基于駐波與ZigBee實時監(jiān)測霧滴蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計與試驗

吳亞壘，祁力鈞，張 亞，Elizabeth Musiu，李 帥，程湞湞，程一帆

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基于駐波與ZigBee實時監(jiān)測霧滴蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計與試驗

吳亞壘1，祁力鈞1※，張 亞2，Elizabeth Musiu1，李 帥3，程湞湞1，程一帆1

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京100083；2. 中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京100083；3. 華北電力大學能源動力與機械工程學院，保定071051）

霧滴在葉面上蒸發(fā)時間長短，會改變?nèi)~面對農(nóng)藥的吸收效率。為了闡述藥液在葉面的蒸發(fā)情況，該文設(shè)計了基于駐波與ZigBee無線傳輸?shù)撵F滴蒸發(fā)實時監(jiān)測裝置。該裝置以STM32為核心搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，霧滴采集傳感器信號由RS232串口傳至基于LabView2014設(shè)計的遠程終端，并通過波形圖實時在線監(jiān)測霧滴蒸發(fā)狀況。試驗證明該裝置能夠準確測量藥液在葉面的蒸發(fā)散失量并顯示霧滴面積鋪展的波動曲線，較圖像處理方法誤差小，易操作，更具實用性。試驗還表明：1）蒸發(fā)時間與粒徑大小呈正相關(guān)，隨粒徑增大而增長，但當粒徑超過242.3m時，蒸發(fā)時間隨粒徑增大而增長的趨勢更為明顯。2）蒸發(fā)時間與面積鋪展率呈負相關(guān)，隨面積鋪展率的變大而減少。當有機硅體積分數(shù)由0.025%增到0.050%時，霧滴面積鋪展率呈變大趨勢，但當由0.050%增到0.100%時，霧滴鋪展率增長幅度相對縮小。3）該裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠程檢測，避免接觸藥液，而且實時分析霧滴在葉面的蒸發(fā)時間與面積鋪展率，合理選擇有機硅體積分數(shù)與霧滴粒徑，有助于改善葉面對藥液的吸收效率。

設(shè)計；計算機仿真；噴霧；ZigBee無線傳輸；駐波率原理；有機硅助劑；鋪展與蒸發(fā)

0 引 言

農(nóng)藥霧滴在植物葉面上蒸發(fā)時間的長短，與植物葉面對農(nóng)藥霧滴的吸收效率有著緊密的聯(lián)系，它直接影響著農(nóng)藥施用效率的高低[1-6]。農(nóng)藥可分為內(nèi)吸式和觸殺式，內(nèi)吸式農(nóng)藥霧滴沉降到葉面后，霧滴蒸發(fā)時間越長，葉片表面的毛細孔吸收農(nóng)藥微粒就越多，農(nóng)藥對病蟲害的防治效果也越好。觸殺式農(nóng)藥則是霧滴蒸發(fā)時間越短，農(nóng)藥霧滴受葉面夾角發(fā)生滾落以及受自然風從植物葉面飄失的機率就越小，農(nóng)藥對病蟲害的防治效果就越好[7]。因此，農(nóng)藥霧滴在植物葉片表面上的蒸發(fā)時間長短，會影響病蟲害的防治效果和農(nóng)藥利用率的高低。Zhu等[8]的研究說明農(nóng)藥主要通過內(nèi)吸與觸殺兩種形式作用于雜草，增加鋪展面積可以增加霧滴與葉面的接觸面積，減少滾落損失，提高作業(yè)效果。Knoche等[9]認為延長霧滴在葉片表面的蒸發(fā)時間可以增加植物對農(nóng)藥的吸收。Ramsey等[10]研究發(fā)現(xiàn)霧滴完全蒸發(fā)后，植物組織對農(nóng)藥的吸收作用基本結(jié)束。祁力鈞等[11]在植物葉面霧滴的蒸發(fā)過程中用數(shù)碼攝像機記錄，以獲取霧滴完全蒸發(fā)所需的時間，并由Matlab圖形處理工具箱對視頻中表征霧滴最大鋪展面積的數(shù)字圖像作分割處理[12-14]，計算霧滴最大鋪展面積。吳亞壘等[15]基于駐波率原理設(shè)計了霧滴地面沉積實時檢測系統(tǒng)，同時結(jié)合溫室自走式噴霧機系統(tǒng)進行了應(yīng)用測試與試驗驗證，實現(xiàn)了霧滴沉積量準確、快速的獲取。

近期國內(nèi)的霧滴蒸發(fā)測試系統(tǒng)普遍結(jié)合數(shù)碼照相機和顯微鏡對霧滴圖像進行連續(xù)拍攝并記錄蒸發(fā)時間，之后運用計算機中的圖像處理軟件分析霧滴面積鋪展[11]，其檢測方法易受野外環(huán)境限制且工作量大、效率低，誤差大。本研究旨在開展農(nóng)藥霧滴在作物葉面上蒸發(fā)時間和擴展規(guī)律研究，以期設(shè)計一套基于駐波與ZigBee實時監(jiān)測霧滴蒸發(fā)系統(tǒng)，不但可以避免接觸農(nóng)藥，而且能夠掌握霧滴蒸發(fā)時間長短的規(guī)律，從而根據(jù)作物需求，在特定環(huán)境下選擇適當體積分數(shù)的有機硅助劑與霧滴粒徑，提高農(nóng)藥噴霧施用效率。

1 系統(tǒng)的設(shè)計思路與基本原理

本研究設(shè)計的叉指型霧滴蒸發(fā)實時在線監(jiān)測系統(tǒng)基于駐波與ZigBee原理，由帶有AD芯片的STM32單片機、ZigBee無線傳輸模塊、100 MHz信號源、50 Ω同軸傳輸線、高頻檢波與差分運算放大電路、叉指型霧滴蒸發(fā)檢測極板探頭及12 V歐力能供電模塊組成。利用駐波與ZigBee原理測量霧滴沉積量實際上反映的是噴霧環(huán)境下叉指型霧滴采集板探頭隨霧滴蒸發(fā)時間的特性阻抗變化。霧滴蒸發(fā)系統(tǒng)裝置測試原理見圖1。

注：A、B分別為傳輸線的2個端點；ZL為叉指型霧滴采集板特征阻抗；d、e、h、L分別為叉指型霧滴極板間距、寬度、厚度和長度。

當霧滴采集傳感器電路中晶振產(chǎn)生的高頻電磁波沿著傳輸線被傳送到叉指型霧滴采集探頭，由于探頭的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，一部分信號將被反射回來。在傳輸線上，高頻入射波與反射波疊加形成駐波，傳輸線上各點的電壓幅值存在變化[16]。該系統(tǒng)以STM32單片機為核心搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點通過ADC采集電壓伏值，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳送至LabView2014軟件，并通過波形圖實時在線監(jiān)測霧滴蒸發(fā)狀況。

式中1為高頻振蕩器的信號幅值，mV；Z為同軸傳輸線的特征阻抗，Ω；Z為叉指型霧滴采集板特征阻抗，Ω。

本研究中Z為50 Ω的標準同軸電纜。在1和Z恒定的情況下，傳輸線兩端的電位差U只與叉指型裝置阻抗Z有關(guān)，當Z=Z時，傳輸線上不會產(chǎn)生駐波，傳輸線兩端電壓為0 V。因此，確定叉指型極板探頭的阻抗Z尤為重要。

叉指型極板探頭的檢測阻抗值Z與導(dǎo)納關(guān)系如下

式中ω為叉指型極板測試角頻率，rad/s；C為叉指型極板總的電容，F(xiàn)。

叉指型極板探頭的阻抗特性與間隙內(nèi)鋪灑物質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，其電容為

式中為極板間介電系數(shù)，F(xiàn)/m；為平行板覆蓋面積，mm2；為叉指型極板間距，mm。

叉指型霧滴采集板探頭為具有一定間距、一定寬度（mm）、一定厚度（mm）和一定長度（mm）的長方形敷銅板，將多個極板并聯(lián)且等間距固定，即可用于霧滴沉積測量的叉指型極板，極板底側(cè)與樹脂板固化，樹脂板總面積0，包括叉指型極板的表面積1及極板間面積2，極板間面積可以根據(jù)介質(zhì)不同，分割成空氣介質(zhì)面積3和藥液介質(zhì)面積4。其中

式中0為樹脂板的總面積，mm2；1和2分別為極板上與極板間的表面積，mm2；3和4分別為空氣與藥液介質(zhì)的表面積，mm2。

當所設(shè)計叉指型極板覆蓋面積不可變，通過極板間介電質(zhì)改變引起介電常數(shù)變化，從而改變電容器電容。設(shè)定空氣介電常數(shù)為1，叉指型極板間無霧滴沉降時，電容量為C。當叉指型極板間有霧滴沉降時，因介質(zhì)變成由液滴和空氣組成的混合體，液滴介電常數(shù)與空氣不同[17]，所以電容等效介電常數(shù)值發(fā)生變化，從而電容變?yōu)?i>C。施藥過程中，藥液濃度一旦固定，在忽略環(huán)境溫差變化對溶液介電常數(shù)影響時，藥液的介電常數(shù)是定值，設(shè)定藥液的介電常數(shù)為2，電容量為

式中C和C分別為極板間霧滴無沉降與有沉降時的電容量，F(xiàn)；1和2分別為空氣與藥液的介電常數(shù)。

霧滴噴施前后電壓值變化與霧滴沉積量的理論關(guān)系表達式為

故基于以上式（1）－式（6）推導(dǎo)，可以得出：在噴霧環(huán)境下叉指型霧滴采集板探頭的特性阻抗變化不僅可以表征噴施前后霧滴在叉指型霧滴采集板的沉積量變化，也可以表征噴施后實際霧滴蒸發(fā)耗損量的變化，所以從理論分析來看，可以利用介電理論中的駐波率原理的電壓變化來反映噴施后霧滴蒸發(fā)耗損量的變化。

2 系統(tǒng)在線采樣與通訊設(shè)計

2.1 系統(tǒng)通信

ZigBee技術(shù)是近些年才興起的近距離無線通信技術(shù)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor network）的核心技術(shù)之一。使用該技術(shù)的節(jié)點設(shè)備能夠使噴霧環(huán)境和分析環(huán)境進行分離且實現(xiàn)遠程傳輸，自組網(wǎng)無需人工干預(yù)，成本低廉，能耗低，設(shè)備復(fù)雜度低且網(wǎng)絡(luò)容量大[18]。本設(shè)計中使用DL-20串口2.4G無線模塊，配置模式可分為廣播模式和對點模式，廣播模式為多點同時進行傳輸，會造成1%左右的誤比特率，隨著節(jié)點數(shù)增加誤比特率顯著提高。在實操中配置成點對點模式，只允許兩個節(jié)點互相通訊，通訊保證丟失率為0%，滿足本設(shè)計噴霧環(huán)境與分析環(huán)境中數(shù)據(jù)的雙向收發(fā)。

2.2 下位機

系統(tǒng)傳輸采用STM32微控制器作為硬件核心，具有ADC模塊，免去了使用8位單片機需要外搭A(yù)DC電路過程，簡化電路設(shè)計并提高了轉(zhuǎn)換的快速性和準確性[19]。STM32單片機是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位的STM32處理器，工作頻率可以達到72 MHz，其內(nèi)部具有3個12位的ADC采集通道，每個ADC共用了多達21個外部通道接口，可以實現(xiàn)單次或連續(xù)外部數(shù)據(jù)采樣[20]，這樣便能實現(xiàn)霧滴采集系統(tǒng)實時在線的快速采集。為了提高數(shù)據(jù)的精確度，需要給STM32提供了一個外部電壓基準源。此外基于駐波率的霧滴采集傳感器系統(tǒng)輸出電壓值（0～2.3 V），該輸入電壓可能與ADC采樣范圍之間存在電壓跨度不相等的情況，往往并不能直接輸入到MCU的AD采樣引腳，需要對信號進行調(diào)理，使霧滴采集傳感器與ADC的組合達到最好的精度，而本設(shè)計的ADC采集模塊采集電壓值0～3 V，滿足采樣區(qū)間要求。下位機軟件全部采用MDK5軟件編程，①開啟PA口時鐘和ADC時鐘，設(shè)置PA1為模擬輸入。②復(fù)位ADC，同時設(shè)置ADC分頻因子。③初始化ADC參數(shù)，設(shè)置ADC的工作模式以及規(guī)則序列的相關(guān)信息。④使能ADC并校準。⑤配置規(guī)則通道參數(shù)。⑥開啟軟件轉(zhuǎn)換。⑦等待轉(zhuǎn)換完成，讀取霧滴實時蒸發(fā)后的ADC值。

2.3 上位機

上位機軟件采用LabView2014開發(fā)，操作系統(tǒng)為Windows10。LabView是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，功能強大靈活，有豐富的函數(shù)、數(shù)值分析、信號處理和設(shè)備驅(qū)動等功能，適用于測量和控制，是一種適宜的上位機軟件開發(fā)工具[21-23]。本研究設(shè)計的上位機界面見圖2，圖中為蒸發(fā)過程一段區(qū)間內(nèi)的電壓采集值隨著蒸發(fā)時間變化的趨勢圖，該圖中差分放大電路輸出電壓中存在一些本地噪聲干擾波動，且波幅較小，其中橫軸接收1次數(shù)據(jù)時間為300 ms，圖中左下發(fā)送區(qū)域具有發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令的功能，左上接收區(qū)域能夠接收下位機返回的測量結(jié)果，并對下位機的實時狀態(tài)進行在線監(jiān)控，以波形圖的形式表征接收的霧滴采集信息。

圖2 霧滴蒸發(fā)系統(tǒng)測試上位機界面

圖3是圖2經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的折線圖，其中紅色曲線為二次多項式擬合曲線，當下擬合度2=0.967 7，且斜率代表蒸發(fā)速率，藍色波動線在紅色曲線兩側(cè)上下波動，藍色波動線表征蒸發(fā)過程中霧滴面積不同的鋪展程度，波動越劇烈鋪展程度就越嚴重。最終，采集后的霧滴數(shù)據(jù)結(jié)果也可以保存轉(zhuǎn)換成Excel文件。

圖3 霧滴蒸發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理圖

3 試驗準備與方案設(shè)計

3.1 試驗儀器、材料

試驗試劑：有機硅溶液（表面活性劑FY-4808，廣州市氟緣硅科技有限公司）和自來水。

試驗儀器：0.5～10L移液槍（Dragon-MED，最小變量0.1L），燕龍YL45-B型高壓動力噴霧機，行走平臺，kestrel 4 500小型氣象站、燒杯、乳膠手套，SA-50W-12V/4A供電模塊，在線采集裝置規(guī)格（4 cm× 4.2 cm），MSS-33544激光粒度儀。

3.2 霧滴蒸發(fā)試驗處理

滴取前，將叉指型極板表面擦拭干凈，放進玻璃手套箱（盡可能減少蒸發(fā)造成的誤差）。試驗開始，利用微量移液槍連續(xù)移取體積為0.1L大小的單個霧滴進行試驗，使霧滴充分滴落到叉指型霧滴采集極板間隙中。滴取時，不斷記錄滴取個數(shù)與在線采集裝置中電壓的示數(shù)變化。重復(fù)50次試驗。溫度為（20±0.8）℃，濕度為（36±0.3）%，試驗布置示意圖如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)試驗裝置示意圖

3.3 霧滴鋪展面積與電壓值關(guān)系的測定方法

試驗在玻璃手套箱環(huán)境下進行?；谠囼灜h(huán)境條件，在保證大小一致霧滴均勻滴取的前提下，隨霧滴個數(shù)遞增，霧滴鋪展面積成整數(shù)倍增加；為更好地定量測定叉指型霧滴采集裝置輸出電壓與滴取前后霧滴鋪展面積的關(guān)系轉(zhuǎn)換對霧滴個數(shù)的等效關(guān)系的建立，并對所測的數(shù)據(jù)進行擬合；測量數(shù)據(jù)中滴取前后在線采集電壓輸出變化值為自變量，滴取前后的霧滴個數(shù)為因變量，繪出圖如圖5所示。

圖5 電壓增量與霧滴個數(shù)之間的關(guān)系

由圖5知，叉指型霧滴采集裝置輸出電壓與滴取前后霧滴個數(shù)（霧滴鋪展面積）擬合度很高，2達到0.997 6，很好的驗證了測試輸出電壓值的變化可以表征霧滴鋪展面積的變化。

由波形圖3知，振蕩幅度較大的波大于本地噪聲的部分，則為該文中霧滴面積鋪展部分，同時參照圖5可合理簡化為單位時間1 s內(nèi)波峰與波谷的電壓差近似為霧滴鋪展面積?；谠摱x得，霧滴面積鋪展率為單位時間1 s內(nèi)鋪展面積相對鋪展前的比值，又等同于單位時間1 s內(nèi)波形圖中波峰與波谷電壓差與鋪展前電壓的比值。

各組試驗中每隔1 s采集一次霧滴鋪展過程中的電壓波峰、波谷，式（7）為霧滴面積[11,24]的鋪展率

3.4 霧滴蒸發(fā)時間可行性分析及標定方法

由圖5可知，利用移液槍將0.1L霧滴點到叉指型極板間前后，當采集板表面沒有霧滴時，電壓值的增加量為0 mV，同時也論證了霧滴完全蒸發(fā)后，電壓值的增加量亦為0 mV，結(jié)果表明，該蒸發(fā)測試系統(tǒng)在霧滴蒸發(fā)時間測量上具有可行性。本文采用上位機開發(fā)軟件界面中的波形圖記錄霧滴采集器表面霧滴從沉積到全部蒸發(fā)時間，標記霧滴沉積到樹脂板的時間標記為1，完全蒸發(fā)時間標記為2，霧滴完全蒸發(fā)所需時間即為=2?1。

3.5 霧滴粒徑測量

一般田間作業(yè)，噴嘴距離目標高度在0.5～1 m間，即使是50m霧滴也能達到靶標表面[25]，本文忽略霧滴在空氣中的蒸發(fā)。本研究選擇0.6 m噴霧距離進行蒸發(fā)測試（模擬真實的噴霧環(huán)境），以霧滴體積中徑和表面活性劑為因素分析，選擇5種大小差異粒徑，5種不同體積分數(shù)的表面活性劑，組合進行蒸發(fā)時間試驗，待蒸發(fā)完畢，進行因素分析。

噴頭選取TeeJet公司生產(chǎn)的F-110-015、F-110-03、F-110-06三種型號的噴頭，組合3種不同噴霧壓力進行試驗，壓力為150、300、500 kPa。利用激光粒度儀，測定各噴頭在0.6 m高度上不同噴霧壓力下相應(yīng)霧滴體積中徑，測量結(jié)果如表1所示。

為保證試驗結(jié)果具有可參考性，需采用體積中徑差值較大的霧滴進行試驗。采用133.1、177.6、204.3、242.3、286.7m 5種粒徑下霧滴，即F-110-015(500 kPa)、F-110-03(300 kPa)、F-110-03(150 kPa)、F-110-06(300 kPa)、F-110-06(150 kPa) 5種噴頭壓力組合進入后續(xù)試驗。

表1 不同噴頭型號和噴霧壓力下的體積中徑

3.6 應(yīng)用測試

試驗在中國農(nóng)業(yè)大學教育部現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究重點試驗室進行，室內(nèi)溫度20.8 ℃，相對濕度36%。試驗前，在溶液中分別添加體積分數(shù)為0，0.025、0.050、0.075、0.100%的表面活性劑（有機硅）。試驗中，利用YL45-B 型高壓噴霧機構(gòu)建噴灑系統(tǒng)，將噴桿固定于移動行走平臺，以30 cm/s的作業(yè)速度在距離60 cm的高度上垂直向下噴霧。載物臺軸線中心處布置霧滴采集傳感器，每種組合方式進行3次重復(fù)試驗。選擇霧滴傳感器采集板作為靶標采集霧滴，構(gòu)建后的模擬霧滴蒸發(fā)的試驗環(huán)境如圖6所示，蒸發(fā)時間采集系統(tǒng)如圖7所示。

1.YL-45B型噴霧機 2.滑軌式支架 3.移動掛載噴桿電動機 4.噴霧系統(tǒng) 5.載物臺 6.霧滴采集傳感器 7.STM32和ZigBee采集裝置

1.ZigBee傳感器 2.供電模塊 3.帶ADC模塊的STM32電路板 4.叉指型霧滴蒸發(fā)測試板 5.基于駐波的霧滴采集電路板 6.防水封箱

4 結(jié)果與分析

4.1 霧滴蒸發(fā)時間分析結(jié)果

不同霧滴粒徑關(guān)系下蒸發(fā)時間和表面活性劑的體積分數(shù)曲線如圖8所示。

圖8 各組試驗平均蒸發(fā)時間

當有機硅助劑體積分數(shù)一定的情況下，霧滴蒸發(fā)時間隨著霧滴粒徑的增大而逐漸增長，特別是當霧滴粒徑超過242.3m時這種趨勢更為明顯。該變化規(guī)律與Matthews研究的霧滴蒸發(fā)規(guī)律相一致[23]。同時有研究[25]表明，液體被分離成小霧滴時，其表面積會大大增加，而且在總體積不變的情況下，霧滴直徑越小，其表面積總和越大，隨著霧滴直徑的減少，其表面積急劇增加，使得霧滴與空氣的接觸面積加大，揮發(fā)性增強，這與試驗論證的結(jié)果亦相符。另一方面，特別是在濕度比較小的空氣中，小霧滴能夠存在的時間很短。為防止霧滴沒有到達測試板就已經(jīng)蒸發(fā)，試驗中采用大粒徑霧滴或停噴措施。受篇幅影響，只針對限定的溫濕度下分析。

根據(jù)Clausius-Clapeymn方程[25]可知混合溶液的摩爾蒸發(fā)焓降低，有利于溶液相變向蒸發(fā)方向進行。其中Clausius-Clapeymn方程的數(shù)學公式為

式中ΔH為混合溶液的摩爾蒸發(fā)焓，J/mol，其中Δ為蒸發(fā)變化值；為環(huán)境溫度，K；為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)。

加入有機硅助劑后，由式（9）可知，混合后的霧滴摩爾蒸發(fā)焓進一步降低，同時有機硅助劑降低了霧滴的表面能，使得鋪展面積有所增大，繼而蒸發(fā)速度更快[26]。由圖8可知，當霧滴粒徑不變的情況下，低有機硅濃度下，蒸發(fā)時間越長，其主要原因為霧滴在葉片表面不易鋪展，與空氣接觸面小。隨有機硅助劑體積分數(shù)的增加霧滴的蒸發(fā)時間呈急劇減小的趨勢，而當有機硅助劑體積分數(shù)超過0.075%時，蒸發(fā)時間隨粒徑大小變化相對穩(wěn)定、趨于平緩，這是由于有機硅體積分數(shù)突破臨界點所導(dǎo)致的，由霧滴蒸發(fā)時間的分析結(jié)果可知，蒸發(fā)時間與霧滴面積鋪展率負相關(guān)，與粒徑大小呈正相關(guān)，由此驗證了該蒸發(fā)系統(tǒng)對蒸發(fā)時間測試的可行性。

4.2 霧滴面積平均鋪展率分析結(jié)果

由表2可知，在有機硅助劑體積分數(shù)為0～0.050%時，霧滴面積平均鋪展率均隨有機硅助劑體積分數(shù)的增大而增加。但當有機硅助劑體積分數(shù)0.025%～0.050%相較于0～0.025%時霧滴的鋪展面積擴張幅度趨勢顯著。之后再增大有機硅助劑體積分數(shù)到0.100％時，霧滴的鋪展擴張幅度再度減小。其主要原因是添加表面活性劑可有效降低藥液在靶標物上的接觸角，增加藥液在生物靶標表面的潤濕和鋪展能，從而霧滴面積平均鋪展率隨有機硅助劑體積分數(shù)的增大而增加，這與IlIrimKoncKmrf公式[27]規(guī)律相一致。

IlIrimKoncKmrf公式的數(shù)學表達式為

式中為霧滴的表面張力，N/m；0為純?nèi)芤旱谋砻鎻埩?，N/m；為有機硅溶液濃度，mol/L；c為標準溶液濃度，mol/L；，為常數(shù)。

其主要原因是霧滴表面張力的減小與有機硅體積分數(shù)成正比，即隨著有機硅體積分數(shù)的增大，霧滴表面張力不斷減小。隨著霧滴與樹脂板界面張力不斷降低，樹脂板表面鋪展的Gibbs[28]自由能發(fā)生變化，霧滴在樹脂板表面發(fā)生不同程度的鋪展，液滴在表面鋪展過程中迅速向球缺形態(tài)轉(zhuǎn)變，這樣霧滴平均鋪展率增加，蒸發(fā)時間變短，同時該結(jié)果與姜詠芳研究結(jié)果一致[29]。基于這一相同的規(guī)律，驗證并說明了該文所設(shè)計的霧滴蒸發(fā)測試系統(tǒng)在霧滴面積鋪展研究上同樣滿足應(yīng)用需求。

表2 各組試驗中霧滴面積平均鋪展率

與此同時，表2中有機硅助劑體積分數(shù)由0增加到0.100%的過程中，霧滴面積平均鋪展率增大幅度由小到大再變小，該趨勢說明霧滴中有機硅助劑體積分數(shù)由0.025%增大到0.050%時達到了鋪展變化的臨界點。同時隨著霧滴粒徑的增大，霧滴面積平均鋪展率均隨著有霧滴粒徑的增大而增大，該增大趨勢變化明顯弱于有機硅助劑的作用，這與已有的研究規(guī)律也是相一致的[18,30]。

由霧滴面積鋪展率分析結(jié)果可知，霧滴面積平均鋪展率可以表征蒸發(fā)過程中霧滴不同程度的鋪展，這和實際情況中采用潤濕卡測試[31-32]結(jié)果亦相符，同時驗證了基于駐波與ZigBee實時監(jiān)測霧滴蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計的實用和可行性。

5 結(jié) 論

1）該蒸發(fā)測試系統(tǒng)試驗證明該裝置能夠準確測量藥液在葉面的蒸發(fā)散失量并顯示霧滴面積鋪展的波動曲線，霧滴粒徑大小一致下，隨著霧滴個數(shù)的增加，叉指型霧滴采集裝置輸出電壓與滴取前后霧滴個數(shù)擬合度高，擬合度達到0.997 6。

2）該蒸發(fā)系統(tǒng)能夠?qū)崟r分析霧滴在葉片表面蒸發(fā)時間，同時驗證了霧滴蒸發(fā)時間與粒徑大小呈正相關(guān)，霧滴在葉面蒸發(fā)時間隨霧滴粒徑增大而增長，但當霧滴粒徑超過242.3m時，蒸發(fā)時間隨粒徑增大而增長的趨勢更為明顯。

3）霧滴粒徑大小一致下，蒸發(fā)時間與面積鋪展率呈負相關(guān)，當有機硅助劑體積分數(shù)由0.025%增大到0.050%時，霧滴面積鋪展率擴張幅度呈變大趨勢。之后再增大助劑體積分數(shù)到0.100%時，霧滴鋪展率擴張幅度再度減小。

4）為了延長蒸發(fā)時間，適當降低有機硅助劑的體積分數(shù)，選用較大粒徑的霧滴進行噴霧；同時為了縮短蒸發(fā)時間，適當提高有機硅助劑的體積分數(shù)，并選用較小粒徑的霧滴進行噴霧；根據(jù)作物需求，在特定環(huán)境下選擇適當體積分數(shù)的有機硅助劑與霧滴粒徑，有助于提高農(nóng)藥利用率。

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Design and test of real-time monitoring of droplet evaporation system based on standing wave and ZigBee

Wu Yalei1, Qi Lijun1※, Zhang Ya2, Elizabeth Musiu1, Li Shuai3, Cheng Zhenzhen1, Cheng Yifan1

(1.100083,;2.100083,;3.071051,)

The evaporation time of pesticide droplets on the leaf surface of plants is closely related to the absorption efficiency of pesticide droplets for plant leaves, which directly affects the efficiency of pesticide application. Pesticides can be divided into suction and touch type. For the suction of pesticides, after the droplets subsided to the foliage, as the extension of droplet evaporation time, the capillary pores of the leaves will absorb more pesticide particles, and pesticide pest control effect is better. For touch-type pesticide, the shorter the evaporation time of the droplets, the lower the probability of pesticide droplets falling from the blade surface by natural winds, and the effect of pesticides on pests and diseases is better. Therefore, the evaporation time of pesticide droplets on the surface of leaves, has a great impact on the pest control and pesticide utilization. In order to find out the influence factors of the evaporation of the droplet, the real-time monitoring system of the droplet evaporation based on the standing wave and ZigBee wireless transmission was designed. The system uses STM32 as the core to build the ZigBee network, and terminal nodes are connected with droplet collecting sensor. The data are transmitted to the network coordinator, then the coordinator transmits the data to the remote evaporation system designed by LabView2014 through the RS232 serial port, and the system realizes the real-time monitoring of the droplet evaporation condition through the waveform. From the waveform, we know that from the droplet deposition to the completion of evaporation, the system can accurately receive the data of evaporation loss which are returned by the ZigBee and show the fluctuation curve of the droplet area spread, and compared with the image processing method, its error is small, and it is easy to operate and more practical. The results show that: 1) The evaporation time of droplet is positively correlated with the particle size, which increases with the increase of droplet size. And when the particle size exceeds 242.3m, the trend is more obvious. 2) The droplet evaporation time is negatively correlated with the area spreading rate, and decreases with the increase of the droplet area spreading rate. When the volume fraction of organic silicon increases from 0.025% to 0.050%, the droplet area spread rate increases, but when it increases from 0.050% to 0.100%, the droplet area spread rate is relatively reduced. 3) The evaporation system can not only achieve remote detection, which avoids contact with liquid, but also perform real-time analysis of droplets evaporation time on the leaf surface and the area spread rate, and reasonably choose silicone volume fraction and droplet diameter, which helps to control the liquid absorption efficiency of leaf surface. The evaporation system can analyze the droplet evaporation in the blade surface evaporation time and the area spreading rate in real time. It provides a reference for the study of the evaporation time and spreading law of the droplets on the surface.

design; computer simulation; spraying; ZigBee wireless transmission; standing wave principle; active agent; spreading and evaporation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.017

TP212.9; S491

A

1002-6819(2017)-17-0128-08

2017-04-20

2017-08-28

科技部國家重點研發(fā)計劃項目“地面與航空高工效施藥技術(shù)及智能化裝備”（2016YFD0200700）；科技部國家重點研發(fā)計劃項目“現(xiàn)代果園智能化精細生產(chǎn)管理技術(shù)裝備研發(fā)”（2017YFD0701400）

吳亞壘，博士生，研究方向為主要從事植保機械研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，100083。Email：kevin_wuyalei@cau.edu.cn

祁力鈞，博士，教授，研究方向為從事植保機械研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，100083。Email：qilijun@cau.edu.cn