精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析

張　波，翟長遠(yuǎn)，李瀚哲，楊　碩

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析

張波，翟長遠(yuǎn)，李瀚哲，楊碩

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：精準(zhǔn)施藥以提高農(nóng)藥利用率、降低農(nóng)藥殘留對食品和環(huán)境污染為目的，是施藥發(fā)展的方向。為此，首先介紹了國內(nèi)外精準(zhǔn)施藥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，包括變量施藥控制系統(tǒng)、控制算法、對靶施藥控制技術(shù)和基于處方圖施藥技術(shù)現(xiàn)狀分析。其次，分析了國內(nèi)外精準(zhǔn)施藥裝備發(fā)展現(xiàn)狀：普遍應(yīng)用于果園的風(fēng)送施藥機(jī)極大提高了工作效率及噴霧均勻性；風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)適用于大田噴霧，在減小勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)提高了噴霧均勻性，降低了藥液漂失量；循環(huán)噴霧機(jī)以回收利用沉積藥液為目的，可提高藥液的利用效率，減輕對環(huán)境的污染。最后，通過比較國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，指出國內(nèi)精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究不足，需要利用電子信息和自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)一步提升精準(zhǔn)施藥裝備水平。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)施藥；對靶施藥；處方圖；施藥裝備

0引言

目前，在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)藥仍然是防治病蟲草害的主要手段。據(jù)有關(guān)資料顯示，農(nóng)藥的使用可使全世界每年挽回20%～25%的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量[1-3]。但我國植保機(jī)械發(fā)展落后和傳統(tǒng)施藥方式不科學(xué)造成農(nóng)藥利用率低、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染等問題，成為制約農(nóng)藥使用的“瓶頸”[4]。

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，精準(zhǔn)施藥技術(shù)及相關(guān)裝備成為解決以上問題的有效手段，是施藥裝備發(fā)展的方向[5-6]。精準(zhǔn)施藥的技術(shù)核心點(diǎn)在于獲取農(nóng)田小區(qū)域病蟲草害信息，并根據(jù)其差異性采取變量施藥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)按需施藥[3，5]。精準(zhǔn)施藥以顯著提高農(nóng)藥利用率、極大減輕環(huán)境污染等為優(yōu)勢，已經(jīng)得到了大力發(fā)展與廣泛應(yīng)用。對于施藥技術(shù)與裝備的研究，國外起步較早，發(fā)展較成熟。但近年來，隨著國內(nèi)外技術(shù)交流越來越頻繁，我國精準(zhǔn)施藥技術(shù)及相關(guān)裝備的研究也取得了可喜的成績[6-8]。為此，本文就國內(nèi)外精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備的發(fā)展進(jìn)行了分析。

1精準(zhǔn)施藥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1變量施藥控制系統(tǒng)及算法

變量施藥主要基于控制器對實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行采集，并利用一定控制算法對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。王利霞[8]等基于ARM7系列的S3C44B0X微處理器，采集機(jī)具作業(yè)位置信息、行進(jìn)速度、噴頭入口壓力及噴頭噴藥量信息，并根據(jù)網(wǎng)格位置對電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)按需施藥。變量噴藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　變量噴藥控制系統(tǒng)框圖

黃勝[9]等基于AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)了變量施藥機(jī)的恒壓變量控制系統(tǒng)，并建立了系統(tǒng)總管道藥液壓力的PID控制和施藥量模糊控制模型，實(shí)現(xiàn)了施藥機(jī)的恒壓變量控制。張發(fā)軍[10]等結(jié)合深圳隆瑞科技有限公司開發(fā)的6WC-30Y-G型車載噴霧機(jī)，針對智能噴霧決策條件的不確定性和模糊性，提出了一種基于模糊控制規(guī)則的決策方法模型，較好地滿足了車載智能噴霧中實(shí)時(shí)施藥控制要求。

1.2對靶變量噴霧控制技術(shù)

傳統(tǒng)噴霧方式往往是連續(xù)噴霧，造成農(nóng)藥在地面上大量沉積，其甚至多于在靶標(biāo)上的沉積量。針對果園植株種植不連續(xù)的情況，對靶變量噴霧控制技術(shù)可以達(dá)到更好的施藥效果。對靶技術(shù)主要使用傳感器進(jìn)行靶標(biāo)探測，如紅外傳感器、超聲波傳感器、圖像傳感器(CCD)等。翟長遠(yuǎn)[11]等針對幼樹靶標(biāo)難以探測的問題，基于紅外傳感器設(shè)計(jì)了幼樹靶標(biāo)探測器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該探測器能同時(shí)探測到噴霧器兩側(cè)果樹樹干，并根據(jù)用戶設(shè)置的噴霧寬度和延遲距離等參數(shù)，準(zhǔn)確控制電磁閥的開閉進(jìn)行對靶噴藥，有效解決了低矮幼樹靶標(biāo)探測問題。

圖2　幼樹靶標(biāo)探測器總體設(shè)計(jì)框圖

劉金龍[12]等針對非連續(xù)種植的農(nóng)作物連續(xù)施藥造成環(huán)境污染的問題，設(shè)計(jì)了一種基于模擬正弦調(diào)制的紅外靶標(biāo)探測系統(tǒng)，可對一定株距的農(nóng)作物進(jìn)行自動(dòng)對靶施藥，有效減少了農(nóng)藥的浪費(fèi)。李麗[13]等設(shè)計(jì)了對靶施藥控制系統(tǒng)，利用紅外傳感器判斷靶標(biāo)有無，并輔佐綠色傳感器判斷靶標(biāo)是否為綠色，達(dá)到了只對綠色農(nóng)作物進(jìn)行施藥的目的，進(jìn)一步減少了農(nóng)藥的浪費(fèi)。

紅外傳感器探測面積小，存在因枝葉間隙造成開關(guān)誤動(dòng)作現(xiàn)象；而超聲波傳感器屬于面探測，可有效地解決類似的問題。翟長遠(yuǎn)[14]等基于超聲傳感器搭建了靶標(biāo)外形輪廓探測試驗(yàn)平臺(tái)，并針對規(guī)則樹冠和櫻桃樹進(jìn)行了對靶探測試驗(yàn)，取得了很好的效果，證明了超聲靶標(biāo)探測的可行性。王萬章[15]等采用超聲波傳感器在拖拉機(jī)行駛中檢測樹冠輪廓，由兩個(gè)輪廓邊緣確定樹冠直徑的方法在果樹噴霧控制中能較精確地反映果樹樹冠的大小，為果樹仿行噴霧控制和果園果樹生長信息采集提供了技術(shù)方法。Solanelles[16]等將超聲波傳感器和比例調(diào)節(jié)閥應(yīng)用于風(fēng)送噴霧機(jī)上，根據(jù)測得的樹寬控制噴霧流量，從而極大地節(jié)約了施藥量。

CCD圖像傳感器成本雖然較高、處理速度較慢，但結(jié)合一定圖像處理技術(shù)也可對作物病蟲害信息進(jìn)行探測。饒洪輝[17]等利用CCD圖像傳感器采集靶標(biāo)信息，經(jīng)過圖像處理之后控制電機(jī)移動(dòng)對靶標(biāo)進(jìn)行噴霧。Moshou[18]等利用CCD及光譜儀作為檢測設(shè)備，采用一定圖像處理算法有效判別出感染條銹病的小麥。Yang[19]等采用高光譜技術(shù)，利用主成分分析和ISODATA技術(shù)實(shí)現(xiàn)探測棉花根腐病的目的。Ashish Mishra[20]等研究了一種基于可見光和近紅外光譜的光學(xué)傳感器，可有效識(shí)別柑橘冠層病害。

1.3基于處方圖的變量施藥技術(shù)

在對果園或大田進(jìn)行施藥時(shí)，往往藥量需求不均勻，需要根據(jù)植株病蟲害程度進(jìn)行按需施藥。為此，可基于全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)生成作業(yè)處方圖，控制器以處方?jīng)Q策數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)控制噴頭噴藥量，實(shí)現(xiàn)變量施藥作業(yè)。M. Pérez-Ruizde[21]等基于GPS技術(shù)研發(fā)了一種風(fēng)送果園噴霧機(jī)，如圖3所示。該噴霧機(jī)可根據(jù)果園參數(shù)控制噴頭流量，可節(jié)約19%噴霧量，減少15.5%的飄失量。黃偉峰[22]等采用嵌入式處理器S3C44B0X為主控芯片，完成了一個(gè)基于GPS和GPRS的果園噴霧嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對噴霧壓力、流量和地理位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和保存，為實(shí)現(xiàn)精確噴霧提供了依據(jù)。馬景宇[23]等完成了一種應(yīng)用于農(nóng)田變量作業(yè)的農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由GPS模塊、GIS控制中心和農(nóng)機(jī)作業(yè)模塊組成。利用GPS衛(wèi)星空間定位技術(shù)完成噴藥農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)的位置信息采集；利用GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位、可視化顯示及變量施藥控制，也為變量施肥控制系統(tǒng)、變量灌溉控制系統(tǒng)等的研制提供了有效的決策手段參考。

圖3　風(fēng)送噴霧機(jī)田間試驗(yàn)

2精準(zhǔn)施藥裝備

植保機(jī)械和農(nóng)藥、防治技術(shù)一樣被譽(yù)為化學(xué)防治的三大支柱之一[24]。我國早期主要采用傳統(tǒng)的背負(fù)式手動(dòng)噴霧器，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、農(nóng)藥分布不均勻，而且由手動(dòng)機(jī)械進(jìn)行施藥時(shí)真正到達(dá)靶標(biāo)上的藥量不到噴灑量的20%，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)和環(huán)境污染。

針對以上問題，相關(guān)噴霧設(shè)備逐漸發(fā)展起來。其中，風(fēng)送式噴霧機(jī)能將藥液進(jìn)行二次霧化，并利用風(fēng)力送達(dá)至靶標(biāo)，具有穿透力強(qiáng)、作業(yè)效率高、藥液附著面積大等優(yōu)點(diǎn)，得到了大力發(fā)展。李超[25]等根據(jù)目前國內(nèi)葡萄園的種植條件，設(shè)計(jì)了一種小型機(jī)載立管式風(fēng)送噴霧機(jī)(見圖4)，并對噴霧效果和防飄特性進(jìn)行了測試，證明該噴霧機(jī)能提高藥液附著率，同時(shí)減少農(nóng)藥漂失量。

圖4　立管風(fēng)送式噴霧機(jī)三維裝配圖

徐莎[26]等針對傳統(tǒng)噴霧機(jī)難以滿足不同高度果樹的噴霧要求，設(shè)計(jì)了噴霧角度可調(diào)的牽引式果園風(fēng)送噴霧機(jī)，工作原理如圖5所示。該噴霧機(jī)具有轉(zhuǎn)向相反的離心風(fēng)機(jī)和角度可調(diào)的導(dǎo)流風(fēng)箱，可滿足不同高度果樹的噴霧要求。

圖5　牽引式果園風(fēng)送噴霧機(jī)的工作原理

盡管風(fēng)送噴霧機(jī)具有穿透力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但在作業(yè)過程中往往存在噴霧參數(shù)選擇不當(dāng)、噴頭類型與作物冠層特性不匹配等問題。為此，翟長遠(yuǎn)[27]等進(jìn)行了風(fēng)送噴霧霧滴粒徑測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與影響因素試驗(yàn)，通過對噴頭位置、噴霧壓力和風(fēng)速大小的精確控制，以不同噴頭為研究對象，得出壓力、風(fēng)速與霧滴粒徑大小的關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，研究人員也將相關(guān)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用在對噴霧系統(tǒng)的分析中。A. Melese Endalew[28-29]等利用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建立了集成分布模型，分析了多種因素對單軸、雙軸、多軸流風(fēng)送噴霧機(jī)的噴霧漂失量的影響。孫國祥[30]等利用CFD離散相模型的粒子跟蹤技術(shù)，研究了不同噴霧條件下的霧滴特性，建立了霧滴沉積量和沉積率的預(yù)測模型，為噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

我國許多地方果園種植以低矮植株為主(如獼猴桃等)，如果噴霧機(jī)體積過大、風(fēng)力過強(qiáng)，會(huì)使得噴霧機(jī)無法進(jìn)入果園進(jìn)行作業(yè)，并且會(huì)造成行間噴霧干擾，由此研究人員設(shè)計(jì)了相應(yīng)合適的噴霧機(jī)。丁素明[31]等針對一些果園行距較小、樹冠交叉等問題，設(shè)計(jì)了一種自走式風(fēng)送噴霧機(jī)。通過對霧滴覆蓋率的測試證明，該機(jī)可滿足病害防治的需要。邱威[32-33]等針對低矮密植果園設(shè)計(jì)了一種軸向進(jìn)風(fēng)、徑向出風(fēng)的圓環(huán)雙流道風(fēng)機(jī)，原理如圖6所示。通過對風(fēng)速、風(fēng)量的測試，證明該風(fēng)機(jī)適用于低矮密植果園。

d為樹桿高度(m)；R1為行距的1/2(m)；R2為施藥機(jī)機(jī)身的1/2(m)。

以上風(fēng)送式噴霧機(jī)主要針對果園而設(shè)計(jì)，對于大田等作業(yè)環(huán)境，需要噴霧范圍更大、噴霧更均勻、防飄失性能更好的機(jī)具。為解決以上問題，風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)得到很好的發(fā)展。周海燕[34]等為實(shí)現(xiàn)大田蔬菜地的高效施藥，設(shè)計(jì)了一種輕便型自走式高地隙噴桿噴霧機(jī)，采用電動(dòng)控制噴桿折疊，滿足實(shí)際噴霧要求。韓紅陽[35]等針對目前噴桿機(jī)架過重的問題，對機(jī)架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，并利用有限元分析軟件Radioss進(jìn)行靜態(tài)分析，在減少質(zhì)量的前提下，提高了強(qiáng)度與安全性。

為了進(jìn)一步提升噴桿噴霧效果，研究人員設(shè)計(jì)不同試驗(yàn)對其噴霧參數(shù)進(jìn)行了測試。蔣鵬飛[36]等在密閉室內(nèi)測試了不同噴霧參數(shù)對風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)漂失量的影響，證明了噴頭角度對其影響最為顯著。張鐵[37]等以超高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)風(fēng)幕系統(tǒng)為研究對象，研究了不同噴霧參數(shù)對霧滴沉積量、沉積均勻程度及漂移率的影響。試驗(yàn)證明：風(fēng)幕出口風(fēng)速直接決定以上指標(biāo)及霧滴穿透性，噴霧壓力影響沉積量，作業(yè)速度影響較小。燕明德[38]等利用相位多普勒粒子分析儀(PDPA)對不同條件下的風(fēng)幕式噴桿噴霧流場進(jìn)行了分析，測試系統(tǒng)如圖7所示。結(jié)果表明：霧滴粒徑隨風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速增大而減小，且分布更均勻；出風(fēng)口與噴頭水平距離越近，噴霧穿透性越好，漂失量越少。Gil, Emilio[39]等設(shè)計(jì)了測試平臺(tái)研究噴桿噴霧機(jī)安裝不同扇形噴頭后的霧滴漂失量，為噴桿噴霧機(jī)的防飄設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1.開關(guān)閥　2.過濾器　3.電動(dòng)機(jī)　4.智能流量計(jì)　5.壓力表

雖然風(fēng)送噴霧機(jī)提高了霧滴的分布均勻性、穿透性及作業(yè)效率，但在強(qiáng)大氣流作業(yè)下仍會(huì)有大量霧滴脫離靶標(biāo)沉積到其他部分，造成藥液的巨大浪費(fèi)與環(huán)境污染。如果能將未沉積在靶標(biāo)的藥液重新收集起來再利用，則會(huì)進(jìn)一步節(jié)省藥液，循環(huán)噴霧實(shí)現(xiàn)了這一目的。宋堅(jiān)利[40]等設(shè)計(jì)了能將未沉積在靶標(biāo)上的農(nóng)藥霧滴截留并回收利用的“∏”型循環(huán)噴霧機(jī)(見圖8)，藥液回收率和冠層中藥液沉積分布顯著提高。張京[41]等對“∏”型循環(huán)噴霧機(jī)進(jìn)行了防飄性能試驗(yàn)，通過使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的熒光示蹤劑BSF水溶液代替農(nóng)藥噴霧，待霧滴收集器和濾紙風(fēng)干后收集，用酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的去離子水洗脫，然后用熒光儀測試溶液中的BSF含量。試驗(yàn)證明：“∏”型循環(huán)噴霧機(jī)比傳統(tǒng)噴霧機(jī)飄失藥液減少97.9%以上。

Ade, G[42]等研究了風(fēng)送軸流循環(huán)噴霧機(jī)對未沉積霧滴的循環(huán)收集效果，測試結(jié)果顯示：霧滴沉積在葉片上的部分約為總量87%，噴灑在土地上的部分約為總量的5%，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)噴霧機(jī)。Jamar, L[43]等進(jìn)行了循環(huán)噴霧和傳統(tǒng)噴霧機(jī)在分別使用ATR和TVI噴頭后噴霧沉積量、覆蓋率、漂失量和回收量性能對比試驗(yàn)，結(jié)果顯示：兩種噴霧機(jī)在不同噴頭下的噴霧沉積量、覆蓋率相差并不顯著，而循環(huán)噴霧機(jī)可節(jié)約28%～32%的藥液。

1.藥箱　2.機(jī)架　3.罩蓋寬度調(diào)節(jié)油缸

3結(jié)論

通過分析國內(nèi)外精準(zhǔn)施藥技術(shù)與施藥裝備的研究現(xiàn)狀，總體上可以看出國內(nèi)外精準(zhǔn)施藥領(lǐng)域的研究均取得了長足進(jìn)步。精準(zhǔn)施藥技術(shù)主要利用電子信息及自動(dòng)化技術(shù)判斷靶標(biāo)有無、作物冠層大小、植株病蟲害及長勢等特征，最終實(shí)現(xiàn)按需噴藥，在保證施藥效果的同時(shí)極大地節(jié)約藥液、減少對環(huán)境的污染。精準(zhǔn)施藥裝備主要目標(biāo)是提高噴霧均勻性和作業(yè)效率、減少藥液在土壤沉積量及飄失量等，并在降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)提高工作效率；但國內(nèi)在基于圖像傳感器的作物病蟲害探測方面等方面的研究水平與國外仍有一定差距。從精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出：利用電子信息和自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)一步提升精準(zhǔn)施藥裝備水平已經(jīng)成為施藥裝備的發(fā)展趨勢。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-00001-EA

Development Status Analysis of Precision Pesticide Application Techniques and Equipments

Zhang Bo, Zhai Changyuan, Li Hanzhe, Yang Shuo

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract：Precision spraying, as the developing trend of spraying, is aimed at improving pesticide utilization ratio, reducing the food and environment pollution caused by pesticide residue. Firstly, the domestic and overseas development status of precision spraying technology, the status of variable-rate spraying control system and its algorithm, target spraying technology and spraying based on prescription map were introduced. Secondly, the domestic and overseas development status of precision equipment was analyzed. Air-assist sprayer widely used in orchard can improve work efficiency and spray uniformity greatly. Air-assist boom sprayer generally applied to field, can improve spray uniformity, reduce pesticide drift and reduced labor intensity. Recycling tunnel sprayer aimed to recycle deposition liquid, can improve pesticide utilization and reduce environment pollution. Finally, it was pointed that the research of precision spraying was not enough in china comparing with the overseas development status, and information and automation technology is needed to further enhance precision spraying equipments.

Key words：precision spraying; target spraying; prescription map; sprayer

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0001-05

中圖分類號(hào)：S233.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：張波(1992-)，男，四川樂山人，碩士研究生，(E-mail) zhangbo_609@163.com。通訊作者：翟長遠(yuǎn)(1982-)，男，河南駐馬店人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)zhaichangyuan@163.com。

基金項(xiàng)目：國家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2012AA101904)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31201128)；西北農(nóng)林科技大學(xué)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2452013QN070)

收稿日期：2015-03-13