大數據處理下的精準噴灑系統設計

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摘要：基于現代農業高效，環保的要求，無人機大面積噴灑已成為農業植保的重點發展方向。為解決植保機大面積粗放噴灑作業中施藥不精準、不環保，現設計基于大數據處理的精準噴灑系統。根據光譜和雷達系統獲取實時數據，經過計算機對數據分塊處理后，由兩級調節噴灑系統進行噴灑農藥。

關鍵詞：大數據處理；植保機械；精準噴灑；實時調控

引言

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

1研究現狀

在我國精準農業起步較晚，農業大數據獲取的基礎設施不夠完善。航空植保，精準變量噴施經過幾年醞釀已有長足發展。植保無人機在空中作業時，若對病蟲草害密度能夠進行實時數據獲取，即可采用空中精準噴灑技術，進行對特定區域的“靶向給藥”提高對農藥的利用率減少環境污染。整個無人機系統，對傳感器、控制系統、數據傳輸系統、處理器性能，都提出了較高的要求。在作業中，病蟲草害密度數據鏈的傳輸與處理成為關鍵。

2系統組成

精準噴施系統主要由四旋翼無人機、光譜及雷達系統、兩級調節噴灑系統、圖像地形大數據處理系統四大部分組成。如圖1飛機整體平面結構圖。平面利用5G低延時技術將各獨立系統串聯，實現大數據互通互享，從而實現精準化農藥噴灑。1.地形掃描雷達2.載物臺3.藥筒4.離心噴頭5.5G數傳系統6.光譜相機

2.1四旋翼無人機系統

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個旋翼的結構和半徑都相同，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、裝有一部變頻調水泵以及精準閥門系統。無人機除起落架外所有承力結構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

光譜系統為四川雙利合譜科技有限公司的GaiaSky-Vis&Nir機載農作物可見近紅外反射光譜測試系統。植物中的葉綠素含有豐富的光合信息，通過對農作物內葉綠素信息的提取，再結合葉綠素的生化參數、熒光參數（機載光譜系統實時測定），可判斷病蟲草害不同環境下作物的葉綠素熒光指標與其他參數及熒光光譜特征（對冠層溫度、表面的輻照度、葉綠素含量測量）之間的關系，選用該系統獲取病蟲草害數據。雷達系統采用北京金景科技有限公司的BrisightV-Mini系統，該系統設備全重1.6kg，采用16線30°*360°脈沖式掃描以30萬點/秒獲取地形作物數據。

2.3兩級調節噴灑系統

調控系統采用兩級。第一級調控系統由51單片機控制器、壓力傳感器、變頻水泵組成。第一級調控系統主要是利用壓力傳感器獲取數據，由控制器調節變頻水泵的電機轉速，以保證流入數字調速閥的壓力恒定，以穩定管路液體壓力。第二級精準閥門控制系統如圖2所示，由先導式溢流閥、數字調速閥、等量分流閥組成，如圖3。流體經過先導式溢流閥后，管路壓力恒定輸出到數字調速閥，經地面大數據處理后得到噴頭所需流量，由步進電機控制閥口進行調速，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，根據連續性方程A1*V1=A2*V2=Q，求得主管管路內流速范圍為1.326～3.316dm/s。能夠由由調速閥進行精準調控。1.出水口2.等量分流閥3.數字調速閥4.先導式溢流閥5.回流口植保機進行噴灑農藥時不可避免對同一塊地域進行重復噴灑，造成農藥浪費、環境污染。雙泵雙閥系統可以精準調節同向兩噴頭（1、5；7、11）農藥流量，對農作物進行兩次等量霧化噴灑同時提高農作物吸收利用率。與傳統植保機載重10kg藥物完成噴灑作業的效率進行比較，使用該精準噴灑系統會將噴灑效率提高35%左右，這就使得使用該系統的植保無人機將減下至少30%的藥物攜帶重量，用于精準噴灑系統自身重量。同時農作物對農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11.4號噴頭12.2號變頻水泵圖3噴灑結構分布圖

2.4圖像地形大數據處理系統

地面基站接收到植保無人機實時回傳的圖像地形數據后，用地面基于Hadoop平臺協同過濾推薦算法，進行實時快速數據處理，并且實時反饋到飛機精準噴灑系統中。3結語精準農業航空包括圖像實時處理技術、變量噴施技術、大數據處理技術、空間遙感定位技術。這四大技術將成為未來精準施藥農業的研究重點和研究方向。精準施藥是中國農業現代化建設的重要組成部分，隨著相關制度及配套核心技術不斷完善發展，精準施藥必將得到健康、有序和高速發展。通過航空獲取的大量農作物生長信息輔之地面設備將建立起農業數字化體系，智慧農業管理將有數據作為依靠，實現精細化管理。

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