摘要：我國是農業生產大國，農業種植面積和多種農產品產量居世界前列，但是我國農業生產自動化程度相對較低，農業效益提升潛力大。光電技術在提升農業效益方面大有可為。概述了光電技術在農業工程中的應用現狀，并展望了光電技術在農業工程中的發展趨勢。

　　關鍵詞：光電技術；農業工程；光電傳感器；光源

　　０引言

　　是農業生產大國，農業種植面積和多種農產品總產量居世界前列。然而，相對于很多發達而言，并非農業強國。如北歐的丹麥，單個農民的年產值可以供給近２００普通人的生活和消費；荷蘭溫室產品單位面積的產量全球第一，其西紅柿單位面積產量是我國的５倍以上。農業工程涉及面廣，除了傳統的生物技術、土壤改良技術以外，還涉及機械、電子、能源和規劃等諸多領域的關鍵技術。光電技術主要包括光的產生與控制技術、光傳輸與波導技術、光探測與顯示技術及光與物質相互作用的應用技術［１］。光電技術產業也是２１世紀的朝陽科技產業，光電技術廣泛應用于工業生產、農業工程、國防科技、環保建設、航空航天和生物醫藥等領域。光電技術與農業工程結合，極大地促進了農業工程的發展。本文從３個方面闡述光電技術在農業工程中的應用與發展情況。

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　　１農業機械和農用傳感器

　　光電傳感器廣泛應用在播種、噴霧和移栽等多種農業機械中。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件３部分組成。其基本原理是以光電效應為基礎，把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號［２］。光電傳感器一般以內光電效應為原理的光敏電阻、光敏晶體管等和以光生伏特效應為原理的光電池等器件為主。

　　１.１光電傳感器在排種、播種中的應用

　　播種是農業增收的第１環節。快速、可靠及高自動化的播種裝備檢測系統是我國農業檢測裝備中亟需完善的部分。目前，國內外的種子粒距檢測均以光電傳感器檢測為主，屬于間接測量，不能直接反映播種機運行情況及播種速度［３］。精密播種機的廣泛應用已成為現代播種技術的主要特征，是播種技術的主要發展方向。其中一類是將發紅外光二極管作為點光源放在凸透鏡焦點上，在透鏡的另一面產生平行光束均勻地照在硅光電池上，當有種子下落時就會由硅光電池產生相應的脈沖。脈沖再經過放大電路整形后送入單片機系統，單片機系統經過計算模塊計算后輸出所需要的信息［４］。另一類發射元件采用激光二極管，受光元件使用光敏二極管。利用發光器件ＬＥＤ的直徑、受光器件光敏二極管受光面直徑、排種管直徑與農作物種子直徑的差異，半導體光源發射的光線經反光鏡反射覆蓋整個排種管，從而進行監測工作［５］。上述兩種基于光電傳感器的精密播種機，可以監測和計算農作物播種時的重播率、漏播率與合格率等數據。趙軍等［６］設計的評估排種器下落種距的光電系統信號接收器如圖１所示。其采用的光電傳感器為反應速度較快的光敏管，另一端放置ＬＥＤ光源。當光線被阻擋即種子通過時，光電傳感器輸出一個高電平。計算機通過計算種子下落的時間間距，可以對播種種距進行評估。

　　１.２光電傳感器在節水灌溉中的應用

　　我國傳統農業灌溉以大水漫灌為主，不僅導致水資源浪費、降低水的利用率，且容易導致土地退化，生產力下降。節水灌溉技術的推廣及應用，不僅可以減少水資源浪費，還可以提高水的利用率，有利于我國經濟發展。以滴灌、微噴灌、涌泉灌和地下滲灌為代表的微灌技術是諸多節水技術中省水率最高的一種先進節水灌溉技術［７］。光電傳感器在微灌系統中的作用主要是利用光敏特性，對微灌系統輸水管道的水流量、灌水器液位等進行檢測。魏玲等［８］設計的灌溉管道監測系統的流量檢測電路如圖２所示。其采用紅外光電二極管和高靈敏度光敏晶體管組成的光電傳感器ＳＴ１４５。遮光盤在水流推動下轉動，當邊緣小孔經過ＳＴ１４５的凹槽時，ＳＴ１４５輸出較大的電流，反之無電流輸出。最終信號由微處理器計算得到水流量。整個輸水管道中有多個監測節點，當發生泄漏，各節點水流量的代數關系會被打破，以此達到監測目的。

　　１.３光電傳感器在移栽機械中的應用

　　在傳統農作物移栽作業中，轉移、篩選工作由人工完成，連續工作會使人疲勞，降低生產效率。目前已有移栽機器人有２條傳送帶，一條用于傳送插盤，另一條用于傳送盆狀容器，其他主要部件還包括插入式拔苗器、杯狀容器傳送帶、漏插分選器和插入式栽培器。該類型移栽機在開發時，采用了光電傳感器、發射機和接收機。當杯中的植物從發射器與接收器之間經過時，如果光線被莖或葉子擋住，就可以斷定苗在杯中，傳感器可以上下調整以改變拒絕低于標準的劣苗的閥門，通過杯傳送帶的轉動將劣苗拋在廢料箱中［３］。

　　２植物工廠農業工程技術依托

　　３次工業革命的發展，逐漸向自動化、智能化和信息化發展。第３次工業革命（信息技術）催生了光機電一體化技術，并正在農業領域得到廣泛利用，“光”不僅作為信息，而且作為“能量”輸入到農業生物與生產系統［１３］。２０世紀５０年代以來，一種高度自動控制的植物栽培系統———植物工廠興起。植物工廠是一種可通過計算機對設施內作物生產過程中的溫度、濕度、光照和水肥等生產要素進行自動控制，使植物不受或很少受自然條件影響，從而實現作物周年生產的高效植物生產方式［１４］。荷蘭在太陽光及其與人工光并用型植物工廠技術領域居世界領先地位，荷蘭植物工廠最高產量可高達９０ｋｇ∕ｍ２［１５］。

　　植物光合作用在可見光光譜（３８０～７６０ｎｍ）范圍內所吸收的光能，約占接收照射光能的６０％～６５％，其中主要是波長為６１０～７２０ｎｍ的紅、橙光和波長為４００～５１０ｎｍ的藍、紫光［１６］。早期在植物補光照明領域使用的人工光源大都存在光效低、能耗大等缺點，能耗費用約占系統運行成本的２０％～４０％，如高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素燈和白熾燈等［１７］。隨著ＬＥＤ技術的發展和制造成本的下降，ＬＥＤ光源在現代農業中已成為世界各國農業補光照明的主流光源［１８］。

　　３害蟲防治及畜牧業

　　農業害蟲是影響農作物產量的重要因素。害蟲防治、蟲情監測也是農業科研的一個重要方向。傳統害蟲捕殺主要通過化學藥劑防治，但是藥劑防治會使害蟲抗藥性越來越強，最終會導致正常用藥劑量無法殺滅害蟲［２４］。

　　昆蟲趨光性是昆蟲固有的行為學特性之一，影響昆蟲取食、交配和繁殖，可以利用昆蟲趨光行為進行害蟲防治［２５］。ＬＥＤ燈具有波長范圍窄、光色單一、亮度高、能耗低和壽命長的特點，是最佳的誘蟲光源。波長單一的ＬＥＤ光源不僅能夠解決傳統光源光譜范圍廣、害蟲針對性差等缺點，而且在同樣能耗情況下，ＬＥＤ光強較其他光源更強，燈光的覆蓋面積更大，控害范圍更廣，大大提高了靶標害蟲的誘集率，降低了對天敵和中性昆蟲的潛在傷害［２５?２６］。在公園或動物放養區放置的太陽能滅蠅燈如圖８所示，一方面可以有效殺滅蠅蟲，提升相應區域動物或人類活動的舒適度，另一方面還可

　　４展望

　　４.１發展專用光電智能配件

　　光電技術作為２１世紀的高新產業，在農業工程中的應用還屬于起步階段。雖然大量研究與實踐證明，光電技術作為信息化技術的重要一環，在農業工程中的應用范圍廣、應用結合度高，但由于光電器件與農機器械的研發與生產尚處在探索、研究階段，光電技術在農業工程中的普及度還不夠高。如激光平地機的核心元件（激光器、接收器、水平及高度傳感器等）研制水平雖然相對完善，但供給農業專用平地機的元件還很少，不能完全適應農用平地機的使用要求［１１］。雖然有助于產蛋和促進進食的燈光系統已成為養雞場的標配，但這種標配還有很大的提升空間。目前，多數肉雞養殖場采用高色溫燈光系統定時照明，蛋雞養殖場采用暖色（色溫約２７００Ｋ）燈光系統定時照明。養殖場希望能采用更智能化的燈光控制器，如控制器可以在雞進食期起用紅光，進食結束紅光關閉，適當補充綠光照明，促進鈣質吸收。但市場上類似的專用智能控制器還并不成熟。針對不同的養殖禽、畜需用不同的燈光系統及相應的智能控制系統。同樣的，對于植物工廠的照明補光系統，不同的作物對光照的需求不同，因此對應的燈光控制系統也不同。智能燈光控制系統需要光電技術人才與農業技術有機結合才能研發出好的成熟產品。

　　４.２光電技術和人工智能有機結合

　　光電技術和人工智能有機結合是未來農業工程的發展趨勢之一。未來農業工程要向高度自動化、智能化方向發展。我國是農業大國，降低農業人力、物力成本和提高農產品產量是基本需求。雖然一些大型農場的播種、施肥甚至采摘等都實現了機械化和自動化，但對于一些較為分散的種植區域，機械化和自動化程度還相對較低，需要較大的人力成本。如南方的馬鈴薯種植，雖然在很多環節已基本實現機械化，但仍有不少過程需要人力參與，如在收獲過程中，馬鈴薯被翻至地面后，還需要人工撿拾［２９］。另外，在一些果樹的果實采摘過程中，人工采摘可能存在一定風險，有必要研發具有識別功能的機器人，能自動識別成熟果實并完成采摘。國外已有自動采摘機器人相關研究，能自動識別成熟的西紅柿并完成采摘（圖１０）。雖然當前采摘機器人和人工相比還不夠完善，但后續產品升級可能實現紅棗、蘋果等水果精準采摘，相比人力的優勢將逐漸顯現。通過機器視覺識別與自動化技術相結合做成可替代人工的機器人，是光電技術應用于農業工程的發展趨勢之一。

　　５結束語

　　隨著光電技術的發展和人力成本的提高，光電技術在農業工程中的應用會更加廣泛。光電技術已滲透到農業機械及其傳感器、植物工廠和畜牧養殖的方方面面。農業工程發展需要光電技術工作者與其他技術人員一起，研發更多能夠應用于農業工程的有針對性的專用智能化器件和產品。光電技術也要與人工智能等相結合，開發出更多能替代人力的產品。

　　參考文獻

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　　葉瑞濤，熊正燁，李永強，師文慶