農業機械自動化系統中傳感技術的應用

何璐兵 ，張 勃

（許昌電氣職業學院，河南 許昌 461000）

農業機械自動化發展是今后農業機械發展的主流方向。在農業機械自動化系統中，傳感器是掌握系統核心的基礎元件，它能快速、準確地獲取各種數據，為農業機械檢測能力提供有力的保障。實踐證明，如果農業機械自動化系統沒有了傳感器，就不可能對農業機械系統狀況、數據的準確性、信息加工等方面進行檢測。傳統農業機械的改造離不開傳感器，而發展現代化農業機械更是需要海量的傳感器。近年來，許多拖拉機、收割機、播種機等農機設備均已安裝多種傳感器來進行生產作業，以獲取精準的農業生產數據，提高農業機械作業效率，保障農業生產的標準化和科學化。因此，傳感器在農業生產中的作用越來越重要。

1 傳感器概述

傳感器是一種可以感知被測信息的設備，它根據特定的規律，將所感知的信息轉換為電子信號或其他類型的信息，通常被用在信息傳輸、分析、控制、操作以及處理等方面。傳感器利用物理、化學、生物等多種效應，將測量到的數據轉化為電子信號，以此讀取各種信息，提高人們的工作效率，繼而推動新時期自動化技術的進一步發展。

在眾多應用中，農業傳感器包括了生命數據傳感器和環境傳感器。生命數據傳感器一般是通過計算機技術，對農作物的生長發育特征進行信息收集，進而對作物的生長情況進行研究。環境傳感器主要是通過研究土地、水、自然環境中植物所必需的生長因子，以檢測農作物的發育情況，繼而達到確保農作物正常生長的目的。當前，農業傳感器被廣泛使用，而且類型也很多，包括空氣濕度傳感器、土壤水分傳感器、植物仿生傳感器、太陽光照度傳感器等[1]。

當前，市面上的農業傳感器質量良莠不齊，其質量的選取也直接關系著農業的產量。農業傳感器耗電量較少，而且材質耐腐蝕，性能好，適用于戶外田間耕作。由于受農業發展的制約，且許多農民對傳感器的了解不夠，因此在實際使用中，必須選用安裝方法簡易、易于攜帶、穩定性好的傳感器[2]。

2 傳感器技術的主要特征分析

傳感器技術具有如下特征：一是能夠快速地對數據進行反饋；二是能夠對不同間距的數值進行測量；三是分辨能力強、可靠性高、精度高；四是具有較好的環境適應性，即使是在惡劣的農業生產環境中，傳感器也能夠精確地獲取所需的測量數據。隨著現代科學技術的飛速發展，信息的快速傳播和準確傳播變得越來越重要[3]。傳感器從出現到現在，其原理和功能已經越來越完善，用途也越來越廣泛，將傳感器技術應用到農業機械自動化系統中，能夠節約大量的人力和資源，保證耕作的精準度，從而實現了標準化和自動化的生產作業。

3 傳感器在農機自動化系統中的作用

農業機械自動化系統是國家科學技術發展的結果，在農業機械自動化系統中加裝傳感器是農業現代化發展的必然趨勢。傳感器具有快速反應和收集數據的能力，而裝有傳感器的農機設備則可以快速地對數據進行實時的分析，提高農業機械自動化系統的精準度[4]。此外，傳感器在工作時不會被任何環境因素所影響，可以在不直接接觸物體的條件下，快速地獲得相關的數據，并迅速檢測和識別，從而真正地做到無接觸式的農業機械自動化控制，確保了數據的高精度性和高可靠性。傳感器在農用拖拉機、灌溉機、播種機中都有很好的使用效果，可以讓農用機械設備在惡劣的農耕環境下進行高準確性和高質量的生產作業。

4 傳感技術在農機自動化系統中的具體應用

4.1 底盤控制傳感器

在農業機械自動化系統中，傳感技術是實現自動化工作的重要技術，其技術水平對整個系統具有很大的作用[5]。在農業機械自動化系統運行過程中，若不能通過傳感器技術及時、精確地探測到受控目標的各個參數，并將其轉化為傳輸信號，那么系統則無法獲取到所需的控制信息，從而影響到整個農業機械設備的生產作業。比如，農業部門引入了國外的大馬力牽引拖拉機，利用各種傳感技術來提升農業機械設備的使用效能。各個傳感器在不同的應用中所起到的作用是不一樣的，但是它們的工作原理卻是相同的。近年來，許多拖拉機、收割機等農機都裝有不同的傳感器，以提高機械設備的效能。隨著科學技術的進步，農業機械設備的自動化水平日益提升，傳統的機械系統已無法處理與農機設備相關的問題，從而被自動化系統所取代。傳感器是農機設備的核心元件，其工作特性的好壞將直接關系到農機設備的工作狀態。當前，農業機械傳感器有10~20個，它們的應用范圍包括底盤、車體等[6]。在發動機底盤中使用這些傳感器可以改善發動機的動力性，降低油耗，減少廢氣排放等，因為其在嚴酷的條件中工作，如泥漿、塵土等，所以其性能比一般的傳感器要好得多。底盤控制傳感器的性能指標有多種，而最重要的是測量數據的準確性和可靠性。美國開發的一種具有自動控制功能的農用收割機器，基本原理是由電子控制裝置將底盤控制傳感器輸出的信號轉換成一個上升或下降來維持割臺高度的信號，再由電磁閥門帶動油缸進行相應的運行，以此開展收割作業，提高農作物的收割效率。

4.2 壓力傳感器

壓力傳感器廣泛應用在交通行業，其功能包括制動壓力、壓力監測、機油壓力監測、輕載液壓控制、機械結構氣門等[7]。將壓力傳感技術推廣到農業機械自動化領域，能有效地克服許多農機自動化技術難點，促進農機自動化技術的全面推廣。在農業機械領域中，壓力傳感器主要應用在以下方面：一是利用壓力傳感器對水壓、氣壓進行檢測，測定液肥的噴射壓力，并利用控制裝置對噴頭的工作狀況進行調節；二是利用壓力傳感器通過液壓驅動來對農業機械設備進行升降和移動，監控平整耕作機械安全裝置的壓強；三是根據測定的油壓、液壓等數據信息，利用壓力傳感器來判定農業機械設備的運行狀況，以確保農業機械設備在生產作業中的安全性。在實際作業中，相關工作人員要選用相應的壓力傳感器，如液壓、氣力傳感器等要慎重選用，注意其載荷、防爆等重要要素，以保證農用作業的安全性與可靠性。

4.3 數字傳感器定位技術

GPS導航技術被廣泛地應用在農業機械自動化領域中，為農機領域帶來了巨大的效益。其所獲得的數據準確度和可靠性都很高，為下一步的農業生產作業提供了數據依據。但在實際作業中，GPS定位技術對精度的要求很高。因此，GPS定位技術的應用也較為復雜，成本較高，在小范圍的農田上，應用GPS定位技術就會增加人力、物力成本，在無形之中提高了人工勞動強度，這顯然不符合信息化農業機械發展的需求[8]。而將數字傳感器定位技術與GPS定位技術相結合，應用到農業機械自動化系統中，可以有效地確保GPS的數字化校正精準度。在實際作業中，利用建模技術實現簡單、精確的數字化建模，并利用微型處理器對數據的誤差進行實時校正，從而確保 GPS定位系統的精準度。農機自動控制裝置接收來自機械傳感器的信號，并將其轉化為A/D變換器，再將其輸入CPU，最后進行下一步的工作。但 CPU在進行信號處理時，會產生一種類似于脈沖形式的噪聲，噪聲會對數據的判定產生影響，必須將噪聲降到最低，以達到零點漂移，從而提高GPS定位系統的精準度。

4.4 光電傳感器

光電傳感器可以通過所要檢測的物理量，將數據轉化為光電信息的變化值，之后再利用光電器件把光電信息轉變成電學信號。光電傳感器一般由以下三大部分組成：光電單元、光源器件和光學通道[9]。在農業生產中，播種機是關鍵的機械設備，在播種過程中，自動化控制系統要對播種機的響應速度和可靠性進行調控。在進行播種時，采用光電傳感器，能夠精確地測量出播種量。光電傳感器的構造相對簡單，抗電磁干擾能力較好，而且價格相對低廉，不會對播種機的機械性能產生任何影響。目前，光電傳感技術已發展成了一項有效的種子籽粒間距檢測方法，通過地輪的前進速度以及兩個籽粒的間距來檢測種子籽粒的長度，然后將光電傳感器固定在導管上，進行計數，當每一顆種子被光敏探測器阻擋的時候，它就會產生相應的脈沖信號，而這個脈沖信號就會自動轉換成數據，被系統記錄下來。準確地將導種管的種子數目轉換成由微處理器辨識的信號，是光電傳感器的重要功能之一，光電傳感器的工作狀態與整個播種機的性能和效益有很大的關系，從而對產量產生重要的作用。隨著國內農用機械自動化技術的不斷進步，部分農用噴藥利用液壓機構實現了對噴藥桿位置的平衡和固定，并應用自動化技術，對機械設備的行進速度、植保面積、噴藥壓力、噴藥量等進行了嚴密的監測和調整，使農用機械設備的工作效率和可靠性得到了極大地提高。

4.5 仿生傳感器

仿生傳感技術是一種全新的農業機械探測技術，利用細胞、酶等生物活性材料與轉換器共同構成傳感器。仿生傳感器是近幾年在生物醫藥、電子學和工程學相互融合的基礎上產生的[10]，具有良好的性能和較長的使用壽命。在眾多仿生傳感器中，生體模擬傳感器是應用最為廣泛的一種，而機器人傳感器是最具代表性的生體模擬傳感器。根據機器人傳感器的功能可劃分為位置檢測傳感器、位移檢測傳感器、角度位移檢測傳感器、速度檢測傳感器以及力覺檢測傳感器。隨著中國經濟的發展和社會的轉型，大批農民向城鎮流動，農村人口老齡化問題日趨嚴重，嚴重影響了農業經濟的發展。農業采摘機器人的出現，使得農民的工作強度大大下降，生產效率和品質得到了顯著提升，進一步推動了農業機械自動化技術的發展。針對不同的操作目標和環境，農業采摘機器人采用了多種傳感器來提升采摘作業的感知度和智能度。根據采摘的先后次序，可以分為視覺式、位置式、力式和障礙式。目前，國內已經開發了蘋果、雪梨、火龍果、桃子等水果的采摘機器人技術，還有棉花等農產品的采摘機器人技術也在研發中，進一步推進了農業機械的自動化發展，保障了農業生產的標準化和科學化。

5 結語

隨著農業機械的不斷發展，農業機械自動化系統作為一種新的農機戰略系統，強調了自動化技術在農業機械生產中的重要運用。而傳感器技術是農業機械自動化系統的核心技術，其應用覆蓋了農作物的播種、生長、收割以及加工的全過程，是推動農業機械現代化、信息化和自動化發展的關鍵技術，也是提高農業機械生產效率的有力保障。因此，相關工作者應重視傳感器的應用，落實科學發展觀，根據當前的實際生產作業情況來選擇合適的傳感器，推廣傳感器的應用技術，學習信息化專業知識，以提升農業機械作業精度，推動農業經濟更快、更好發展，助力鄉村振興。