春季霜冻可能会对苹果生产产生毁灭性影响，而气候变暖可能会导致树木提早开花，使它们更容易受到极端寒冷事件的破坏性影响。种植者通过加热果园的树冠来防止花朵结冰的尝试在很大程度上是低效的。

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种防霜网络物理系统，该系统根据实时温度和风向数据做出供暖决策。该系统由温度传感装置、根据风向自动调整方向和角度的丙烷燃料加热器以及将加热系统移动穿过苹果园的无人驾驶地面车辆组成。

最近发表在《农业计算机与电子》杂志上的研究结果表明，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。与附近类似的未受保护的果园区域相比，在一次测试中部署网络物理防冻系统使测试区树冠受到保护的时间增加了一倍以上，在另一次测试中则几乎增加了两倍。

农业与生物工程助理教授、该研究的通讯作者何龙表示，加热是防止苹果花芽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加热。 研究。他说，他们通常没有可用的劳动力来完成供暖，从而导致苹果产量减少或能源浪费。

种植者知道，当温度低于 30 华氏度时，苹果花蕾可能会受到损害，但他们却不敢采取积极的保护措施，因为风会使供暖工作失效。

“当种植者在果园实施供暖任务时，风往往被视为不可控因素，因为它极大地影响了供暖性能，”何说。“为了克服种植者面临的挑战，我们开发了一种能够监测环境并根据监测数据采取行动的系统，利用温度和风传感器感知环境变化，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拉塞尔·E·拉尔森农业研究中心进行，是 农业与生物工程系智能农业研究小组进行的最新研究。第一作者 华伟云(研究生助理)首先利用基于无人机的热像仪拍摄的图像和经过验证的数值模型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 ， 该研究由一个小组进行，该小组创建了一种识别苹果花阶段的算法，并开发了使用无人机相机制作的临界损害温度图。该研究还使用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来规划无人地面车辆完成供暖任务的路径。

华指出，本研究中用于建造测试单元的设备总成本约为 5,000 美元，主要包括车辆 4,500 美元、加热器 200 美元和微型计算机 100 美元。

“大多数情况下，这些零件都是现成的，”她说。“无人地面车辆是电动割草机，拆除了座椅和割草机甲板，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。因此，我所做的制造主要是修改小部件以将系统连接在一起。”

该系统的一个特别创新的方面是华设计的自动旋转和调节加热器的组件。研究人员从开发的数值模型中了解到，他们需要逆着背景风向施加热量，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 15 度角(大致指向钟面上的两个角)可以提供最大的能源利用率。

“我们希望确保气温高于对苹果花有害的临界温度，”华说。“如果加热器指向随风流动的方向，热量会很快从果园中散发出来。但如果我们旋转它——让它更多地迎风——那么热量就会分布得更广泛。”

研究小组成员、农业科学学院农业和生物工程教授 Paul Heinemann 指出，需要更多的研究来推动这项技术进入市场并为苹果种植者提供服务。但他表示，他相信这项研究证明了概念并展示了可能性。

“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，涉及多个单元，在树行之间运行多个加热器，由监控树冠温度的空中无人机引导，”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，因为那里太冷了。’” 然后它可以告诉不同的加热器单元去另一个地方。从模型中，我们知道需要向其中注入多少热量，以及需要多长时间才能再次冷却。”

海涅曼补充说，这将确保不会发生冲突，防止两个单位前往同一个地方。

“这项研究表明，我们可以提高在果园周围使用多个加热器的效率，使用更少的能源来加热，但确保我们到达所有的冷点，”他说。