成效，但本设计离全程自动化、智能、化生产无人化的目标还有差距。（1）智慧果园机械化作业条件不理想，不适合全机械化作业。特别是沂源县是山区，果园地块相对零碎、整体性不够，植物相对比较密集，缺乏智能自动化机械设备在地面的作业通道，同时农机库与果园相距远，转场花费时间多，自动智能系统的效率不高，带来不必要的电能损耗，影响了智能果园养护系统设计的推广和使用。（2）收集系统借鉴应用了农业生产过程中的智能设备，对果园系统特定的机械化智能装备不足，没有实现针对果园的特别设计的智能系统，现有的设计基于现代汽车行业自动驾驶为基础，是应用于高速作业框架的系统，没有针对中国果园应用的速度低、载重量相对大、爬坡性能强的专用设备；本设计中的设备功能相对独立、不成体系，后台的管理提出了一定的要求，制约了系统化的操作和监控。在今后的设计过程当中，要加强自主化设计的、更加完整灵活、系统地适用于果园作业的自主研发的智能设备，将这些设备应用到智慧果园养护和作业系统设计中。（3）本设计中的传感器缺乏自主研发型，各类传感器有不同的厂家提供，传感器的通信格式、监控后台需要不同软件，要监控和作业工作量加大，同时容易产生故障，不利于各操作平台和机械之间的融合统一。建议在政府职能部门带动下加大和鼓励对自主传感器研发的力度，为我国智慧农业生产提供信息化保障。（4）智慧果园维护和作业系统所设计的前台设备和后台系统连接不够紧密，基本应用模式为单一的智能机械应用，缺乏跨系统、跨设备融合使用的参数，还没有达到设备之间的通用性。为提高果园智能机械作业的科学度和精准度，未来的智慧果园养护和作业系统设计师时，需要建立更多的参照数据库，建立丰富的果园作物生长模型，指导智慧果园维护和作业规划，同时对智慧果园维护和作业系统进行更加完整的效益数据对比，真正实现智慧果园养护和作业系统的系统化，进一步提升农民的经济社会效益。6结语综上所述，运用信息技术指挥指导智慧果园建设，是现代化数字化社会的必然要求。作者通过实践研究，智慧果园养护和作业机械设备的设计方案，通过后台果园系统和前台的农机作业设备，初步构建了适合本土的智慧果园养护和作业智能系统，经过对比发现其中的经济效益得到了非常大的提升。同时作者也发现了本系统设计存在着一些不足，需要在今后的设计中不断改进，进一步提升智慧果园的系统性和智慧性程度，突出研究一批针对果园实践应用的设备，系统应用到智慧果园养护和作业中来，全面提升智慧果园的实践效益。参考文献：1束美艳,李世林,魏家玺,等.基于无人机平台的柑橘树冠信息提取J.农业工程学报,2021,37(01):68-76.2 李 海,李 谊 骏,陈 诗 果,等.苹 果 树 病 虫 害智 能 识 别 系 统 设 计 与 实 现 J .科 学 技 术 与 工程,2021,21(25):10639-10645.3潘明,张丽慧,黄晓财,等.空天地一体化智慧果园平台设计与应用J.现代农业装备,2021,42(04):43-47.4袁鹏成,李秋洁,邓贤,等.基于LiDAR地对靶喷雾实时控制系统设计与试验J.农业机械学报,2020,51(S1):273-280.