网络物理加热系统可以保护果园里的苹果花

春季霜冻可能会对苹果生产产生毁灭性影响，气候变暖可能会导致树木过早开花，使其更容易受到极端寒冷事件的破坏性影响。种植者试图通过加热果园的树冠来防止花朵结冰，但收效甚微

为了解决日益恶化的问题，宾夕法尼亚州立大学的研究人员设计了一个防冻网络物理系统，该系统根据实时温度和风向数据做出供暖决策。该系统由一个温度传感装置、一个丙烷燃料加热器和一辆无人地面车组成，前者可根据风向自动调整方向和角度，后者可在苹果园中移动加热系统

最近发表在《农业中的计算机和电子》上的研究结果表明，在低温下进行的两次测试中，网络物理防冻系统大大减少了对苹果树芽的损害。与附近类似的无保护果园相比，在一次测试中部署网络物理防霜系统使测试区树冠的保护时间增加了一倍多，在另一次测试中将时间增加了近两倍

该研究的通讯作者、农业与生物工程助理教授、研究员龙河表示，施加热是防止苹果花蕾受损的最有效方法之一，但种植者很难确定何时何地在果园中施加热。他说，他们通常没有可用的劳动力来完成供暖，这导致苹果作物减产或能源浪费

种植者知道，当温度降至30°F以下时，苹果花蕾会受到损害，但他们不敢采取积极的保护措施，因为风会使加热工作无效

来源：宾夕法尼亚州立大学“当种植者在果园执行供暖任务时，风往往被视为一个不可控因素，因为它会极大地影响供暖性能，”他说。“为了克服种植者面临的挑战，我们开发了一个能够监测环境并根据监测数据采取行动的系统，使用温度和风力传感器来感知环境变化，然后做出相应的供暖决策。”

这项研究在宾夕法尼亚州立大学的Russell E.Larson农业研究中心进行，这只是农业与生物工程系专注于智能农业的研究小组的最新研究。第一作者、研究生助理华伟云首次利用基于无人机的热像仪和经过验证的数值模型拍摄的图像确定了苹果园的传热模式

然后，她结合了早期发表的研究结果，该研究由该小组进行，该小组创建了一种识别苹果花阶段的算法，并开发了一个使用无人机相机制作的临界损伤温度图。这项研究还使用了基于无人机的热图像相机来确定温度图，该温度图用于生成热量需求图。华利用所有这些信息为无人地面车完成供暖任务规划了路径

华指出，这项研究中用于建造测试单元的设备总成本约为5000美元，主要包括4500美元的车辆、200美元的加热器和100美元的微型计算机。“无人地面车是一台电动割草机，去掉了座椅和割草机平台，安装了自动控制装置。我们使用的加热器是商用加热器，但它不是果园加热器，而是室内空间加热器。所以，我所做的制造主要是修改小部件，将系统连接在一起。”

该系统的一个特别创新的方面是华设计的自动旋转和调整加热器的组件。研究人员从开发的数值模型中了解到，他们需要在背景风向下施加热量，以减少果园的热量损失。之前的研究表明，加热器出口和树行之间的角度为15度，大致指向钟面上的两个角度，可以最大限度地利用能量

华说：“我们想确保气温超过对苹果花造成破坏的临界温度。”。“如果加热器指向它随风流动的方向，热量会很快从果园中排出。但如果我们旋转它——使它更多地面向风——那么热量就会分布得更广。”

研究小组成员、农业科学学院农业和生物工程教授Paul Heinemann，他指出，还需要更多的研究来推动这项技术进入市场，并将其提供给苹果种植者。但他说，他相信这项研究展示了概念的证明，并证明了什么是可能的

“我们从这个项目中得到的一件事是，如果你有一个非常大的果园，你可以进行路径规划，包括多个单元，在空中无人机的引导下，在树行之间运行多个加热器，监测树冠温度，”他说

“空中无人机会向加热装置车辆发送信号，说‘开车到这个地方去，因为那里太冷了。’然后它可以告诉另一个加热装置去另一个地方。”。从模型中，我们知道需要在那里放多少热量，以及需要多长时间才能再次冷却。“

这将确保没有冲突，防止两个单位去同一个地方，”Heinemann补充道