光电技术在农业工程中的应用与展望

叶瑞涛，熊正烨，李永强，师文庆

(广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088)

0 引言

中国是农业生产大国，农业种植面积和多种农产品总产量居世界前列。然而，相对于很多发达国家而言，中国并非农业强国。如北欧的丹麦，单个农民的年产值可以供给近200普通人的生活和消费；荷兰温室产品单位面积的产量全球第一，其西红柿单位面积产量是我国的5倍以上。

1 农业机械和农用传感器

光电传感器广泛应用在播种、喷雾和移栽等多种农业机械中。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号[2]。光电传感器一般以内光电效应为原理的光敏电阻、光敏晶体管等和以光生伏特效应为原理的光电池等器件为主。

1.1 光电传感器在排种、播种中的应用

播种是农业增收的第1环节。快速、可靠及高自动化的播种装备检测系统是我国农业检测装备中亟需完善的部分。目前，国内外的种子粒距检测均以光电传感器检测为主，属于间接测量，不能直接反映播种机运行情况及播种速度[3]。

精密播种机的广泛应用已成为现代播种技术的主要特征，是播种技术的主要发展方向。其中一类是将发红外光二极管作为点光源放在凸透镜焦点上，在透镜的另一面产生平行光束均匀地照在硅光电池上，当有种子下落时就会由硅光电池产生相应的脉冲。脉冲再经过放大电路整形后送入单片机系统，单片机系统经过计算模块计算后输出所需要的信息[4]。另一类发射元件采用激光二极管，受光元件使用光敏二极管。利用发光器件LED的直径、受光器件光敏二极管受光面直径、排种管直径与农作物种子直径的差异，半导体光源发射的光线经反光镜反射覆盖整个排种管，从而进行监测工作[5]。上述两种基于光电传感器的精密播种机，可以监测和计算农作物播种时的重播率、漏播率与合格率等数据。

赵军等[6]设计的评估排种器下落种距的光电系统信号接收器如图1所示。其采用的光电传感器为反应速度较快的光敏管，另一端放置LED光源。当光线被阻挡即种子通过时，光电传感器输出一个高电平。计算机通过计算种子下落的时间间距，可以对播种种距进行评估。

图1 光电系统信号接收器Fig.1 Signal receiver for optoelectronic system

1.2 光电传感器在节水灌溉中的应用

我国传统农业灌溉以大水漫灌为主，不仅导致水资源浪费、降低水的利用率，且容易导致土地退化，生产力下降。节水灌溉技术的推广及应用，不仅可以减少水资源浪费，还可以提高水的利用率，有利于我国经济发展。

以滴灌、微喷灌、涌泉灌和地下渗灌为代表的微灌技术是诸多节水技术中省水率最高的一种先进节水灌溉技术[7]。光电传感器在微灌系统中的作用主要是利用光敏特性，对微灌系统输水管道的水流量、灌水器液位等进行检测。

魏玲等[8]设计的灌溉管道监测系统的流量检测电路如图2所示。其采用红外光电二极管和高灵敏度光敏晶体管组成的光电传感器ST145。遮光盘在水流推动下转动，当边缘小孔经过ST145的凹槽时，ST145输出较大的电流，反之无电流输出。最终信号由微处理器计算得到水流量。整个输水管道中有多个监测节点，当发生泄漏，各节点水流量的代数关系会被打破，以此达到监测目的。

图2 流量检测电路Fig.2 Flow detection circuit

1.3 光电传感器在移栽机械中的应用

在传统农作物移栽作业中，转移、筛选工作由人工完成，连续工作会使人疲劳，降低生产效率。目前已有移栽机器人有2条传送带，一条用于传送插盘，另一条用于传送盆状容器，其他主要部件还包括插入式拔苗器、杯状容器传送带、漏插分选器和插入式栽培器。该类型移栽机在开发时，采用了光电传感器、发射机和接收机。当杯中的植物从发射器与接收器之间经过时，如果光线被茎或叶子挡住，就可以断定苗在杯中，传感器可以上下调整以改变拒绝低于标准的劣苗的阀门，通过杯传送带的转动将劣苗抛在废料箱中[3]。

该现象好发于血液循环代谢能力差的人身上——来不及将体内多余的水排出去，水分滞留在微血管内甚至回渗到皮肤中，因而产生膨胀浮肿现象。对此，习惯在睡前大量喝水的人、久坐不动的人、饮食口味重的人、经常熬夜的人以及天生体质代谢差的人要密切注意，适当改善生活习惯，特别是晨起后及时“伸伸懒腰，跑跑步”，水肿往往自行消退。

田磊等[9]设计的基于PLC和光电传感器控制的穴盘苗自动移栽装置如图3所示。其利用光电传感器作为机器识别装置，通过光电传感器对穴盘位置和空穴进行检测，实现穴盘苗的自动化移栽过程。

图3 自动移栽机器人Fig.3 Automatic transplanting robot

1.4 激光技术在平整地中的应用

我国是一个水资源短缺的国家，整体水资源呈现人均少、地域分布不均衡的特点。农业水资源有利用不完全、利用率低和耗费量大的特点。发展节水农业、提高水资源利用率，也是当下现代农业发展的一种趋势。

平整土地是提高农田灌溉效率、节约水资源的一项重要措施。通过平整土地可有效提高农业生产水资源的利用率，是提高农田灌溉效率的有效技术措施之一[10]。激光平整地技术是利用激光独有特性，将激光束作为控制手段来控制液压平地机具的升降高度[11]。激光平整地技术可以实现大片土地平整自动化、节约劳动力和减少农民劳动强度。

平整的农田表面有利于入渗水分的相对均匀分布，可有效减少田间深层漏水量损失，起到改善地面灌测系统性能、提高田间灌水效率和灌溉均匀性的作用。经精细平整后的土地田间灌水效率最高可达90%以上，灌溉均匀度也能得到有效改善[12]。

国内生产的一种激光平地机如图4所示。其工作原理是激光发射器发射基准圆平面激光，位于刮地铲上的光接收机将接受的光信号输送到控制器，控制器处理后控制液压机执行工作。

图4 激光平地机Fig.4 Laser land leveling machine

2 植物工厂

农业工程技术依托3次工业革命的发展，逐渐向自动化、智能化和信息化发展。第3次工业革命(信息技术)催生了光机电一体化技术，并正在农业领域得到广泛利用，“光”不仅作为信息，而且作为“能量”输入到农业生物与生产系统[13]。20世纪50年代以来，一种高度自动控制的植物栽培系统——植物工厂兴起。植物工厂是一种可通过计算机对设施内作物生产过程中的温度、湿度、光照和水肥等生产要素进行自动控制，使植物不受或很少受自然条件影响，从而实现作物周年生产的高效植物生产方式[14]。荷兰在太阳光及其与人工光并用型植物工厂技术领域居世界领先地位，荷兰植物工厂最高产量可高达90 kg/m2[15]。

植物光合作用在可见光光谱(380～760 nm)范围内所吸收的光能，约占接收照射光能的60%～65%，其中主要是波长为610～720 nm的红、橙光和波长为400～510 nm的蓝、紫光[16]。早期在植物补光照明领域使用的人工光源大都存在光效低、能耗大等缺点，能耗费用约占系统运行成本的20%～40%，如高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯和白炽灯等[17]。随着LED技术的发展和制造成本的下降，LED光源在现代农业中已成为世界各国农业补光照明的主流光源[18]。

合理利用光电技术，可以制造出适合农作物生长的人工环境，生产出高品质、高产量的农产品，从而获得高收益。荷兰国土面积只有我国的1/24，且其纬度和我国漠河相近，有着漫长难熬的冬天。从自然条件来说，荷兰不太适合发展农业，但其农产品出口额远高于我国。荷兰利用光电技术结合农业工程，制造了多种适合农作物生长的人工环境，从而使得荷兰的温室产品单位面积产量位居世界第一[19]。中国温室西红柿产量10～15 kg/m2，而荷兰则高达70～80 kg/m2，荷兰温室番茄如图5所示。因为合理利用光电技术结合农业工程，荷兰在几乎不补贴农业的情况下，成为欧盟最大的农产品和种子出口国。

图5 荷兰温室西红柿Fig.5 Dutch tomato in greenhouse

光电技术与农业工程相结合，可以极大缓解耕地面积缺乏问题。通过综合集成生物技术、农业技术和光电工程技术，摆脱了气候、地域和季节对作物栽培的制约，能够做到周年生产、工厂化生产和订单计划生产，同时有利于水分、热量和肥料的高效循环利用，资源利用高效，环境友好。植物工厂可在荒滩、滩涂、沙漠、石漠化地区和土壤严重污染地区开展农业生产，扩大了可耕地资源；植物工厂还可以充分利用可再生能源，在这些非耕地上，利用较为丰富的太阳能、风能，发电后直接就近输入植物工厂，将电能转变为物质(农产品)，便于保存、流通。

以色列植物工厂通过智能系统自动控制水、肥、温度和湿度，克服土壤、气候问题，最大限度给植物最合适的环境，从而实现高产。利用光电技术实现调气、调光，包括窗帘和天窗，以及对阳光的自动反射调节等[20-21]。在夏季高温期合理休种，通过对阳光的透射和反射调节，使土温上升到60℃以上，达到给土壤灭菌杀虫的效果。以色列用智能系统将光电技术与滴灌技术相结合，在沙漠上建成了欧洲花园和欧洲的“冬季厨房”，成为仅次于荷兰的全球第2大花卉供应国和欧洲最重要的冬季蔬菜供应国[22]。以色列植物工厂中的草莓如图6所示。

图6 以色列植物工厂的草莓Fig.6 Strawberries in Israeli plant factory

我国植物工厂发展起步较晚。2009年，国内第1例植物工厂研发成功，并在长春投入运行。国内植物工厂经历了引进消化、自主研发和应用推广3个阶段，现处于发展的活跃期与上升期[23]。虽然我国植物工厂起步晚，但发展十分迅速。目前，我国正大力推进植物工厂的发展，国家和企业对植物工厂的研发投入连年上升。现有超过200家企业涉及到植物工厂的研发或运营工作。国家政策也大力支持国内植物工厂的研发与建设。2013年，我国正式将植物工厂项目列入国家863科技发展计划。植物工厂中的蔬菜如图7所示。

图7 植物工厂中的蔬菜Fig.7 Vegetables in plant factory

国内植物工厂因发展时间尚短，许多植物工厂项目尚处在研发和实验阶段，主要分布在一些科研试验基地，还未达到真正意义上的普及和盈利阶段。目前，国内植物工厂还存在自主研发程度不高、投资运营成本较高、普及率低和盈利模式不成熟等问题。

3 害虫防治及畜牧业

农业害虫是影响农作物产量的重要因素。害虫防治、虫情监测也是农业科研的一个重要方向。传统害虫捕杀主要通过化学药剂防治，但是药剂防治会使害虫抗药性越来越强，最终会导致正常用药剂量无法杀灭害虫[24]。

昆虫趋光性是昆虫固有的行为学特性之一，影响昆虫取食、交配和繁殖，可以利用昆虫趋光行为进行害虫防治[25]。LED灯具有波长范围窄、光色单一、亮度高、能耗低和寿命长的特点，是最佳的诱虫光源。波长单一的LED光源不仅能够解决传统光源光谱范围广、害虫针对性差等缺点，而且在同样能耗情况下，LED光强较其他光源更强，灯光的覆盖面积更大，控害范围更广，大大提高了靶标害虫的诱集率，降低了对天敌和中性昆虫的潜在伤害[25-26]。在公园或动物放养区放置的太阳能灭蝇灯如图8所示，一方面可以有效杀灭蝇虫，提升相应区域动物或人类活动的舒适度，另一方面还可以根据灯内捕获的蝇虫估计相应区域的虫害情况。

图8 太阳能灭蝇灯Fig.8 Solar fly-killing light

人工补光照明是畜禽养殖业环境控制的重要手段之一。科学地使用人工光照能够合理调控畜禽的生长代谢、生长发育，减少疾病发生[27]。

李云雷等[27]采用LED灯作为人工光源，研究4种光照颜色对黄羽肉鸡生长性能和胴体性能的影响。研究表明，蓝光和绿光环境中鸡只生长速度较快，但是绿光条件下鸡只体增重标准差较大。合理地运用光色，可以控制鸡只的生长发育、调节鸡只的性腺发育，从而提高黄羽肉鸡的生产效率和效益。有助于产蛋和促进进食的灯光系统已成为养鸡场的标配。近年来，研究人员通过适当的LED光照调节，显著促进了畜禽生长，增强了畜禽免疫力，提升了畜禽养殖的生产潜力[17，28]。养鸡场内的灯光系统如图9所示。

图9 养鸡场内的灯光系统Fig.9 Lighting system in chicken farm

4 展望

4.1 发展专用光电智能配件

光电技术作为21世纪的高新产业，在农业工程中的应用还属于起步阶段。虽然大量研究与实践证明，光电技术作为信息化技术的重要一环，在农业工程中的应用范围广、应用结合度高，但由于光电器件与农机器械的研发与生产尚处在探索、研究阶段，光电技术在农业工程中的普及度还不够高。如激光平地机的核心元件(激光器、接收器、水平及高度传感器等)研制水平虽然相对完善，但供给农业专用平地机的元件还很少，不能完全适应农用平地机的使用要求[11]。虽然有助于产蛋和促进进食的灯光系统已成为养鸡场的标配，但这种标配还有很大的提升空间。目前，多数肉鸡养殖场采用高色温灯光系统定时照明，蛋鸡养殖场采用暖色(色温约2 700 K)灯光系统定时照明。养殖场希望能采用更智能化的灯光控制器，如控制器可以在鸡进食期起用红光，进食结束红光关闭，适当补充绿光照明，促进钙质吸收。但市场上类似的专用智能控制器还并不成熟。针对不同的养殖禽、畜需用不同的灯光系统及相应的智能控制系统。同样的，对于植物工厂的照明补光系统，不同的作物对光照的需求不同，因此对应的灯光控制系统也不同。智能灯光控制系统需要光电技术人才与农业技术有机结合才能研发出好的成熟产品。

4.2 光电技术和人工智能有机结合

光电技术和人工智能有机结合是未来农业工程的发展趋势之一。未来农业工程要向高度自动化、智能化方向发展。我国是农业大国，降低农业人力、物力成本和提高农产品产量是基本需求。虽然一些大型农场的播种、施肥甚至采摘等都实现了机械化和自动化，但对于一些较为分散的种植区域，机械化和自动化程度还相对较低，需要较大的人力成本。如南方的马铃薯种植，虽然在很多环节已基本实现机械化，但仍有不少过程需要人力参与，如在收获过程中，马铃薯被翻至地面后，还需要人工捡拾[29]。另外，在一些果树的果实采摘过程中，人工采摘可能存在一定风险，有必要研发具有识别功能的机器人，能自动识别成熟果实并完成采摘。国外已有自动采摘机器人相关研究，能自动识别成熟的西红柿并完成采摘(图10)。虽然当前采摘机器人和人工相比还不够完善，但后续产品升级可能实现红枣、苹果等水果精准采摘，相比人力的优势将逐渐显现。通过机器视觉识别与自动化技术相结合做成可替代人工的机器人，是光电技术应用于农业工程的发展趋势之一。

图10 基于视觉识别的西红柿采摘机器人Fig.10 Tomato picking robot based on visual recognition

5 结束语

随着光电技术的发展和人力成本的提高，光电技术在农业工程中的应用会更加广泛。光电技术已渗透到农业机械及其传感器、植物工厂和畜牧养殖的方方面面。农业工程发展需要光电技术工作者与其他技术人员一起，研发更多能够应用于农业工程的有针对性的专用智能化器件和产品。光电技术也要与人工智能等相结合，开发出更多能替代人力的产品。