基于软件工程的智能农机系统设计与优化

2023-12-02吕泽昊

南方农机 2023年22期

吕泽昊

（山西应用科技学院，山西太原 030062）

农业正迎来前所未有的技术变革，智能农机系统的广泛应用就是其中之一[1]。这一领域的快速发展为现代农业带来了革命性的改变，提高了生产效率，减少了资源浪费，并有助于应对粮食安全和环境可持续性等重大挑战[2]。因此，探索基于软件工程的智能农机系统设计与优化方法，有望为农业现代化和智能化提供有力支持，促进农业产业的可持续发展。

现如今，智能化发展已经逐渐受到社会各行各业的广泛关注，国家不断投入相关资金用于技术的研发与智能农机的创新发展。在现代化农业发展的前提下，若依旧使用传统技术便难以适应现代化农业发展对智能农机的现实需要。针对上述问题，笔者认为软件工程可以优化智能农机系统，提升该系统运行的安全性与稳定性。

1 智能农机概述

智能农机是一种利用现代科技手段，结合农业生产实际，实现农业生产自动化、智能化的机械设备[3]。智能农机主要由感知系统、控制系统、执行系统和通信系统四个部分组成，是一种能够完成种植、收割、加工等多种农业工作的高效率、高质量的生产工具。对于农业现代化而言，智能农机不仅可以提高农业生产效率和质量，还可以节约人力资源和物资资源，减少环境污染，促进农业可持续发展[4]。作为现代科技发展成果，其结构形式也具有灵活性和适应性的特点。如今为了能够更好地满足农业生产需求，相关部门已经研制出了一套可以进行智能识别、智能控制、智能优化的系统，可在复杂的农田环境中自主完成各种任务，有效提高农作物的产量和品质。

此外，智能农机在生产过程中也有很多的优势：1）能够根据作物的生长情况，实时监测和调节水肥、防治病虫害等[5]。2）能够根据作物的品种和特性，自动选择合适的种植模式和收获方式。3）智能农机的操作可以减少对土壤和环境的破坏。4）智能农机可以在恶劣的气候条件下运行，保证农民的安全，节约能源，减少污染物排放[6]。

2 智能农机的组成与设计情况

2.1 智能农机的组成

智能农机主要由感知系统、控制系统、执行系统和通信系统四个部分组成，具体如下：

1）感知系统。该系统负责收集农田环境和作物生长的相关信息，如温度、湿度、光照、土壤、病虫害等，通过传感器和摄像头等设备，将信息转换为电信号，传输给控制系统[7]。

2）控制系统。该系统负责对感知系统收集的信息进行分析和处理，根据预设的目标和策略，生成相应的控制指令，传输给执行系统。

3）执行系统。该系统负责根据控制系统的指令，驱动各种执行机构，如电动机、液压缸、气动阀等，完成各种农业作业任务，如播种、施肥、灌溉、除草、收割等。

4）通信系统。该系统负责实现智能农机与其他设备或人员的信息交互，如无线网络、蓝牙、GPS等，可以实现远程监控和控制、数据传输和共享、故障诊断和维修等功能。

2.2 设计情况

2.2.1 多功能设计

智能农机设计可执行多种不同的农业作业任务，如耕作、播种、施肥、灌溉、除草、收割等[8]。其优势在于农机可以通过更换不同的工作头或者调整不同的参数来适应不同的农业需求。例如，当需要进行播种操作时，智能农机可以配备播种工作头，根据所种植的作物和所需的种植密度，调整播种深度和间距。当需要施肥操作时，可以切换到施肥工作头，并根据土壤分析结果和植物的养分需求来确定施肥量和方法。这种多功能设计大大提高了智能农机的利用率和效益，使其能够满足不同作物和不同生产环境的要求。

2.2.2 自适应控制

自适应控制使智能农机能够根据不同的作物类型和环境条件自动调整和优化其操作。利用各种自适应控制技术，如模糊控制、神经网络控制和遗传算法等，来实现智能农机的高度适应性和稳定性[9]。例如，在面对不同类型的土壤时，智能农机可以根据土壤质地和湿度进行自动调整，以确保施肥和灌溉的准确性。还可以根据作物的生长情况和天气条件来自动调整播种和收割的速度和深度。这种自适应控制能力使农机能够更好地适应不断变化的农业条件，提高了生产的稳定性和效率。

2.2.3 无人驾驶技术

智能农机利用各种导航和定位技术，如GPS、INS（惯性导航系统）、激光雷达等，实现自主导航和定位[10]。通过这些技术，智能农机能够在农田中精确地定位自己，并按照预定的路线和轨迹进行操作。无人驾驶技术还包括与其他设备和人员的信息交互。通过无线通信技术，如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等，智能农机可以与农场管理系统或操作员进行实时通信。使得农机能够接收指令、传输数据，并与其他智能设备或传感器进行协作。无人驾驶技术提高了智能农机的自主性和智能性，减少了人工干预的需求。

2.2.4 人工智能技术

人工智能技术在智能农机中的应用实现了更高级别的智能决策和行为。这包括图像识别、语音识别、自然语言处理和专家系统等技术。例如，通过图像识别技术，智能农机可以识别作物的生长状态和病虫害情况，以便采取适当的措施。语音识别和自然语言处理技术使操作员与农机进行语音交互，发送指令并接收反馈。专家系统基于大量的农业知识和数据提供决策支持，可以确定最佳播种时间或施肥方案。这些人工智能技术使智能农机具备更高级别的智能性，能够更准确地适应不同的农业情境，提高生产的质量和效率。智能农机的发展代表了现代科技在农业领域的重要应用，为农业现代化和精细化生产提供了有力支持。

3 基于软件工程的智能农机处理系统设计与优化

3.1 硬件设计与优化

3.1.1 硬件设计

1）传感器模块是智能农机的感知系统，用于采集农作物的生长环境参数和农机的运行状态参数。这个模块采用了Arduino UNO开发板，其内部元件如下：①14个数字输入/输出引脚，可用于连接各种传感器和执行器。②6个可用作PWM输出的引脚，可用于控制电机等设备的速度。③6个模拟输入引脚，用于接收模拟传感器数据。④USB接口和电源插座，用于供电以及与其他设备连接。⑤ICSP头和复位按钮，用于开发和调试。

2）控制模块是智能农机的大脑，用于根据传感器模块的数据实现对农机的智能控制。这个模块采用了Raspberry Pi 4B单板计算机，其内部元件如下：①4 GB内存和64位四核处理器，提供强大的计算能力。②双频无线局域网和蓝牙5.0，用于无线通信和远程控制。③千兆以太网，用于高速数据传输。④USB接口，用于连接外部设备。

3）通信模块用于实现农机与远程服务器的数据交互，如上传传感器数据、下载控制指令等。通信模块采用SIM800L GSM/GPRS模块，支持GSM/GPRS四频段（850 MHz/900 MHz/1 800 MHz/1 900 MHz），可实现语音、短信和数据传输功能。

4）执行模块用于根据控制模块的指令，驱动农机的各个执行部件，如电机、舵机、喷头等。执行模块采用L298N双H桥直流电机驱动板，可以同时驱动两路直流电机或一路步进电机，最大输出电流为2 A。

3.1.2 硬件优化

在智能农机的硬件设计中，有几个关键部分可以进行优化，以提高性能和可靠性：

1）传感器选择和布局优化。选择适合不同农业任务的传感器，并将其合理布局，以确保准确采集环境参数和农机状态信息。采用高精度传感器和防水设计，以适应不同的农田条件。

2）控制模块性能提升。如果需要更复杂的决策和计算，可以考虑升级控制模块的性能，例如增加内存和处理器速度，以处理更大规模的数据和更复杂的算法。

3）增强通信模块可靠性。在远程通信方面，考虑增加冗余通信方式，如备用SIM卡或其他通信协议，以确保通信的稳定性和可用性。

4）提高执行模块精度。采用高精度执行器和电机控制器，以实现更精确的操作，特别是在需要精确定位和喷洒的农业任务中。

5）电源管理和节能设计。优化电源管理系统，以延长农机的工作时间，减少能源消耗。考虑使用可再生能源或高效电池系统。

3.2 软件设计与优化

1）数据采集模块通过Arduino UNO开发板上连接的各种传感器，如温湿度传感器、光照传感器、土壤水分传感器、速度传感器、方向传感器、GPS模块等，实时采集农作物的生长环境参数和农机的运行状态参数，并将这些数据通过串口通信协议发送给控制模块的Raspberry Pi 4B单板计算机。同时，该模块还可以将这些数据通过SIM800L GSM/GPRS模块，利用无线网络技术，发送给远程服务器，以便进行远程监控和管理。

2）数据处理模块通过Raspberry Pi 4B单板计算机上运行的软件工程程序，根据数据采集模块发送的数据，实现对农机的智能控制算法。该模块首先从远程服务器接收控制指令，如开始、停止、暂停、恢复等，并根据指令执行相应的操作。然后，该模块根据数据采集模块发送的农作物的生长环境参数，实现对农作物的智能识别和分类，如基于支持向量机（SVM）的农作物识别算法，可以将农作物分为水稻、小麦、玉米等不同种类，并根据不同种类的农作物，设定不同的喷洒参数，如喷洒量、喷洒时间、喷洒间隔等。最后，该模块根据数据采集模块发送的农机的运行状态参数，实现对农机的智能控制和优化，如基于比例-积分-微分（PID）的速度控制算法，根据农机当前的速度和目标速度，自动调节电机的转速和方向；基于A*的路径规划算法，根据农机当前的位置和目标位置，自动规划出最优的行驶路径，并避开障碍物。

3）数据显示模块通过Raspberry Pi 4B单板计算机上连接的显示屏，显示农机当前状态和农作物的生长环境参数。该模块利用图形用户界面（GUI）技术，设计了一个简洁美观的界面，可以实时显示以下信息：农机当前的速度、方向、位置、电量等；农作物当前生长环境的温度、湿度、光照及土壤水分等；农机当前执行的控制指令和操作状态；农机当前识别出的农作物种类和喷洒参数。

4）数据存储模块通过Raspberry Pi 4B单板计算机上连接的内存卡，存储数据采集模块和数据处理模块产生的数据。该模块利用数据库技术，设计了一个合理的数据表结构，可以有效地存储以下数据：农作物生长环境参数和农机运行状态参数；控制指令和控制算法；农作物识别结果和喷洒参数；农机行驶路径和障碍物信息。这些数据可以用于历史数据分析和故障诊断，以提高系统的性能和可靠性。