大数据处理下的精准喷洒系统设计

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摘要：基于现代农业高效，环保的要求，无人机大面积喷洒已成为农业植保的重点发展方向。为解决植保机大面积粗放喷洒作业中施药不精准、不环保，现设计基于大数据处理的精准喷洒系统。根据光谱和雷达系统获取实时数据，经过计算机对数据分块处理后，由两级调节喷洒系统进行喷洒农药。

关键词：大数据处理；植保机械；精准喷洒；实时调控

引言

我国地形多样，疆域广阔，病虫草害作为农业生产主要影响因素，目前采用药物喷洒进行防治仍是主流。植保机的出现给现代农药喷洒带来便捷，提高效率，但研究表明，利用植保机进行农药喷洒有效率仅为30%。为此研究新型植保设备成为当前重点。

1研究现状

在我国精准农业起步较晚，农业大数据获取的基础设施不够完善。航空植保，精准变量喷施经过几年酝酿已有长足发展。植保无人机在空中作业时，若对病虫草害密度能够进行实时数据获取，即可采用空中精准喷洒技术，进行对特定区域的“靶向给药”提高对农药的利用率减少环境污染。整个无人机系统，对传感器、控制系统、数据传输系统、处理器性能，都提出了较高的要求。在作业中，病虫草害密度数据链的传输与处理成为关键。

2系统组成

精准喷施系统主要由四旋翼无人机、光谱及雷达系统、两级调节喷洒系统、图像地形大数据处理系统四大部分组成。如图1飞机整体平面结构图。平面利用5G低延时技术将各独立系统串联，实现大数据互通互享，从而实现精准化农药喷洒。1.地形扫描雷达2.载物台3.药筒4.离心喷头5.5G数传系统6.光谱相机

2.1四旋翼无人机系统

机翼对称分布在机体前后，左右四个方向，4个旋翼处于同一高度平面，且4个旋翼的结构和半径都相同，4个电机对称安装在飞行器的机架端，电机下方装有离心喷头，机架中间空间安放飞控、电子调速器、动力电池、5G实时通讯模块和高光谱及可见光相机，机架中间下方挂一个载重7kg级的药箱，在药箱上挂有环形载物平台，在平台上挂有一部地形全景扫描雷达、装有一部变频调水泵以及精准阀门系统。无人机除起落架外所有承力结构都采用高强度碳纤维作为制造材料。起落架采用4mm空心铝合金管为材料。

2.2光谱及雷达系统

光谱系统为四川双利合谱科技有限公司的GaiaSky-Vis&Nir机载农作物可见近红外反射光谱测试系统。植物中的叶绿素含有丰富的光合信息，通过对农作物内叶绿素信息的提取，再结合叶绿素的生化参数、荧光参数（机载光谱系统实时测定），可判断病虫草害不同环境下作物的叶绿素荧光指标与其他参数及荧光光谱特征（对冠层温度、表面的辐照度、叶绿素含量测量）之间的关系，选用该系统获取病虫草害数据。雷达系统采用北京金景科技有限公司的BrisightV-Mini系统，该系统设备全重1.6kg，采用16线30°*360°脉冲式扫描以30万点/秒获取地形作物数据。

2.3两级调节喷洒系统

调控系统采用两级。第一级调控系统由51单片机控制器、压力传感器、变频水泵组成。第一级调控系统主要是利用压力传感器获取数据，由控制器调节变频水泵的电机转速，以保证流入数字调速阀的压力恒定，以稳定管路液体压力。第二级精准阀门控制系统如图2所示，由先导式溢流阀、数字调速阀、等量分流阀组成，如图3。流体经过先导式溢流阀后，管路压力恒定输出到数字调速阀，经地面大数据处理后得到喷头所需流量，由步进电机控制阀口进行调速，最后由离心喷头进行精准喷洒。离心喷头流量范围是0.2～0.5L/min，设计流管内径为8mm，各阀门之间管路较短且均圆角过渡，忽略沿程损失和局部损失，根据连续性方程A1*V1=A2*V2=Q，求得主管管路内流速范围为1.326～3.316dm/s。能够由由调速阀进行精准调控。1.出水口2.等量分流阀3.数字调速阀4.先导式溢流阀5.回流口植保机进行喷洒农药时不可避免对同一块地域进行重复喷洒，造成农药浪费、环境污染。双泵双阀系统可以精准调节同向两喷头（1、5；7、11）农药流量，对农作物进行两次等量雾化喷洒同时提高农作物吸收利用率。与传统植保机载重10kg药物完成喷洒作业的效率进行比较，使用该精准喷洒系统会将喷洒效率提高35%左右，这就使得使用该系统的植保无人机将减下至少30%的药物携带重量，用于精准喷洒系统自身重量。同时农作物对农药的利用率也会提高。1.1号喷头2.1号出水口3.2号出水口4.1号精准阀门系统5.2号喷头6.1号变频水泵7.3号喷头8.3号出水口9.4号出水口10.2号精准阀门系统11.4号喷头12.2号变频水泵图3喷洒结构分布图

2.4图像地形大数据处理系统

地面基站接收到植保无人机实时回传的图像地形数据后，用地面基于Hadoop平台协同过滤推荐算法，进行实时快速数据处理，并且实时反馈到飞机精准喷洒系统中。3结语精准农业航空包括图像实时处理技术、变量喷施技术、大数据处理技术、空间遥感定位技术。这四大技术将成为未来精准施药农业的研究重点和研究方向。精准施药是中国农业现代化建设的重要组成部分，随着相关制度及配套核心技术不断完善发展，精准施药必将得到健康、有序和高速发展。通过航空获取的大量农作物生长信息辅之地面设备将建立起农业数字化体系，智慧农业管理将有数据作为依靠，实现精细化管理。

参考文献

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作者：张成茂 张立炜 左家乐 单位：临沂大学