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农业自动化与信息化技术AutomationandInformationinAgriculture罗玉成中国农业机械与信息融合技术2014年1月农机系统控制•复杂性、动态性、可靠性•执行机构控制运动、方向、顺序•动力系统控制转速、马力、过载•操作系统控制操向、调节、鲁棒•机器状态监测检测、显示、报警、自动处理•全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成；中国北斗导航系统已经达到国际水平，已经应用于军事，工业，农业等现代化设备上。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。全球定位系统的主要特点：•(1)全天候；•(2)全球覆盖；•(3)三维定速定时高精度；•(4)快速省时高效率：•(5)应用广泛多功能。精准农业的技术体系精准农业是现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式，其核心技术是地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和计算机自动控制技术。精准农业系统是一个综合性很强的复杂系统，是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径。三、GPS在精准农业中的应用利用GPS技术，配合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS），能够做到监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药，节约费用、降低成本、达到增加产量提高效益的目的。GPS与精准施肥GPS为控制施肥提供空间定位和导航支持，基于GPS的变量施肥技术能根据不同地区、不同土壤类型、土壤中各种养分的盈亏情况、作物类别和产量水平，将微量元素与有机肥加以科学配方，做到有目的地科学施肥。GPS与精准灌溉精确灌溉既能满足作物生长过程中对灌水时间、灌水量、灌水位置、灌水成分的精确要求，又能按照田间的每个操作单元的具体条件，精细准确地调整农业用水管理措施，最大限度地提高水的利用效率和利用率。在田间运用GPS土地参数采样器采集植物生长的环境参数，如土壤湿度、地温等，通过GPS中心控制基站利用专家系统进行植物分析，可以调控植物生长环境，精确凋控节水灌溉系统。GPS与精准喷药运用GPS监测病虫草害是预测预报的新手段，通过GPS系统连接高质量视频摄像系统拍摄分析图像，可以收集原始数据，监测大田作物，得出田间病虫草害分布大小位置，并可以通过逐次拍摄确认害虫的迁飞路线、种群数量和为害程度，以及病虫草害发展方向及流行趋势。如要对大面积农田集中进行喷药，则可选择装有差分GPS(DGPS)的飞机。DGPS航空导航系统可以引导飞机从机场直接前往作业区，在已设计的航线和高度飞行喷洒药物，若飞机加满药物再次返回作业区时，系统还能让飞机到达上次药物喷洒停止时的准确地点，以便确保既无重复喷洒又无遗漏区域。GPS与精准耕作将GPS,GIS和精细农业、旱作节水农业相结合，开发精细农业和田间实时导航监控相结合的地理信息管理系统，实现了田间车辆多目标监控;建立农业机械装备数据库和查询系统，可方便地进行100多种农业机械装备数据的查询、添加、删除、保存等操作;通过获取车辆的实时信息，调取地图中的信息，将田间动态的车辆信息与农业机械装备相结合实现了信息的可交互性、可扩展性和通用性。精确种子工程和精确播种工程的有机结合，要求精确播种机具有播种均匀、精良播种、深浅一致，这样精确播种技术既可节约大量种子，又能使作物在田间获得最佳分布，从而提高作物对营养和太阳能的利用率。而利用精确收获机械不但可以做到颗粒归仓，同时也能根据一定标准，准确分级。插秧机市场2015年：水稻种植机械化水平要达到45％。全国插秧机的保有量需达到100万台以上，近期每年平均新增6-8万台，产品及配件总销售额预计达到150亿元。若种植机械化水平达到70％，插秧机市场产品及配件总销售额预计达到300亿元。•农业机械导航及自动作业系统”是由中国工程院罗锡文院士与福田雷沃重工共同研发的。该系统基于在欧美自动导航技术的基础上，结合国内农业生产的具体情况，采用三维技术优化设计，集全球卫星定位、GPS自动导航、电控液压自动转向、作业机具自动升降、油门开度自动调节和紧急遥控熄火等多项自动化功能为一体，直线导航跟踪精度小于5厘米，自动对行精度小于10厘米，转向轮偏角控制精度小于1度，实现了拖拉机自动控制精密播种、施肥、起垄、施药等作业，大大提高了拖拉机作业的标准化，从而实现了精准作业。•罗锡文表示，这是我国首次真正在大田测试应用农机导航及作业自动系统，体现了中国现代农业机械信息化、智能化、自动化水平。在今后的实际生产应用中，还将继续提高智能化程度，真正能够实现无人驾驶。批量生产后，在保证质量和性能的前提下，价格至少比美国的便宜1/3。目前，这套农机导航及自动作业系统经过多次的测试显示，自动导航精度为5厘米，接近国际先进水平•中国工程院院长周济院士高度赞扬“农业机械导航及自动作业”从理论到实践的成功转化，并随着中国“北斗卫星导航系统”网络不断发展完善，可以大幅降低成本，有助于农业机械导航及自动作业的推广及应用。周济院士还充分肯定了福田雷沃重工对中国农业现代化做出的努力，并希望今后有更多的产学研结合的成果，促进国家农业现代化的发展。•据福田雷沃重工副总经理王玉荣介绍，农机导航及作业自动系统是自主研发的成果，系统的应用真正体现了智能化和自动化水平，利于精准作业，减轻了劳动强度，并且能够实现夜间连续作业，特别是大地块，作用明显。•通过Zigbee的方式组建局部私域网，连接本地的采集节点和控制节点；然后通过智能网桥的GPRS连接功能，实现和广域网的互联互通。第23页种植型客户解决方案农业自动化设备到了改革阶段•美国，日本，荷兰，德国，英国，农业已经发展到2-3个农民种500-3000亩地的地步，农业机械已经发展到无人驾驶的地步；中国的农业机械自动化发展必须有跃的发展才能赶得上那些发达的国家。我们的这几年的工业，电子业的追赶给无人驾驶农业机械自动化打下了良好的基础，相信我们用5-10年的时间就可以追上及超越他们。农业自动化建设的范围•无人驾驶拖拉机，犁地，播种，插秧，施肥，除虫，收割，烘干，装袋，入库。•无人自动灌溉系统，•无人自动温湿度控制系统•无人自动土壤分析系统•建立农业智能数据库•在强大的国家机器的支持下，建立科研机构，由其承担农机技术的研发、鉴定及其应用。•任何时候都要深深的记住一点，科学技术永远是第一生产力。农业机械化要想不断的发展、不断的进步，不断地向机械化、自动化、智能化，一步步的迈进，就必须在先进的科学技术推波助澜下，一步步的向前发展，譬如：美国、日本等发达国家，哪一个不是在政府的支持下建立科研机构、研发中心，投入大量的人力、物力，用于科学技术的研究，实验、鉴定，从而把研究成果一步步的转化到生产实践中去，从而达到促进农业机械化发展的目的温室喷灌、苗床设备现代温室控制系统8月7日，温家宝总理在无锡就“感知中国”的谈话，掀起了传感网的巨大浪潮。10月27日，工信部部长李毅中在《科技日报》撰文提出，启动”传感网络“的研发应用，并将其上升到”战略性新兴产业“的高度。11月3日，温家宝总理在人民大会堂向首都科技界发表“让科技引领中国可持续发展”的文章，指出：要着力突破传感网、物联网关键技术。12月27日，温家宝总理在接受新华社记者采访时，再次把物联网提到”占领新型产业的制高点，决定国家未来“的高度。3月5日，温家宝工作报告首次提及物联网：特别指出要大力培育战略性新兴产业。要加快物联网的研发应用。4月9日，工业和信息化部部长李毅中出席2010年经贸形势报告会时表示，要大力发展3G、物联网等新兴产业，同时，也要提高警惕，不能受制于人。政策大事记第32页主要技术内容•关键环节机械化技术需求进一步扩大•主要是粮食作物全程机械化技术和经济作物关键环节机械化技术。在小麦基本实现全程机械化的基础上,粮食机械化技术需求将主要表现在:水稻生产工厂化育秧技术、高速插秧技术、半喂入水稻联合收割技术,适应多个地区、不同行距的玉米联合收割技术。经济作物机械化技术需求主要集中在种植、管理和收获等关键环节。如:棉花机械化播种或移栽、采摘,薯类、鳞茎类作物的种植和收获机械,油料作物和糖类作物播种、收获机械化技术。黑龙江“北大仓”粮田万顷，喷洒农药的飞机从低空掠过；江苏太湖之滨，现代化养殖基地，监控屏幕上，8个区域的水质情况同时呈现，水产医院及时诊治虾蟹病情；四川凉山，坝子里老水牛踯躅前行，赶牛的小伙两腿淤泥……这是我国农业发展现状的真实写照。先进与落后，集约与粗放，开放与闭塞，甚至幸福与煎熬，同时呈现在乡村大地。你熟悉这样的画面吗？农机作业自动监控•复杂性、动态性、可靠性•作业工况监控速度、温度、负荷、作业量•作业质量监测精度、损失、重漏•动力能耗监测输出、燃油、电耗•作业效率监测幅宽、处理量•安全失效监控发动机、工作部件、易损、润滑、防护部位农机系统控制•复杂性、动态性、可靠性•执行机构控制运动、方向、顺序•动力系统控制转速、马力、过载•操作系统控制操向、调节、鲁棒•机器状态监测检测、显示、报警、自动处理设施环境系统监控•集约化、高度依赖人工气候、敏感•环境参数监测温湿度、气体浓度、养分•环境调控光、温、水、气、肥•生产系统控制栽植、管理、摘收、饲喂、废弃物处理二、农业生产过程自动化•自动化机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。•生产过程自动化•生产系统自动化•智能化---农业机器人技术三、农业信息技术•信息技术有关数据与信息的应用技术。其内容包括：数据与信息的采集、表示、处理、安全、传输、交换、显现、管理、组织、存储、检索等。•农业信息技术•农村信息化四、精细农业系统集成•机械化、自动化、智能化、信息化•空间信息•空间定位与自动行驶•实时变量作业无人系统AutonomousSystems智能系统IntelligentSystems辅助驾驶Operator-Assist20002000+x2000+2x农机驾驶系统发展辅助转向TurningAssistance多机组协同Multi-vehiclecooperation记录-重放Record-Playback远程操纵系统Tele-operatedSystems功能扩展HumanFunctionAugmentation全自动导航FullyAutonomous精确导向PrecisionGuidance非接触式作物探测Non-ContactCropDetection对行系统SwathTrackingSystems•Purpose–Providetheoperatorwithguidancecuesformanualsteeringofthevehicle•Components–Localizationsensor•GPS–VehicleController•Precisionfarmingsystemforcropyieldmappingwithintegrateduser-interface•Stand-alonesystemforguidancefunction–User-InterfaceforPositionControl•GraphicalDisplay•AudibleTones•LightBars平行跟踪ParallelTrackingSystems动态精度DynamicAccuracy农机导航行走速度•犁地：–旋耕:2-7km/hr–凿式犁:5-10km/hr•割草:–5-10km/hr•喷雾:–3-7km/hr•施肥施药:–5-11km/hr操向精度•普通精度:–12-40cm(适合耕地)•较好精度:–4-12cm(适合施肥施药)•高精度:–2-4cm(适合播种、中