我國設(shè)施生菜無土生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀及展望.pdf

第2期賈桃等 我國設(shè)施生菜無土生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀及展望6 7 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 2 0 2 0 1 0 我國設(shè)施生菜無土生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀及展望 賈桃1 2 譚蓉1 趙倩1 王利春1 郭文忠1 1 北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心 北京市 1 0 0 0 9 7 2 北京農(nóng)學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院 北京市 1 0 0 0 6 3 摘要 隨著農(nóng)業(yè)4 0的到來 物聯(lián)網(wǎng) 機器視覺 機器制造 自動化技術(shù)等新技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為近幾年的 研究熱點 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也迎來裝備化 無人化的發(fā)展階段 針對我國設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備應(yīng)用還處于發(fā)展階段 總體生產(chǎn)裝備 應(yīng)用不廣泛的現(xiàn)象 闡述我國設(shè)施生菜生產(chǎn)及其機械化管理的必要性 全面梳理從播種 種苗培育 幼苗定植 田間管理到 收獲運輸5個環(huán)節(jié)作業(yè)裝備的應(yīng)用現(xiàn)狀 提出未來設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備在各環(huán)節(jié)智能控制算法 流水線作業(yè) 無人化管理 融合大數(shù)據(jù)平臺等方向的發(fā)展趨勢 以期為我國設(shè)施生菜生產(chǎn)過程智能化 無人化發(fā)展提供建議 關(guān)鍵詞 設(shè)施生菜 智能控制 自動化 大數(shù)據(jù) 中圖分類號 S 6 2 6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 2 0 2 0 0 6 7 0 8 賈桃 譚蓉 趙倩 王利春 郭文忠 我國設(shè)施生菜無土生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀及展望 J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2 0 2 2 4 3 2 6 7 7 4 J i a T a o T a n R o n g Z h a o Q i a n W a n g L i c h u n G u o W e n z h o n g C u r r e n t s t a t u s a n d p r o s p e c t s o f r e s e a r c h o n s o i l l e s s p r o d u c t i o n e q u i p m e n t o f f a c i l i t y l e t t u c e i n C h i n a J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 2 4 3 2 6 7 7 4 收稿日期 2 0 2 1年1 0月2 8日 修回日期 2 0 2 2年1月1 7日 基金項目 寧夏回族自治區(qū) 十三五 重點研發(fā)計劃 2 0 1 9 B B F 0 2 0 1 0 第一作者 賈桃 女 1 9 9 6年生 山西朔州人 碩士研究生 研究方向為農(nóng)業(yè)信息化 E m a i l 9 7 2 1 0 0 2 8 8 q q c o m 通訊作者 郭文忠 男 1 9 7 0年生 寧夏中衛(wèi)人 研究員 博導(dǎo) 研究方向為設(shè)施蔬菜栽培與智能裝備 E m a i l g u o w z n e r c i t a o r g c n 0 引言 近年來 我國蔬菜產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展 據(jù) 2 0 2 1中 國統(tǒng)計年鑒 我國蔬菜種植面積為2 1 1 0 7 h m 2 產(chǎn) 量為7 2 1 0 8 t 1 且市場供應(yīng)充足 品種豐富 特色鮮 明 是我國優(yōu)勢特色種植業(yè)之一 現(xiàn)已逐步發(fā)展為農(nóng)業(yè) 的支柱型產(chǎn)業(yè) 其中從歐洲地中海沿岸傳入中國的生 菜 因其生長發(fā)育 營養(yǎng)口味等優(yōu)質(zhì)特點倍受消費者青 睞 該類生菜種植面積已占全國蔬菜生產(chǎn)面積的 1 0 在我國蔬菜生產(chǎn)中占有重要地位 然而傳統(tǒng)土 壤栽培生產(chǎn) 存在生產(chǎn)效率低 勞動強度大 運輸損耗 率高等問題 對生菜的生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響 因此 為了 提高生菜的生產(chǎn)效率和效益 改善傳統(tǒng)的低產(chǎn)量經(jīng)驗 化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 尤其是大中城市群城郊建立設(shè)施生 菜的現(xiàn)代化生產(chǎn)基地 相關(guān)學(xué)者致力于推動設(shè)施生菜 生產(chǎn)管理及機械方面的研究 并取得了大量的研究成 果 其中 以水培為主的生菜生產(chǎn) 基本實現(xiàn)了生產(chǎn)過 程裝備化的初步階段 從而為設(shè)施生菜的生產(chǎn)裝備發(fā) 展奠定了基礎(chǔ) 本文綜述了目前設(shè)施生菜無土生產(chǎn)各 環(huán)節(jié)裝備的研究現(xiàn)狀 然后對當(dāng)前裝備研究和應(yīng)用存 在的問題進(jìn)行分析 并在此基礎(chǔ)上對未來發(fā)展方向進(jìn) 行展望 1 設(shè)施生菜生產(chǎn)及其機械化管理的必要性 設(shè)施生菜生產(chǎn)具有生育期短 生長速度較快 植株 矮小單一 單位面積上株數(shù)多等特點 且生菜中含有豐 富的胡蘿卜素 維生素 纖維素以及鈣 鐵 鉀等微量元 素 可以滿足人體所需要的營養(yǎng)成分 也具有減緩慢性 疾病 提高人體免疫力 延緩衰老 促進(jìn)生長發(fā)育等功 能 2 現(xiàn)已成為農(nóng)業(yè)種植與每日食譜首選 另外 由于 生菜柔嫩含水量大 易損耗 通過長途外運易造成葉菜 損耗大 新鮮程度低 品質(zhì)下降 因此 我國對于生菜 的需求與日俱增 而傳統(tǒng)的生菜生產(chǎn)方式效率低下 費 時費力 已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)和市場需求 然而生菜在生產(chǎn)過程中 對生長環(huán)境 土壤及水肥 的要求較高 容易形成經(jīng)驗化農(nóng)業(yè)且生產(chǎn)成本較高 需 要大量的勞動力 產(chǎn)量也不能得到保證 除此之外 生 菜種子萌發(fā)到餐桌食用的過程標(biāo)準(zhǔn)化程度高 比較容 易實現(xiàn)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有效串聯(lián) 并結(jié)合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 實現(xiàn)高效種植自動調(diào)度 如以下3個方面 1 各生產(chǎn)環(huán) 第4 3卷 第2期 2 0 2 2年2月 中國農(nóng)機化學(xué)報 J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 3 N o 2 F e b 2 0 2 2 6 8 中國農(nóng)機化學(xué)報2 0 2 2年 節(jié)作業(yè)裝備 2 各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)運裝備 3 面向?qū)ο蟮淖詣?種植調(diào)度 因此 隨著科技的不斷發(fā)展 研究開發(fā)系列 設(shè)施生菜生產(chǎn)管理機械化裝備和無人化作業(yè)十分必要 以此增加單位面積的栽培株數(shù) 降低勞動強度 提高產(chǎn) 量 實現(xiàn)精細(xì)化管控生菜生產(chǎn) 建立全新的設(shè)施生菜生 產(chǎn)模式和技術(shù)體系 把設(shè)施生菜年產(chǎn)量提高到5 0 k g m 2 以上 大幅度超過傳統(tǒng)生菜年產(chǎn)量1 1 0 4 k g m 2的生產(chǎn) 水平 實現(xiàn)我國生菜生產(chǎn)模式顛覆性的技術(shù)革新 由此 可以看出 我國設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備化 智能化 無人化是 未來的發(fā)展趨勢 2 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備應(yīng)用現(xiàn)狀 設(shè)施生菜生產(chǎn)管理過程主要包含精量播種 種苗 培育 幼苗定植 田間管理 收獲運輸5個環(huán)節(jié) 目前 物聯(lián)網(wǎng) 農(nóng)業(yè) 的形式已被大力推行 大大提高了農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)力 利用各種傳感器對農(nóng)作物所需的溫濕度 C O 2濃度 光照強度等環(huán)境因子進(jìn)行實時監(jiān)測與調(diào) 控 3 4 利用P L C控制器和H M I人機界面實現(xiàn)水肥一 體化精準(zhǔn)控制以及生菜的采收等環(huán)節(jié) 現(xiàn)階段 自動 化生產(chǎn)裝備已經(jīng)應(yīng)用到每一個環(huán)節(jié) 但對應(yīng)的配套生 產(chǎn)線作業(yè) 還在逐步研究中 2 1 精量播種 為保證種子的出苗率 要對生菜種子用溫水或藥 劑進(jìn)行播前消毒 在種子入土過程中可能會遭到逆境 的侵襲而延緩萌發(fā) 甚至不能出苗 有的種子體積太小 或者外形無規(guī)則 不利于機械播種 為了解決這一問 題 一般會用薄膜包衣或者丸?；夹g(shù)處理種子 5 從 而提高種子質(zhì)量保證苗齊苗壯 播種作為生菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié) 其主要過程如 圖1所示 其精度和效率直接影響成苗質(zhì)量 因此出現(xiàn) 了多種自動播種裝備 根據(jù)播種原理 現(xiàn)有的播種設(shè)備 可以大致分為機械式 氣力式和磁吸式3類 因為生菜 種子無規(guī)則 粒徑小的特點 故以氣吸滾筒播種機應(yīng)用 最為廣泛 它利用真空吸附原理 依靠渦旋氣泵及振 動器 通過滾筒上的吸孔吸附儲種盒中的種子 當(dāng)滾 筒勻速轉(zhuǎn)到下方時 在正壓和種子自身重力的作用下 使種子恰好落入穴盤之中 6 7 有效避免了多播漏播 平均播種精度大概在7 5 以上 在自動播種裝備基礎(chǔ)上 針對現(xiàn)有播種線自動化 程度低 機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜 工作協(xié)調(diào)性差 播種精度低等 問題 配合電控元器件 形成了比較典型的播種流水 線 如圖2所示 可自動實現(xiàn)基質(zhì)攪拌 發(fā)盤 上料裝 基 壓穴 播種 裂解 覆基 噴水等工序 8 1 0 有效提高 了作業(yè)效率與播種精度并且降低了空穴率 圖1 播種流程圖 F i g 1 S e e d i n g f l o w c h a r t 圖2 精量播種生產(chǎn)線 F i g 2 P r e c i s i o n s e e d i n g p r o d u c t i o n l i n e 王晨健等 1 1 研發(fā)的新型生菜精量播種裝備 依靠 兩排吸嘴旋轉(zhuǎn)往復(fù)運動并按順序交替完成播種作業(yè) 由導(dǎo)種管實現(xiàn)種子降落無偏差 并完成快速精確排種 試驗結(jié)果表明 播種成功率達(dá)到9 0 6 重播率為 6 7 漏播率為2 7 有效保證了排種效率 達(dá)到 了精量播種的要求 但該裝備負(fù)壓分流管內(nèi)壓強和氣 流速度會影響取種效果 導(dǎo)致吸嘴入口處的壓力大小 不穩(wěn)定 容易漏播或重播 李小冉等研究的小型氣力 式蔬菜精量播種機 適用于溫室大棚 提高了播種機的 適應(yīng)性 正負(fù)壓作用排種有效解決了種子粘盤而漏播 的問題 攪拌裝置的設(shè)計 有效提高了排種器的充種 率 但種子掉入種箱時 速度較大 容易產(chǎn)生飛彈現(xiàn) 象 為解決種子不規(guī)則 難吸附 排種不穩(wěn)定等問題 曾山等 1 2 設(shè)計了一種氣吸式小粒種精量穴播排種器 在正負(fù)壓作用下 排種器性能得到了優(yōu)化 但要想保 證播種效率 就必須確定排種器的合理工作壓力范圍 祁兵等 1 3 在氣力集排式精量排種器基礎(chǔ)上 對排種器 內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬 并結(jié)合分割實體方法 得出漏 播率維持較低水平的排種器室壓力范圍 進(jìn)一步提升 了播種精度 綜上所述 這些播種裝備工作原理大致相同 均有 效解決了由于生菜種子質(zhì)量輕 粒徑小 形狀無規(guī)則所 造成的重播率漏播率高 播種精度低 自動化控制程度 低等問題 實現(xiàn)了播種裝備的精量化和高效化 但這 些裝備中對于壓強 氣流速度等因素的要求嚴(yán)格 可能 會差生誤差 2 2 種苗培育 種苗培育是生菜種子萌發(fā)成為壯苗最關(guān)鍵的環(huán) 節(jié) 傳統(tǒng)的土壤育苗由于土壤未經(jīng)消毒處理存在細(xì)菌 第2期賈桃等 我國設(shè)施生菜無土生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀及展望6 9 真菌 所以根部容易發(fā)生病蟲害 低效且浪費資源 目 前逐漸被穴盤育苗和潮汐式育苗 植物工廠代替 從而 實現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥高效無污染 生菜的穴盤育苗一般采用 7 2孔或者1 2 8孔穴盤 基質(zhì)一般使用泥炭和珍珠巖 潮汐式育苗主要是一種從底部灌溉育苗的方式 如 圖3所示 能充分利用育苗容器空間 節(jié)省勞動用工 6 0 9 0 主要通過施肥機和循環(huán)管路控制元器件 讓水肥在閉合系統(tǒng)內(nèi) 零排放 循環(huán)使用 便捷高效 供 給準(zhǔn)確性較高 顯著提高了水肥利用率 也實現(xiàn)了自動 化管理和工廠化生產(chǎn) 1 4 而植物工廠如圖4所示 是 通過一定的工程技術(shù)手段 對影響幼苗生長的所有環(huán) 境因素如溫度 濕度 光照 C O 2以及營養(yǎng)液等進(jìn)行高 精度自動控制 不受自然環(huán)境限制 能確保幼苗在穩(wěn) 定 合理的條件下生長 從而保證幼苗的高品質(zhì) 生產(chǎn) 能力穩(wěn)定 1 5 1 7 潮汐式育苗和植物工廠育苗均可實現(xiàn) 產(chǎn)量高 周期短 速度快 污染少 效益高 并有效提高 了我國的設(shè)施利用率 前者可以實現(xiàn)9 0 以上的水肥 利用率 并且栽培床下沒有雜草生長 可有效減少菌類 滋生 除此之外 潮汐式育苗床使用壽命較長 但是嚴(yán) 禁暴曬 而后者相比之下最大的優(yōu)勢體現(xiàn)在質(zhì)量 其過 程無污染 無蟲害也不使用農(nóng)藥 另外 植物工廠初始 投入和后期維護(hù)成本較高 并且耗電量巨大 很大程度 上限制了推廣和使用 1 8 圖3 潮汐式育苗床 F i g 3 T i d a l s e e d l i n g b e d 圖4 植物工廠培育生菜 F i g 4 P l a n t f a c t o r y c u l t i v a t e s l e t t u c e 種苗培育過程中還應(yīng)解決水肥光溫氣的耦合調(diào) 控 以此來確保幼苗的正常生長 避免弱病苗和死苗存 在的現(xiàn)象 其中 水肥方面主要結(jié)合水肥一體化技術(shù) 利用灌溉設(shè)備的同時 把水分 養(yǎng)分均勻精準(zhǔn)且定時定 量地供給作物 環(huán)境溫濕度作為最基本的重要條件 已 經(jīng)從基于經(jīng)驗的手動控制發(fā)展到了現(xiàn)在的基于多源信 息融合的智能控制階段 通過環(huán)境監(jiān)測傳感器等原位 生理監(jiān)測傳感技術(shù) 利用無線傳感網(wǎng)絡(luò) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 并融合A I技術(shù) 結(jié)合模糊理論 遺傳算法等數(shù)學(xué)工具 建立與植物生長模型相適應(yīng)的精細(xì)環(huán)境控制模型 嘗 試形成自適應(yīng)學(xué)習(xí)的設(shè)施環(huán)境控制 大腦 2 3 幼苗定植 定植指的是將生菜苗從密集的穴盤里移植到低密 度 栽培空間較大的水培槽中繼續(xù)培育 傳統(tǒng)的人工 定植方法因為勞動強度大 生產(chǎn)效率低而逐漸被定植 裝備所取代 由于技術(shù)要求和經(jīng)濟的影響 定植裝備 的形式也呈現(xiàn)多樣化 如圖5和圖6所示的X Y Z 型移植機和機械手臂型移植機 前者設(shè)計復(fù)雜但成本 較低 而后者設(shè)計簡易但成本較高 定植裝備的核心 部件 機械手 一般采用氣壓傳動 該方式成本較低 反應(yīng)靈敏 易于控制 以拾取部件分類主要有鏟式和針 式兩種 前者適用于小苗定植 精度高但尺寸較大 容 易對基質(zhì)造成破壞 后者依靠伸縮針的傾角對基質(zhì)進(jìn) 行提取 能夠有效避免基質(zhì)塊的破裂 1 9 但對控制精 細(xì)程度要求更高 圖5 X Y Z型移植機 F i g 5 X Y Z t r a n s p l a n t a t i o n m a c h i n e 圖6 機械手臂型移植機 F i g 6 R o b o t i c a r m t y p e t r a n s p l a n t e r 童俊華等 2 0 研究的葉菜高速稀植機構(gòu) 適用于泥 炭基質(zhì)育苗方式 利用所設(shè)計的針爪式多移植手進(jìn)行 稀植移栽作業(yè) 可實現(xiàn)穴盤內(nèi)成排取苗和栽培槽變間 距并行植苗作業(yè) 經(jīng)過試驗測得 移栽的平均效率為 7 0 中國農(nóng)機化學(xué)報2 0 2 2年 3 9 5 6株 h 成功率為9 6 7 但是該裝置作業(yè)部件在 碰撞過程中 容易導(dǎo)致缽苗基質(zhì)掉落在外部或者傾斜 于內(nèi)部 影響幼苗生長 王超等 2 1 研究的氣動下壓式 高速取苗裝置 通過 有序供盤 連續(xù)送苗 氣動下壓取 苗 自由投苗 等作業(yè)工序 改善了取苗頻率低 基質(zhì)破 損等的問題 經(jīng)過試驗驗證 其頻率已經(jīng)達(dá)到7 2 0 0 株 h 實現(xiàn)了高速取苗 同種夾取式取苗方式還有英 國的P e a r s o n自動蔬菜移栽機 2 2 將缽苗成排取出進(jìn) 行定植 移栽的作業(yè)效率高達(dá)1 4 4 0 0株 h 龍新華等 研究的穴盤苗自動移栽機 苗盤進(jìn)給裝置用 已 字型 進(jìn)行移位 實現(xiàn)整個過程的取苗 拔苗和投苗 經(jīng)過試 驗驗證 該裝置可以提高移栽效率 精確性可靠 但是 由于裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜 環(huán)節(jié)較多 橫向和縱向位移的距離 不精準(zhǔn) 極易差生誤差 劉凱等研究的移栽機器人 用 視覺相機提供每顆苗是否滿足移栽條件的觸發(fā)信號 后 通過兩臺P L C間的邏輯控制系統(tǒng)對移栽機械手進(jìn) 行調(diào)相和移栽作業(yè) 在挑選了符合基準(zhǔn)幼苗的同時有 效提高了幼苗定植的精度 但該過程對秧苗輸送的精 度要求較高 如出現(xiàn)誤差會導(dǎo)致機械手定位不準(zhǔn) 無法 移栽 黃林生等 2 3 研究的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生菜 多光譜圖像分割與配準(zhǔn) 對生菜多光譜進(jìn)行精準(zhǔn)分割 結(jié)合邊緣提取算法對生菜多光譜圖像進(jìn)行精確配準(zhǔn) 有利于無損監(jiān)測生菜生長狀態(tài)和確定其采摘時期 但 在近距離采集各通道圖像時 很容易產(chǎn)生位移偏差 以上研究均針對基質(zhì)缽苗 并融合了先進(jìn)的傳感 器技術(shù)和自動控制技術(shù) 大幅度提高了移栽作業(yè)效率 保證了幼苗移栽的質(zhì)量問題 在裝備功能方面 已經(jīng) 從過去單一的精準(zhǔn)定位功能 發(fā)展到了篩選和定位的 多功能集成 但是這些裝備在移送作業(yè)過程中會伴隨 著變速運動 而運動過程中因為夾持力 摩擦力 沖擊 力的大小改變而產(chǎn)生誤差 很容易導(dǎo)致苗針夾苗不穩(wěn) 缽苗基質(zhì)散落 均不利于幼苗后期生長 另外 定植裝 備中主要部件設(shè)計復(fù)雜 維修也很困難 2 4 田間管理 隨著設(shè)施生菜種植規(guī)模的逐步擴大 田間管理成為 幼苗定植后的重要環(huán)節(jié) 旨在運用系列設(shè)施裝備來提高 生菜的生長質(zhì)量與抗病能力 傳統(tǒng)的管理模式以經(jīng)驗 農(nóng)業(yè)為主 難以及時監(jiān)測生菜生長信息 目前設(shè)施生菜 的栽培模式在不斷地完善 田間管理也采用系統(tǒng)模塊化 的設(shè)計 運行性能穩(wěn)定 依據(jù)各傳感器的數(shù)據(jù)對生菜生 長的環(huán)境 溫濕度 輻射等因素進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控 有效控制 了生菜生產(chǎn)過程中的水肥光溫氣問題 保證生菜能夠吸 收充足的水分和養(yǎng)分 提高抵抗力 從而減少病蟲害的 入侵 從根本上提高了設(shè)施生菜的質(zhì)量問題 我國對設(shè)施生菜的立體栽培模式進(jìn)行了大量的研 究 如墻體栽培 立柱式栽培和三層栽培架的使用 如 圖7所示 這些栽培模式保證了生菜的種植密度 同 時 有效提高了單位面積產(chǎn)出率和空間利用效率 節(jié)約 了土地資源 且操作過程簡單 減輕了勞動力強度 2 4 對產(chǎn)品經(jīng)濟效益具有重要意義 但是上述普通立體栽 培模式受光照影響較大 上層光照條件充足而下層被 遮擋 造成各層光照分布不均勻 容易產(chǎn)生葉片遮光現(xiàn) 象和光照不充足的情況 從而 導(dǎo)致產(chǎn)量差異較為明 顯 因此 相關(guān)研究提出一種立體錯位栽培模式 如圖 8所示 這種模式將栽培槽按照上下左右不同的間距 分層放置 可以充分提高生菜生產(chǎn)的光照利用率 圖7 栽培架 F i g 7 C u l t i v a t i o n r a c k 圖8 立體錯位栽培 F i g 8 T h r e e d i m e n s i o n a l d i s l o c a t i o n c u l t i v a t i o n 病蟲害防治是田間管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 主要以化學(xué) 方法為主 傳統(tǒng)噴灑農(nóng)藥方式頻率高 劑量大 容易造 成農(nóng)藥污染 而我國的智能精準(zhǔn)噴藥裝備正在逐步發(fā) 展中 現(xiàn)階段一般采用噴霧機器人裝備結(jié)合傳感器技 術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)來根據(jù)規(guī)劃好的路徑引導(dǎo)施藥 然后根 據(jù)設(shè)施生菜作物的大小以及稠密程度進(jìn)行變速噴霧達(dá) 到按需噴藥 同時實現(xiàn)機器人的自由行走 楊征鶴 等 2 5 研究的對靶噴霧機器人能夠及時發(fā)現(xiàn)病蟲害 找 到病蟲害發(fā)生的位置 實現(xiàn)對靶精準(zhǔn)噴藥 靳文停 等 2 6 研究的履帶式噴藥機器人 以單片機為核心 利 用履帶底盤 攪拌機自主攝像頭等原件結(jié)合光電傳感 器 避障傳感器實現(xiàn)溫室內(nèi)噴藥作業(yè) 目前病蟲害的 防治與機器視覺不斷融合 有效提高了病蟲害的識別 效率和準(zhǔn)確性 水肥調(diào)控是田間管理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié) 主要采用單片 機或可編程控制器等作為C P U 配合模擬量采集單元 和液位 流量 E C p H等傳感器 2 7 實時監(jiān)測生菜生 長動態(tài) 并結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律和水分養(yǎng)分吸收特 第2期賈桃等 我國設(shè)施生菜無土生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀及展望7 1 征 控制外圍施肥機 以持續(xù)為作物提供最佳生長環(huán) 境 即利用水肥一體化裝備 如圖9所示 實現(xiàn)水肥的 按需供給 國外的水肥一體化裝備 如以色列的耐特 菲姆N e t B e a t和荷蘭的p r i v a施肥機等 集成度高 體 系性強 其產(chǎn)品已非常成熟且形成產(chǎn)業(yè)并對外出口 我國的水肥一體化裝備雖然起步較晚 但經(jīng)過幾年的 快速發(fā)展 已經(jīng)基本上擺脫了對進(jìn)口設(shè)備的依賴 不論 是首部裝備還是控制策略 均取得了較大的進(jìn)展 2 8 并針對不同作物進(jìn)行了大量需水規(guī)律或灌溉方法試 驗 初步形成了符合我國氣候特征的智能灌溉方法 圖9 全自動水肥一體化設(shè)備 F i g 9 F u l l a u t o m a t i c w a t e r f e r t i l i z e r i n t e g r a t i o n e q u i p m e n t 其中 國內(nèi)一些公司開發(fā)生產(chǎn)的滴灌系列 管道管 件 過濾系列等高效灌溉產(chǎn)品 保證了水肥一體化首部 和末端的穩(wěn)定性 中國農(nóng)業(yè)機械化研究院研制的2 0 0 0 型溫室自動灌溉施肥系統(tǒng) 天津市水利科學(xué)研究所研 制的F I C S 1和F I C S 2型滴灌施肥智能化控制系 統(tǒng)等進(jìn)一步推動了我國水肥一體化設(shè)備的開發(fā)和推 廣 北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心開發(fā)的 水肥一體化裝備集成了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 信息傳感技術(shù)和 控制技術(shù) 2 9 3 0 運行穩(wěn)定 應(yīng)用效果明顯 用少量多次 的水肥耦合供液模式代替了傳統(tǒng)大水大肥的管控方 式 解放了勞動力 減少了水分滲漏 有效解決了水肥 管理智能化水平低 水肥不協(xié)調(diào)以及水肥利用效率低 下的問題 2 5 收獲運輸 生菜的收獲過程一般包括拔取 輸送 切根 剝?nèi)~ 裝箱等環(huán)節(jié) 3 1 自動化收獲不僅速度更快 而且有利 于提升蔬菜的保鮮質(zhì)量 能夠切斷各個途徑的污染 減 少病菌傳播等 劍橋大學(xué)研發(fā)的自主生菜采摘機器人 如圖1 0所示 能夠自主識別和收獲生菜 融入機器學(xué) 習(xí)的算法訓(xùn)練 在天氣不定的情況下也能識別健康的 生菜 但是 針對精確定位采摘的發(fā)力點和生菜的健 康度識別一直都是一個巨大的挑戰(zhàn) 仍需要不斷研究 我國目前對于生菜采收領(lǐng)域的自動化裝置也正在 逐步研究中 徐鵬等 3 2 設(shè)計的水培葉菜收獲機 利用 往復(fù)式移動裝置 限位裝置 轉(zhuǎn)運裝置和旋轉(zhuǎn)切刀實現(xiàn) 水培葉菜的切割 采用軌道移動式收獲機和輸送帶相 結(jié)合的方式進(jìn)行采收 試驗結(jié)果表明 當(dāng)葉菜株距為 0 2 m 收獲生產(chǎn)效率為3 0 s 棵時 收獲成功率為 8 6 7 有效提升了收獲成功率 但如果葉菜行發(fā)生 位置偏移時 作業(yè)效果將會產(chǎn)生偏差 繆鵬等設(shè)計的 收獲機控制系統(tǒng) 利用對行探測機構(gòu)迅速檢測 并調(diào)整 偏轉(zhuǎn)角度 實現(xiàn)自動對行 經(jīng)過試驗 作業(yè)效果良好 吳偉等 3 3 設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的中小型采收平臺 主要完成菜類的采摘和切根等操作 成功率均達(dá)到 8 0 以上 但仍采用定時間間隔運行的模式 不能進(jìn)行 自動識別收獲 莫浩 3 4 研究的水培奶油生菜裝置 利 用P L C檢測定植板的輸入 就位后用切根裝置迅速完 成切根操作 然后用單氣缸進(jìn)行生菜的拔取搬運動作 該裝置經(jīng)過試驗 切根成功率為8 2 搬運成功率為 8 5 但是該裝置不能保證定植板是否成功到達(dá)指定 位置 可能會造成切根不合格 除此之外 由于剪切刀 具刀刃長短不適 也會產(chǎn)生影響 圖10 自主式生菜采摘機器人 F i g 1 0 A u t o n o m o u s l e t t u c e p i c k i n g r o b o t 除此之外 生菜運輸存儲過程中因葉片柔嫩且含 水量大 容易受損腐爛 因此 生菜的保鮮和溯源問題 尤為重要 對生菜進(jìn)行包裝 并提供高濕和氣調(diào)環(huán)境 可以有效保持生菜的新鮮程度 徐燦 3 5 研究的水培 生菜自動包裝裝置樣機 選擇包裝盒 薄膜相結(jié)合的包 裝方案 動作基本由單片機控制 包裝盒進(jìn)入輸送帶 后 到達(dá)目標(biāo)位置 進(jìn)行封膜 該裝置經(jīng)過試驗驗證 包裝成功率達(dá)到9 2 可以有效減少生菜運輸過程中 的損傷 提高水培生菜的商品價值 但是由于拉伸力 大小和刀刃長度無法精確把握 可能會導(dǎo)致切膜 拉膜 失敗 姜含露等設(shè)計的葉菜溯源系統(tǒng) 搭建了生產(chǎn)信 息管理 在線監(jiān)測模塊 倉庫銷售管理和系統(tǒng)管理 實 現(xiàn)了從生產(chǎn)到銷售的信息覆蓋 并結(jié)合Z i g B e e模塊構(gòu) 建R F I D組網(wǎng)環(huán)境 對葉菜的存儲進(jìn)行了質(zhì)量監(jiān)督 實 現(xiàn)了運輸?shù)乃菰垂芾?3 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備存在的問題 設(shè)施生菜生產(chǎn)管理裝備正在經(jīng)歷著從機械化到自 動化 信息化 智能化的變革 我國是世界農(nóng)機制造和 使用大國 全國農(nóng)作物耕種收綜合機械化率超過 7 1 但是農(nóng)業(yè)裝備行業(yè)整體大而不強 裝備總量高 但智能化水平低 裝備作業(yè)量大 但智能作業(yè)量少 本 7 2 中國農(nóng)機化學(xué)報2 0 2 2年 文分析了設(shè)施生菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)現(xiàn)有的機械裝備 目前 仍存在以下問題需要重點關(guān)注和解決 3 1 農(nóng)機與農(nóng)藝不相融 我國耕地面積較大 分布范圍廣泛 每個地區(qū)在農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)中 裝備參數(shù)不同 互相獨立 很難形成統(tǒng)一的 標(biāo)準(zhǔn) 3 6 導(dǎo)致部分裝備無法大范圍推廣應(yīng)用 其中針 對設(shè)施生菜很多裝備 應(yīng)用范圍也存在一定的差異性 大部分裝備適用于大田或大棚等環(huán)境 但卻不適合設(shè) 施水培環(huán)境 這主要源于對農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合工作缺乏基 本的認(rèn)識與溝通 農(nóng)藝部門僅將產(chǎn)量作為工作重點 而 農(nóng)機技術(shù)將有機械生產(chǎn)代替人工勞作 降低人工投入 成本作為工作重點 致使農(nóng)機與農(nóng)藝工作分別進(jìn)行 3 2 設(shè)施生菜生產(chǎn)過程裝備技術(shù)研究薄弱 我國農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)業(yè)正在由高速增長向中速增長轉(zhuǎn) 變 尚未形成完善的以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的全程機械化 技術(shù)模式和高度智能化的機器配置系統(tǒng) 1 設(shè)施生菜生產(chǎn)各裝備長時間作業(yè)會因為關(guān)鍵部 件表面的光滑程度 磨損程度等因素 在運行過程中出 現(xiàn)死點 卡頓現(xiàn)象 另外 因裝置設(shè)計的復(fù)雜特性 對于 磨損嚴(yán)重的關(guān)鍵部件 壽命較低 維修成本也相對較高 2 設(shè)施生菜的自動移栽取苗技術(shù)還處于研究階 段 大部分裝備取苗時會受夾持力影響 從而降低取苗 的成功率 除此之外 機械手入土位置及收縮拾取模 式對于保證基質(zhì)塊的完整性仍然存在不足 導(dǎo)致幼苗 根系損傷 成活率未能得到保障 3 設(shè)施生菜生產(chǎn)中的收獲裝備與包裝裝備 精準(zhǔn) 定位技術(shù)尚不成熟 切割位置定位過高會導(dǎo)致收獲損 失較大 定位偏低會導(dǎo)致切割阻力增大 刀片表面磨 損 關(guān)鍵部件使用壽命降低 同時 定位不精準(zhǔn)也會導(dǎo) 致刀片切割時 刀刃長度不夠 采收時切根失敗或者包 裝時割膜失敗 4 設(shè)施生菜運輸過程中 為保持生菜的新鮮度 包裝時會對生菜進(jìn)行一定的壓縮 而目前我國缺乏對 生菜擠壓特性的研究 導(dǎo)致包裝裝備方面的相關(guān)成果 缺乏 而且 針對運輸過程中已經(jīng)造成生菜損傷情況 的補救措施與裝備使用情況的研究較少 除此之外 專門針對生菜的溯源系統(tǒng)不夠完善 很少有這方面的 研究成果出現(xiàn) 5 播種時為保證種子出苗率需篩選種子活性 移 栽時為提高幼苗成活率需篩選幼苗的合格度 收獲時 為識別生菜的合格率需篩選葉面積大小等 以上裝備 的識別都需要用到圖像處理技術(shù) 目前常見的是辣椒 與番茄的識別研究 而對于生菜裝備的圖像處理技術(shù) 應(yīng)用研究非常少 4 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備研究展望 隨著我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展 設(shè)施生菜的產(chǎn)量 質(zhì)量 價值等方面要求也在不斷提高 只有加快生產(chǎn)機 械化技術(shù)的創(chuàng)新 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng) 機器視覺 人工智能等 新一代信息技術(shù)手段 推動生產(chǎn)裝備和技術(shù)向更高水 平發(fā)展 提高智能感知技術(shù)的精準(zhǔn)度 可靠性和實時 性 更好地為自動調(diào)度提供強有力的技術(shù)支撐 因此 如何合理銜接各道工序 實現(xiàn)無間隙多岔口高效生產(chǎn) 大幅提高生菜生產(chǎn)效率 解決當(dāng)前供需矛盾成為了近 幾年農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域的熱門研究課題 在未來的發(fā)展 方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面 1 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備實現(xiàn)智能控制 趨向于全程 裝備化 智能化 無人化方向發(fā)展 農(nóng)業(yè)機器人集成的 傳感器技術(shù) 檢測技術(shù) 通信技術(shù)和精密機械技術(shù)等前 沿科學(xué)技術(shù) 能夠更好地應(yīng)用于設(shè)施生菜生產(chǎn)管理各 環(huán)節(jié)中 如智能噴藥 智能監(jiān)測實時數(shù)據(jù) 及時預(yù)警并 采取措施 自主采收 結(jié)合各環(huán)節(jié)生產(chǎn)裝備能夠更好地 實現(xiàn)增產(chǎn) 增收 2 設(shè)施生菜生產(chǎn)裝備實現(xiàn)流水線作業(yè) 目前 設(shè) 施生菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)之間相互銜接功能還未達(dá)到要求 只停留在單個設(shè)備的自動控制中 在下一階段的發(fā)展 中 應(yīng)該加大力量開發(fā)各環(huán)節(jié)銜接作業(yè)裝備 突破各階 段間的機械控制設(shè)備的銜接算法 以形成流水線作業(yè) 模式 實現(xiàn)無間隙多岔口的高效生產(chǎn) 實現(xiàn)機械控制設(shè) 備系統(tǒng)的全自動化 3 生產(chǎn)管理過程由單一的信息系統(tǒng)向融合大數(shù) 據(jù)平臺的方向不斷演變 現(xiàn)階段僅僅依靠單一的信息 技術(shù)并不能完全解決設(shè)施生菜生產(chǎn)面臨的問題 而需 要大數(shù)據(jù) 專家系統(tǒng) 人工智能 機器視覺等綜合性的 系統(tǒng)方法 實現(xiàn)設(shè)施生菜的生產(chǎn)管理一體化管控和智 能化控制 5 結(jié)束語 本文全面梳理了設(shè)施生菜從播種 種苗培育 幼苗 定植 田間管理到收獲運輸各個過程的作業(yè)裝備應(yīng)用 現(xiàn)狀 并根據(jù)裝備的使用情況總結(jié)出了現(xiàn)有裝備的不 足 為提升我國設(shè)施生菜的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益 加快 設(shè)施生菜生產(chǎn)過程朝著高效化 高質(zhì)化 精準(zhǔn)化 智能 化 無人化方向發(fā)展提供了有益借鑒 參 考 文 獻(xiàn) 1 祁亞卓 相姝楠 國內(nèi)外蔬菜播種機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨 勢 J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2 0 2 0 4 1 1 2 0 5 2 0 8 Q i Y a z h u o X i a n g S h u n a n R e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p m e n t 第2期賈桃等 我國設(shè)施生菜無土生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀及展望7 3 t r e n d o f v e g e t a b l e s e e d e r a t h o m e a n d a b r o a d J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 0 4 1 1 2 0 5 2 0 8 2 分子植物育種 編輯團隊 生菜 J 分子植物育種 2 0 2 1 1 9 1 0 3 4 8 6 3 吳菊 王呈陽 趙會娟 物聯(lián)網(wǎng)加主要葉菜砂培技術(shù)初 探 J 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué) 2 0 1 7 5 8 5 7 7 1 7 7 3 7 7 6 4 柴孟江 張熙燁 潘敏睿 等 溫室智能大棚與精準(zhǔn)灌溉物 聯(lián)網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng) J 北方園藝 2 0 2 1 1 2 1 4 7 1 5 4 5 佟靜 吳萍 季延海 等 葉用萵苣 生菜 單粒播種 一次 成苗穴盤育苗技術(shù) J 中國蔬菜 2 0 1 9 9 9 9 1 0 0 6 廖慶喜 雷小龍 廖宜濤 等 油菜精量播種技術(shù)研究進(jìn) 展 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2 0 1 7 4 8 9 1 1 6 L i a o Q i n g x i L e i X i a o l o n g L i a o Y i t a o e t a l R e s e a r c h p r o g r e s s o f p r e c i s i o n s e e d i n g f o r r a p e s e e d J T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y 2 0 1 7 4 8 9 1 1 6 7 雷小龍 楊文浩 楊龍君 等 油菜精量穴播集中排種裝置 設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2 0 2 0 5 1 2 5 4 6 4 L e i X i a o l o n g Y a n g W e n h a o Y a n g L o n g j u n e t a l D e s i g n a n d e x p e r i m e n t o f s e e d h i l l s e e d i n g c e n t r a l i z e d m e t e r i n g d e v i c e f o r r a p e s e e d J T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y 2 0 2 0 5 1 2 5 4 6 4 8 尚書旗 吳秀豐 楊然兵 等 小區(qū)育種播種裝備與技術(shù)研 究現(xiàn)狀與展望 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2 0 2 1 5 2 2 1 2 0 S h a n g S h u q i W u X i u f e n g Y a n g R a n b i n g e t a l R e s e a r c h s t a t u s a n d p r o s p e c t o f p l o t s o w i n g e q u i p m e n t a n d t e c h n o l o g y J T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y 2 0 2 1 5 2 2 1 2 0 9 楊昌敏 莊文化 徐一 等 蔬菜穴盤育苗精量播種機研 究 J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2 0 2 0 4 1 2 1 3 1 8 Y a n g C h a n g m i n Z h u a n g W e n h u a X u Y i e t a l S t u d y o n v e g e t a b l e t r a y p r e c i s i o n s e e d e r J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 0 4 1 2 1 3 1 8 1 0 馬旭 譚永炘 齊龍 等 水稻秧盤育秧精密播種流水線 軟硬秧盤自動疊放裝置 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2 0 1 6 4 7 3 2 9 3 6 M a X u T a n Y o n g x i n Q i L o n g e t a l A u t o m a t i c t r a y s t a c k i n g d e v i c e f o r h a r d a n d s o f t t r a y o f r i c e p r e c i s i o n s e e d i n g f o r n u r s i n g s e e d l i n g s p i p e l i n e J T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y 2 0 1 6 4 7 3 2 9 3 6 1 1 王晨健 王琨琦 趙倩 等 生菜精量播種方法研究與裝 備開發(fā) J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2 0 1 9 4 0 1 0 8 2 8 7 W a n g C h e n j i a n W a n g K u n q i Z h a o Q i a n e t a l S t u d y o n t h e p r e c i s i o n s e e d i n g m e t h o d o f l e t t u c e a n d e q u i p m e n t d e v e l o p m e n t J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 1 9 4 0 1 0 8 2 8 7 1 2 曾山 文智強 劉偉健 等 氣吸式小粒蔬菜種子精量穴 播排種器優(yōu)化設(shè)計與試驗 J 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2 0 2 1 4 2 6 5 2 5 9 Z e n g S h a n W e n Z h i q i a n g L i u W e i j i a n e t a l O p t i m a l d e s i g n a n d e x p e r i m e n t o f a i r s u c t i o n p r e c i s i o n h o l e s o w i n g s e e d m e t e r i n g d e v i c e f o r s m a l l g r a i n v e g e t a b l e s e e d J J o u r n a l o f S o u t h C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 1 4 2 6 5 2 5 9 1 3 祁兵 孫旭亮 張文毅 等 氣力集排式精量排種器內(nèi)部 流場分析與試驗研究 J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2 0 2 0 4 1 1 1 1 6 Q i B i n g S u n X u l i a n g Z h a n g W e n y i e t a l I n t e r n a l f l o w f i e l d a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l r