基于4G网络的新型农业植保机系统设计

2019-12-03王汝清徐楠陈诞玮周镭吴有龙金强谈家斌郭波

安徽农业科学 2019年21期

王汝清　徐楠　陈诞玮　周镭　吴有龙　金强　谈家斌　郭波

摘要由于传统半机械化的农业装备不能满足农业种植现代化和自动化的需求，因此开发出了基于4G网络的新型农业植保机系统。介绍了该系统的总体设计、硬件和软件系统，最后分析了该系统的应用及其制约因素。该系统采用B/S模式，用户通过手机等设备访问 Web站点，规划无人机的航线和农药等的喷洒量，从而提高农业种植、养护的效率和农肥及农药的使用效率，同时为农作物溯源提供了系统支持。

关键词农业植保机;4G网络;B/S模式;嵌入式系统

中图分类号 S220.2文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）21-0234-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.21.070

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of New Agricultural Plant Protection Machine System Based on 4G Network

WANG Ruqing，XU Nan，CHEN Danwei et al

（School of Intelligent Science and Control Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，Jiangsu 210000）

Abstract Traditional semimechanized agricultural equipment could not meet the demands of the modernization of agricultural planting，so that we developed a new agricultural plant protection machine system based on 4G Network.We introduced the overall design，hardware and software systems.Finally，its application and restricting factors were analyzed.This system adopted B/S mode，users accessed Web sites from devices such as mobile phones，planed the flight path of unmanned aerial vehicle and the spraying amount of pesticide，so as to enhance the efficiency of plant cultivation and conservation，and the service efficiency of farm manure and pesticides，and to provide system support for crop tracing.

Key words Agricultural Plant Protection Machine;4G Network;B/S mode;Embedded system

基金项目 2018年江苏省大学生创新训练计划立项（04001）;金陵科技学院工业智能应用“创客”虚拟班（2017ck002）。

作者简介王汝清（1999—），女，江苏常州人，从事物联网研究。

收稿日期 2019-02-25

中国每年需要进行大量农业植保作业，而每年农药中毒致死率高达20%[1]，农药残留和污染导致的病死人数更惊人。目前国内农业植保以人工手动、电动喷雾机等半机械化装备为主，占比超过90%，而航空植保比例小于2%[2]。

传统的半机械化装备存在诸多问题，例如操作人员缺乏、农药浪费导致有效利用率低、喷洒技术落后导致农药残留超标、植保作业技术落后导致生产性中毒等[3]。利用农业航空植保机械进行喷雾施药省时省力省药，还可以在短时间内对植物实施群体控制，特别是在连片规模农场中应用时，可以及时高效地防治虫害。同时在使用无人机喷洒作业时，当药液雾滴从喷洒器喷出时被旋翼的向下气流加速形成气雾流，直接增加了药液雾滴对作物的渗透，减少了农药的损失[4-5]。提高药液在目标作物上的沉积和覆盖范围，降低“药”和“水”含量，提高有效利用率。由于采用远程操控，减少了人工接触农药所造成的中毒[4]。

农业植保无人机是用于保护农业和林业植物的无人驾驶飞机，通过地面遥控或GPS飞控来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等，是現代化农业生产的关键设备[6-7]。植保无人机最初出现在美国、日本等国家。1990年，日本山叶公司率先推出第一架无人机。近年来，农业植保无人机在我国迅速发展[8]，各地陆续出现使用无人机用于植保的案例。国家也大力支持农业发展，“十三五”计划提出，大力推进农业现代化，促进新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展。地方补贴政策也相继出台，根据我国对农业发展的规划，未来各地方乃至中央层面大概率将农业植保无人机纳入农机补贴范围。

在现有的农业植保机的基础上，笔者对基于4G网络的新型农业植保机进行系统设计，利用4G网络使原本需要现场操纵无人机的用户能够随时随地通过手机创建任务启动无人机进行作业，大大降低了对使用者操作无人机能力的要求。阐述该系统的总体设计及各主要模块实现功能、介绍设计中运用的相关技术、分析该系统的应用前景。

1 系统总体设计

基于4G网络的新型农业植保机系统由硬件和软件两大部分构成，硬件部分是装有喷头的无人机，负责根据用户通过网络下达的任务进行植保作业;软件部分主要为用户对植保机实施飞控任务提供操作平台，同时存贮了对农作物作业的相关数据。为实现此功能，软件部分由前端和后台2个部分组成，前端运用SSM架构、jQuery、Bootstrap、Html5等技术构建，后台运用MyBatis、Spring、SpringMVC等框架构建，从前端到后台用AJAX来连接，使用JSON 进行数据传递。

基于4G网络的新型农业植保机系统涉及的业务模块主要有无人机线路规划模块、无人机状态模块、实时天气监测模块、药物管理模块、植物生长状态模块、通信模块、农药喷洒等相关内容。

1.1 系统的工作模式

该系统的工作流程包括后台用户部分和前端无人机部分。工作流程如图1所示：①用户在手机等设备上利用4G网络上网，当用户发现当前作物有作业需求时，查看对应数据库中的飞机列表、药品列表、区域列表等，然后在任務模块创建无人机喷洒任务，任务内容包括开始时间、飞机编号、药水种类、喷洒区域等，从而控制无人机在规定区域内进行植保作业。②前端无人机每隔一段时间查询任务模块是否创建了新的任务，若检测到有新任务，则对应编号的无人机根据任务模块中的开始作业时间、药水种类、喷洒区域等数据执行喷洒任务，全部执行完毕后，按规定路线返航。

1.2 系统的特点基于4G网络的新型农业植保机系统具有通信速度快、通信距离长、便于人机交互和数据获取方便等特点。

①运用了4G 蜂窝网络，改造了原有的2.4 GHz通信模块，提高了通信的速度，延长了通信的距离。用户可以打破原来实地手动操控无人机的方式，在手机等设备上通过联网创建任务，远程完成农作物的灌溉，更加方便了用户操作，也降低了对操作用户的技术要求。

②运用简洁的B/S模式代替C/S模式，管理者和用户可以在任何时间任何地方进行操作和浏览，并且不用安装任何专门的软件，为管理者、用户等多方提供便捷有效的获取数据和人机交互的手段。B/S模式还具有维护方便、开发简单、共享性强等优点，方便用户对系统进行升级维护。

2 硬件系统

多旋翼无人机是由电机的旋转，使螺旋桨产生升力而飞起来。无人机可以被分为以下几大系统：飞控系统、遥控系统、动力系统、图传系统、云台等[9]。飞控系统可以看作无人机的大脑，该系统的功能是下达指令控制飞机的飞行状态和飞行方向。遥控系统包含地面的遥控器和飞机端的接收模块。切换飞行模式、控制云台转动、控制相机拍照等功能指令都会通过遥控器的发射系统，用无线信号传递给飞机，由飞机上的接收模块接收信号[10]。动力系统包括无人机的电调、电机、桨叶、动力电池。一般植保机有2种方式实现其动力系统：一种是用电池，另一种是用系留。图传系统把飞机上看到的图像及飞机的飞行数据传输到使用者面前的屏幕上，使用者可在显示屏、APP上看到飞机实时的图像和高度、速度信息，图传通常使用5.8、2.4 G 频段。

2.1 无人机的数据传输系统该系统的数据传输流程如图2所示。首先，树莓派通过网络连接到服务器上，每隔一段固定时间查看数据库的任务列表，当发现有任务指令时，向飞控系统传递无人机的控制信息，飞控通过向电调模块传PWM波，让电调驱动电机，从而带动无人机起飞，实现后续各项操作。

2.2 无人机喷头的设计

该无人机喷洒系统的设计如图3所示。系统选用的喷头为缝隙式喷头，喷水系统由喷头、水泵、液位传感器等组成。液位传感器将测得的液位深度传输给树莓派，树莓派每隔一段固定时间查看数据库中的任务列表，当发现有任务时，传递控制信息给单片机，单片机向电调传PWM波，让电调驱动水泵，从而控制喷头喷出的水流或药流的速度。

3 软件系统

软件部分主要介绍基于4G网络的新型农业植保机系统的信息管理系统组成及功能，并阐述了该系统所具有的技术特点。

3.1 信息管理系统

为实现用户能够随时随地了解作物生长情况，该系统的软件部分分为五大管理模块：飞机管理、区域管理、药品管理、区域点管理、任务管理。每个模块完成相对独立的功能，为了管理和使用各模块的操作记录，我们利用数据库记录各模块相关作业信息，进行作业管理。作业管理系统的表总体关系如图4所示。

数据库中有每个模块的每一条记录，对于这些记录具有相应权限的用户可以进行添加、删除、修改、查询操作。

（1）飞机管理。记录飞机的编号、名称，使每一架无人机具有唯一标识，保证调用无人机时不会错调、重复调。

（2）区域管理。记录区域的编号、名称，使每一个区域具有唯一标识，让无人机可以明确、精准地在指定区域进行作业，实现精准灌溉农业。

（3）药品管理。记录药品的编号、名称及用量，保证指定药品的定量喷洒，减少浪费，提高利用率，并且该药品列表中记录有每种药品的详细信息和对应用量，方便用户创建任务。

（4）区域点管理。在每块区域上设置若干区域点，记录区域点编号、经度、纬度，以确定每个区域点的位置，从而可具体确定无人机的最短航行路线，确保飞行效率。

（5）任务管理。任务表模块是为了让用户创建并记录每一次植保任务的，与其他四个模块都有关，用户设置每一次任务的任务名称、区域编号、飞机编号、药品编号、开始时间等数据，向无人机下达任务指令，也方便用户对数据进行研究，修整喷洒方案、飞行方案等。

3.2 系统技术特点

3.2.1 突破传统C/S模式，采用B/S模式。突破传统Client—Server模式，采用Browser—Server模式。打破传统客户端到服务器模式，避免多平台多客户端的局限，以Web浏览器的方式提供服务，实现了无论什么平台，只要用浏览器登录访问即可达到像客户端一样的操作体验，方便了用户操作。

3.2.2 基于Linux嵌入式系统底层硬件开发系统的使用。

嵌入式Linux既继承了Internet上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性[11]。它的版权费免费而且性能优异，软件易于移植，代码开放，安全性高，有大量应用程序支持，具有良好的实时性和稳定性。由于涉及到对无人机的通信模块进行改进，因此在实际开发过程中会应用到嵌入式系统的开发。

3.2.3 4G蜂窝网络的通信相关技术。

4G移动通信系统的核心网是一个基于全 IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联，能提供端到端的IP 业务，能同已有的核心网和PSTN兼容，核心网能把业务、控制和传输等分开。该系统中，数据库中的数据需要上传到云端;用户需要通过浏览器上网，根据农作物的实时状况在任务模块中创建植保任务，以便无人机每隔相应的时间进行查看。

3.2.4 数据库及其应用技术。

在使用新型农业植保机时会涉及到农田相关参数、无人机相关参数、无人机飞行路线、农药喷洒量及剩余量、植保任务开始时间等数据的存储和访问等。开发过程中运用UUID技术，生成32个十六进制数，为各无人机、区域、不同药品等生成唯一编号，无需考虑名称重复问题，方便用户操作和使用。

3.2.5 全球定位技术。

该系统运用GPS技术对区域点进行定位与寻址，用户通过网页创建任务，对问题作物进行精准定位，从而喷洒农药治疗。由于涉及到农药的精准喷洒，需要记录每个区域中区域点的经度和纬度，以及制定最短航行路线，避免农药少喷漏喷和过度喷洒等问题，在开发过程中会用到全球定位技术。

3.2.6 JAVA EE工程的开发以及 Web 工程的发布。

在项目确定立项后，要进行需求分析，然后进行总体设计和详细设计，接着进行代码开发、测试与完善，最后在服务器上正确配置环境，安装数据库，并将数据导入数据库，将工程打包发送到服务器。

安徽农业科学 2019年

4 应用与制约因素

农业航空技术是国家农业生产的重要组成部分，在农业生产中的应用比重不断增加。基于4G网络的新型植保无人机可广泛应用于农林业，可用于施肥、施药、授粉、土地测量、航拍等，不仅具备现有植保机高效安全、省时省力、防治效果显著等优势外，还可以让用户在最短时间内得到无人机的运行状态，随时规划无人机的飞行轨迹、药物的喷洒量和药物浓度，从而使用户更加全面地控制现场状况。尽管目前国内无人机市场逐渐升温，但是新型农业植保机在发展中仍会存在一些制约因素。

（1）国家扶持政策不完善。植保无人机的售价和后期的使用、维护，对农民来说是一笔不小的数目，而目前只有几个省份把植保无人机纳入了购机补贴范围[12]，因而农民购机的积极性不足，影响了农业植保机的广泛应用。

（2）存在一些安全隐患。由于农用航空法规、制度不够，以及无人机技术尚未完全成熟，民用无人机在发展过程中不可避免地会存在着一些安全问题。目前，大部分的无人机没有配备“防撞系统”，当无人机在空中飞行时，有可能与其他飞行物和地面高山、建筑发生碰撞。另外，部分无人机对配套施药设备的性能和核心技术研究不够深入、全面，存在设备使用效果差、飞行速度与作业需要不匹配、对靶性能不佳，以及药液沉积难以控制等问题[13]。该系统通过设置区域点的经度、纬度来规划无人机的飞行航线，并且用户可以通过对比每一次植保任务的完成效果来修整后面的任务方案，从而改善了这一类安全问题。

（3）操作难度大，学习成本高。我国农业植保机起步晚，发展快，无人机专业操作人员缺乏，这在一定程度上阻碍了农用无人机的市场化、规模化发展。无人机驾驶员需要经过严格培训，学习无人机相关的理论知识，对突发情况具备处理能力[14]。而该系统的用户只需在浏览器通过任务列表间接对无人机进行操作，无需手动操控无人机，从而降级了对用户的技术要求，使得该系统可以面向更多缺乏无人机操控技术的用户。

5 结语

通过对新型农业植保机的功能阐述、结构分析、软硬件相关技术介绍，旨在设计一种更精确、更高效、更便于用户进行植保作业的系统，同时激发我国无人机产业的潜能，进一步推动我国农业向智能化现代化发展。该系统可以为农作物溯源系统提供数据支持。

参考文献

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